玉米秸秆木质素的超临界提取及结构表征

任苗苗，吕惠生，张敏华

(天津大学石油化工技术开发中心，天津 300072)

木质素是一种天然三维网状高分子聚合物，与纤维素及半纤维素一起构成植物细胞壁的主要成分。木质素结构复杂，相对分子质量一般在几千至几十万。木质素结构中含有多种活性官能团，如酚羟基、醇羟基、甲氧基、羧基和羰基等[1]。当前，工业木质素主要来源于造纸制浆工业以及木材水解工业[1-2]。不同来源的木质素在结构和化学性质方面存在一定的差异。木质素作为大自然赋予人类的宝贵资源，具有很大的利用价值。木质素及其改性产品具有良好的分散性、黏合性和表面活性，在工业、农业、医药、冶金、金属及印染工业等有一定的应用。当前，木质素的高效利用研究已经引起人们的广泛关注[3-4]。提取分离方法决定了木质素的化学性质，进而影响木质素的后续利用。当前木质素的提取方法主要有碱溶法、酸法、有机溶剂法、高沸醇溶剂法、微波辐射法、酶解释放法和离子液体提取法等[5-9]。碱溶法和酸法容易造成环境污染，且提取过程中木质素改性较大，影响其后续利用。有机溶剂法及高沸醇溶剂法提取的木质素活性较高，但过程能耗大、容易引入有毒溶剂。微波辐射法、酶解释放法及离子液体法环境友好，但木质素提取率往往较低。

超临界技术作为一种新兴的绿色化学工艺，将其应用于木质素的提取中，与传统工艺相比，能够减少环境污染，使产物更易分离，是一种极具环保意识的有发展前景的处理工艺。超临界提取木质素一般使用有机溶剂作为改性剂，常用的改性剂有乙酸、丁醇、水和二氧六环等[10-13]。研究者采用超临界技术对于木屑、甘蔗渣、云杉、红杉和稻杆等原料中的木质素进行了提取。然而，采用超临界技术提取玉米秸秆木质素的研究较少，相应的提取木质素结构分析尚未见文献报道。玉米秸秆作为一种我国大量存在的农作物废弃物，其资源利用具有重要的意义。

对超临界提取木质素进行表征，充分认识该种木质素的结构和性质，对于更加合理的利用木质素有很大帮助。基于上述目的，本研究采用超临界CO2/乙醇-水三元体系提取玉米秸秆中的木质素，并利用气相色谱-质谱联用、红外光谱、紫外光谱和热重分析仪等研究了玉米秸秆木质素的成分、结构及热稳定性，充分解析其化学结构特点，对于合理开发利用玉米秸秆木质素资源具有重要的意义。

1　材料与方法

1.1　材料、仪器与试剂

风干玉米秸秆全料，产地黑龙江省肇东市，主要成分组成见表1；二氧化碳(纯度99.9%，天津市六方气体厂)；无水乙醇(分析纯，天津市江天化工技术有限公司)；纯净水(电阻率>1.6×107 Ω·cm，实验室自制)。

高压反应釜(MParr 4843, 美国Parr公司)；电子天平(PL 203，梅特勒-托利多仪器有限公司)；物料粉碎机(FW177，天津泰斯特公司)；超纯水机(DZG-303A，Aquapro)。

表1　玉米秸秆主要成分组成(%)

1.2　超临界提取玉米秸秆木质素

超临界CO2/乙醇-水提取玉米秸秆木质素反应装置见图1。将风干玉米秸秆全料粉碎，筛选粒度为20～40目样品。分别取10 g玉米秸秆、120 mL乙醇和80 mL水加入1 000 mL的高压反应釜中，密封反应釜。打开磁力搅拌器的冷凝水，防止其因高温消磁；开启CO2进料泵，向反应釜中打入200 g的CO2。进气完毕后，依次将控制器总电源、显示屏电源、磁力搅拌器电源开启，调整搅拌器转速至300 r/min，设定反应温度为180 ℃；当反应釜内温度达到180 ℃后，开始计时；反应1 h以后，关闭加热装置。将反应釜自加热槽中取出，自然降温至30 ℃以下，开启CO2出气阀，待釜内压力降至常压后，关闭冷凝水、搅拌器，开启釜盖；将反应所得混合产物取出。将反应混合产物真空抽滤，80 ℃温水洗涤滤渣2次，将洗涤液与滤液合并。室温下加入一定量1 mol/L的H2SO4溶液，将滤液中和至pH值为2，充分搅拌，静置。次日，真空抽滤，并用60 ℃左右的温水洗涤滤饼，得棕色粉末状的粗木质素。

