酶解木质素的碱催化温和水热降解

单增宇， 马灼明， 李淑君

(东北林业大学 材料科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

·研究报告——生物质材料·

酶解木质素的碱催化温和水热降解

单增宇， 马灼明， 李淑君*

(东北林业大学 材料科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

针对木质素相对分子质量大、 空间位阻大、 反应活性低、 难于利用的缺点，以氢氧化钠作催化剂对酶解木质素进行温和水热降解。研究了反应条件对降解木质素产率的影响，并以红外光谱(FT-IR)、 核磁共振谱(1H NMR)、 凝胶渗透色谱(GPC)来表征降解木质素产物。优化后的水热降解条件为反应温度200 ℃，反应时间120 min，氢氧化钠与木质素的质量比值为0.2，木质素的质量分数为8 %，此条件下降解木质素的产率为71 %。FT-IR分析表明，在温和的水热降解条件下，木质素的芳环结构得以保留。1H NMR分析结果表明，水热降解使木质素的部分醚键断裂，酚羟基增多。GPC分析表明，木质素相对分子质量明显下降，证明在此过程中木质素发生了降解。

酶解木质素；水热反应；降解；碱催化

植物茎秆中含有大量木质素，全球每年通过植物生长可产生约1 500亿吨木质素[1]。木质素是主要由3种基本结构单元，即对羟基苯基(H)、 愈创木基(G)和紫丁香基(S)，通过醚键和碳碳键连接形成的一种天然高分子聚合物[2]。自1930年木质素被正式开发利用[3]以来，国内外科学家提出并改进了木质素提取方法[4-5]，并利用其分散性[6]、 黏合性[7]、 表面活性[8]等性质生产香料、 胶黏剂或新型生物质燃料。酶解木质素通常是从酶解植物原料制生物乙醇的残渣中分离得到的，含有丰富的官能团，如酚羟基和醚键等，能够直接与醛、环氧氯丙烷等反应，制备酚醛树脂、 环氧树脂等，还可以与塑料、 橡胶等高分子材料共混增强力学性能[9]，具有巨大的潜在利用价值。然而，由于木质素存在相对分子质量大、 反应活性低、 空间位阻大等缺点，必须通过物理法或化学法将其降解后才能实际应用。与成本高、 污染大的化学法相比，水热降解木质素是在高温高压下的水体中使木质素发生物理和化学反应，原料不需要预干燥，且水可以提供羟基，不用或较少使用化学试剂，具有反应快速、绿色环保等优点。水热处理是一种很有前景的技术，利用不同的水热液化和碳化技术可以分别从生物质中获取生物油和碳材料等。木质素水热液化可以得到富含酚类化合物的生物油，而酚类化合物更是一种重要的化工原料。木质素水热碳化可以得到富碳含量的水热焦，这些水热焦也许可以作为吸附剂、碳基催化剂前驱体等。本研究的目的是探究水热降解法高效降解酶解木质素(EHL)，获得小分子的酚类化合物。姜炜坤[10]以玉米秸秆水解残渣木质素为原料，在375 ℃水热降解反应30 min，降解率约80 %；康世民[11]以碱木质素为原料，在300 ℃水热降解反应30 min，降解率约50 %。然而，降解温度过高往往会引起木质素的热降解反应，甚至发生结焦现象，不利于木质素的降解。本研究以氢氧化钠作催化剂对木质素进行温和水热降解(≤300 ℃)，分析反应温度、 反应时间、 NaOH与木质素的质量比值、木质素质量分数等因素对酶解木质素水热降解的影响，并采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、 核磁共振波谱(NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对所得到的木质素水热降解产物进行表征。

1 材料与方法

1.1 原料、 试剂与仪器

酶解木质素(EHL)，玉米秸秆经过同步糖化发酵(SSF)法水解后的剩余残渣。氢氧化钠、 浓硫酸、 丙酮等为分析纯，四氢呋喃为色谱纯，氘代二甲基亚砜为光谱纯。

GCF型高温高压反应釜，大连自控设备厂；Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪，美国Thermo Fisher Scientific公司；Avance Drx 400型超导核磁共振波谱(NMR)仪，德国Bruker公司；1100型凝胶液相色谱(GPC)，美国Agilent公司。