1.3　提取木质素的提纯

粗木质素的纯化过程采用液液萃取的方法[14]，具体过程如下：将1.5 g粗木质素样品溶于42 mL吡啶/醋酸/水(体积比为9∶1∶4)的混合溶液中。将上述溶液与54 mL氯仿充分混合，静置，分层。将非水相分离出来，蒸发除去溶剂，再将得到的固体沉淀加入到10 mL 1,2-二氯乙烷/乙醇 (体积比为2∶1) 混合溶液中，溶解，加入250 mL乙醚，充分混合，过滤，滤饼用乙醚洗涤2次，空气干燥，得到纯化的木质素。

图1　反应提取试验流程图Fig.1　Experimental flowsheet of lignin extraction

1.4　提取液GC-MS分析

采用Agilent(6980-5973N)气相色谱-质谱联用仪,色谱柱选用HP-INNOWAX(15 m×0.25 mm×0.25 μm)。高纯载气He，流速1.3 mL/min；进样量：1 μL；分流比：20∶1；电子轰击源：EI电源，70 eV；扫描范围：40～500 aum；升温程序：初始柱温60 ℃，保持2 min，10 ℃/min升温至240 ℃，保持10 min。产物分析对照NIST08标准谱库，结合相关文献进行人工解谱。

1.5　红外分析

取适量提纯后的木质素样品，干燥条件下加入少量KBr粉末，在玛瑙研钵内反复研磨，经压片机压成透明薄片，通过Nicolet 6700型傅立叶变换红外光谱仪进行红外分析。扫描范围400～4 000，扫描次数64次。

1.6　紫外分析

紫外分析采用紫外-可见分光光度计(Lab Tech)。取5 mg玉米秸秆木质素样品溶解于适量水/二氧六环(体积比为9∶1)溶液中，进行扫描。

1.7　热重分析

热重分析试验在Mettler-TGA/SDTA热重分析仪上进行。称取适量的玉米秸秆木质素放入坩埚中，以高纯氮气为载气，流速为50 mL/min，在10 ℃/min的升温速率下缓慢加热，从室温升至950 ℃。

2　结果与讨论

2.1　提取液GC-MS分析

表2给出了超临界提取液的GC-MS分析结果。

如表2所示，超临界提取液中，存在香兰素，2-甲氧基-4-乙烯基苯酚，2,3,6-三甲基-4-甲氧基-苯酚，联苯单乙酮等木质素降解的典型小分子结构。其中以2,3,6-三甲基-4-甲氧基-苯酚的相对含量(4.193)最大，其次是2-甲氧基-4-乙烯基苯酚(3.514)、香兰素(2.836)，联苯单乙酮的含量(2.397)最低。这些木质素降解小分子均具有重要的用途。2-甲氧基-4-乙烯基苯酚可用作食用香料。联苯单乙酮是重要的医药中间体。香兰素作为一种重要的香料，可用作定香剂、协调剂和变调剂等。2,3,6-三甲基-4-甲氧基-苯酚作为一种酚类化合物，也具有重要的应用。另一方面，从反应提取过程来看，超临界反应提取玉米秸秆木质素过程中，木质素的三维空间网状结构遭到破坏，木质素大分子发生了相当程度的降解，生成了小分子酚类化合物。木质素中β-O-4醚键的断裂可能导致苯乙酮类物质的生成[15]。超临界条件下，溶剂分子更容易渗透到植物细胞中，进入木质素纤维素的骨架结构，促进木质素的降解以及木质素-碳水化合物复合体的解离。此外，联苯的存在说明木质素结构单元之间的碳碳键联结比较稳定。

表2　超临界提取液的GC-MS分析

2.2　提取木质素红外分析

对提取木质素进行红外分析，结果见图2和表3。

图2　提取木质素红外谱图Fig.2　FTIR spectra of extracted lignin

峰号波数/cm-1官能团归属134305羟基伸缩振动229268甲基和亚甲基C—H伸缩振动326258甲氧基C—H伸缩振动417091非共轭CO伸缩振动516040615138814251芳香环C—C伸缩振动714599甲基和亚甲基C—H弯曲振动9132951311212紫丁香基C—O伸缩振动1211661醚键C—H弯曲振动1012675愈创木基C—O伸缩振动1112185愈创木基芳香环C—H变形振动1410327醚键C—O弯曲振动158337芳香环C—H平面外弯曲振动

红外光谱是研究木质素结构和官能团的常用方法。由图2及表3可见，玉米秸秆木质素中含有多种极性和非极性官能团，具有木质素的典型结构，与木质素标准谱图基本一致[1,16]。波数3 430.5 cm-1的强宽谱带由缔合O—H的伸缩振动产生。1 709.1 cm-1处峰表明木质素中存在一定量的非共轭羰基，该峰的存在与木质素-半纤维素复合体之间的联结有关[17]，表明超临界提取过程中，木质素-半纤维素复合体没有完全降解，提取木质素中仍含有一定量的半纤维素，这在一定程度上会影响木质素产品的纯度。与紫丁香基有关的峰在1 329.5及1 121.2 cm-1都表现出一定的吸收。愈创木基结构分别在1 267.5和1 218.5处有吸收。说明玉米秸秆木质素主要由愈创木基单元和紫丁香基单元组成。研究表明，阔叶木质素也主要由这2种结构单元组成[18]。1 604.0、1 513.8和1 425.1 cm-1处为苯环C—C 伸缩振动。此外，在提取木质素中没有发现共轭羰基的存在，可能是由于提取过程中共轭羰基遭到破坏。

2.3　提取木质素紫外分析

图3为玉米秸秆木质素的紫外光谱图。

图3　提取木质素紫外谱图Fig.3　UV-Visible spectra of extracted lignin

木质素作为一种芳香族化合物，对于紫外光具有强烈的吸收。木质素紫外吸收的特征吸收峰一般在280和210 nm处附近，其中280 nm为苯环B吸收带的特征吸收，210 nm为共轭烯键的吸收[19]。由图3可见，提取木质素在266 nm处具有最强的吸收，较280 nm向短波长方向移动，发生浅色化，可能是由于玉米秸秆木质素中含有较多的紫丁香环。该结果与微波法提取的玉米秸秆木质素相似[20]。280 nm处的吸收强度较大，说明超临界预处理条件下，玉米秸秆木质素苯环结构比较稳定，难以发生开环反应。

2.4　提取木质素热重分析

图4是玉米秸秆木质素的失重曲线。

图4　提取木质素失重曲线图Fig.4　Thermogravimetric and differentialthermal analysis of extracted lignin

木质素的热解是一个非常复杂的过程。由图4可见，提取木质素热解范围较广。在180 ℃左右开始分解失重。Tan等[9]采用离子液体提取的木质素起始降解温度约在200 ℃，热稳定性优于本研究提取的木质素。Sun等[21]采用碱法提取的甘蔗木质素在185 ℃左右开始分解，与本研究结果相似。说明，不同提取方法得到的木质素热稳定性可能有所差异。总体来看，玉米秸秆提取木质素在200～500 ℃阶段发生较大程度失重，失重速率较快，表明该阶段提取木质素发生了很大程度的降解。其中，在360 ℃左右达到最大失重速率。500 ℃以后失重缓慢，主要是分解残留物的缓慢降解，最后剩余碳和灰分，总固体残留量为28.7%。

3　结论

1)超临界提取液中存在香兰素、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚、2,3,6-三甲基-4-甲氧基-苯酚和联苯单乙酮等典型木质素降解产物。

2)提取木质素中含有愈创木基结构以及较多的紫丁香基结构，含有一定量的木质素-碳水化合物复合体。

3)提取木质素在180～500 ℃温度范围内发生较大程度失重，失重速率较快。最大失重速率出现在360 ℃左右。

4)超临界反应提取玉米秸秆木质素过程中，木质素的三维空间网状结构遭到破坏，木质素大分子发生了相当程度的降解，生成了小分子酚类化合物。另一方面，木质素的苯环结构及碳碳键结构较稳定。

将超临界技术用于木质素的提取，实现了玉米秸秆木质素提取方法的创新。提取的木质素具有木质素的典型结构,说明超临界技术用于玉米秸秆木质素的提取是可行的。但是，本研究重在探讨超临界提取木质素的结构特点，没有关注木质素的产率，这点是本研究的不足之一，也是今后研究的方向。

参考文献：

[1]蒋挺大.木质素[M].北京：化学工业出版社,2001

[2]段亮，吕永康.木质素工业研究进展[J].山西化工，2010，30(3)：34-38

[3]吕晓静，杨军，王迪珍,等.木质素的高附加值应用新进展[J].化工进展，2001,20(5):10-14

[4]刘学苏，李广学.木质素的应用进展[J].广州化工，2005，33(4)：9-11

[5]孙勇，李佐虎，煌炘，等.木质素分离方法的研究进展[J].中华纸业，2005，26(10):58-61

[6]陈为健，程贤，方华书，等．高沸醇溶剂法提取花生壳中木质素的研究[J].花生学报，2003，32(2)：7-11

[7]赵士举，陈钢．微波辐射从花生壳中提取木质素的研究[J]．河南科学，2008，26(3)：282-285

[8]罗杨合，黄皓妍，韦飞梅，等．超声波辅助提取荸荠皮人然棕色素的工艺研究[J]．应用化工，2008，37(9)：999-1 005

[9]TAN S Y,MACFARLANE D R,UPFAL J,etal.Extraction of lignin from lignocellulose at atmospheric pressure using alkylbenzenesulfonate ionic liquid[J].Green Chem,2009,11:339-345

[10]KIARAN E,BALKAN H.High-pressure extraction and delignification of red spruce with binary and ternary mixtures of acetic acid,water,and supercritical carbon dioxide[J].J Supercrit Fluids,1994,7:75-82

[11]MACHADOA S R,SARDINHA R M A,AZEVEDO E G,etal.High-pressure delignification of eucalyptus wood by 1,4-dioxane-CO2mixtures[J].J Supercrit Fluids,1994,7:87-94

[12]BLUDWORTH J,KNOPF F C.Reactive extraction of lignin from wood using supercritical ammonia-water mixtures[J].J Supercrit Fluids,1993,6:249-254

[13]PASQUINID,PIMENTA M T B,FERREIRA L H,etal.Sugar cane bagasse pulping using supercritical CO2associated with co-solvent 1-butanol/water[J].J Supercrit Fluids,2005,34:125-131

[14]LUDQUISTK.Isolation of lignin by means of liquid-liquid extraction[J].Svensk Paperstiching,1977,80:143-144

[15]仲豪，张静，龚方红，等.阔叶木碱法造纸黑夜提取物成分的研究[J].化学工程，2011，39(2):91-95

[16]胡爱华,邢世岩,巩其亮.基于FTIR的针阔叶材木质素和纤维素特性[J].东北林业大学学报,2009,37(9):79-90

[17]蒲俊文登.三倍体毛白杨木质素结构特性研究[J].北京林业大学学报，2001,24(5/6)：211-215

[18]王键，王燕.棉秆木质素的光谱分析[J]．林产化学与工业，2009，29(1)：115-119

[19]刘志广.仪器分析[M].北京：高等教育出版社，2007

[20]孙必成，孙卫国.微波法提取玉米秸秆木质素的方法研究[J].西安工程大学学报，2010，24(4)：425-428

[21]SUN J X,SUN X F,SUN R C,etal.Fractional study of alkali-soluble hemicelluloses obtained by graded ethanol precipitation from sugar cane bagasse[J].J Agric Food Chem,2003,51:6 719-6 725