1.2 酶解木质素水热降解

1.2.1 酶解木质素精制 向残渣中加入1 mol/L的氢氧化钠水溶液，经溶解、 过滤，除去不溶的杂质。所得木质素溶液用1 mol/L硫酸溶液调pH值至2～3，使木质素沉降，分离得木质素沉淀。对获得的木质素沉淀水洗除去其中所含的盐分，再经减压干燥得到精制木质素。精制产物中含木质素91.37 %，含灰分2.51 %，含其他杂质6.12 %。该精制产物在1 % NaOH中可溶解99.60 %，在丙酮中可溶解11.24 %。

1.2.2 水热降解 取一定量精制木质素与氢氧化钠水溶液在反应釜中进行水热降解，控制降解时的搅拌速度为300 r/min。固定初始条件为：精制木质素10 g、 氢氧化钠2 g、 蒸馏水88 g，到达设定温度后反应30 min。在后续单因素试验中选取已优化的反应条件作为固定条件，逐个条件优化。反应温度分别设定为150、 200、 250和300 ℃，反应时间分别设定为30、 60、 90和120 min，木质素的质量分数分别为4.0 %、 6.0 %、 8.0 %和10.0 %，NaOH用量(NaOH与木质素的质量比值，下同)分别为0.10、 0.15、 0.20和0.25。水热反应后用3 %硫酸溶液调节pH值至2～3，待木质素沉淀后减压过滤。收集滤饼减压干燥后，以丙酮充分溶解、 过滤，滤液旋转蒸发除去丙酮，再减压干燥得到的产物记为降解木质素，产率的计算方法为降解木质素质量与水热反应前加入的精制木质素的质量比[12]，残渣率的计算方法为剩余残渣质量与所加入的精制木质素的质量比。降解为气体和以溶液形式存在的产物因难于收集和利用而未进行下一步研究。

1.3 产物表征

1.3.1 FI-IR 使用傅里叶变换红外光谱分析产物的官能团。仪器采用ATR模式，分辨率为4 cm-1，扫描次数32次，扫描范围为650～4000 cm-1。

1.3.21H NMR 使用超导核磁共振波谱仪对产物进行1H NMR分析，设定扫描次数为8次，扫描范围为δ-2～14，弛豫时间1 s，溶剂为氘代DMSO-d6。

1.3.3 GPC 使用凝胶渗透色谱来分析降解后的木质素产物的相对分子质量分布，紫外检测波长为280 nm，流动相为四氢呋喃，流量为1.0 mL/min，进样量为50 μL，柱温为30 ℃,柱压2.9 MPa。样品的相对分子质量依据单分散性聚苯乙烯标准物的标准曲线来计算。为了增加木质素在的溶剂中的溶解性能，测试样品需先经乙酰化处理[13]。

是晚，一只瓶塞着火的啤酒瓶，从胡马强后院墙外飞进来，像一个大大的问号，准确地穿越胡马强客厅的玻璃窗，在客厅和窗户之间爆燃，立即形成了一片火海，那火海冲出窗外，成了一个炫目的感叹号。睡梦中的胡马强在随从的掩护下，迅速捂着鼻子逃离了主楼。

2 结果与分析

2.1 不同降解条件对降解木质素产率的影响

2.1.1 温度 温度是影响水热降解的一个重要因素[2,12]。由表1中温度作为单一变量的数据(No.1～4)可知，150 ℃时降解木质素的产率仅为13.3 %、 残渣率达96.5 %，两项之和超过了100 %，这是因为降解发生很少，大量的木质素从溶液中沉降时夹带了溶液中的盐分导致合计超过了100 %。在200 ℃条件下降解木质素的产率上升至51.6 %、 残渣率仅为15.3 %。究其原因，是因为木质素的降解为吸热过程，升高温度有利于木质素降解成小分子[12]，此外，在较高温度下也更有利于水的离子化(Kw=[H+][OH-])，进而能够更加有效地催化木质素的水热降解。在250和300 ℃条件下降解产物的产率分别为20.0 %和11.2 %、 残渣率分别上升至49.2 %和32.0 %，一个原因是当温度继续升高，较多的木质素发生结焦或炭化，另一个原因是木质素水热降解反应的同时也进行着再聚合[3]，使得产物产率下降，残渣率上升。综合比较，200 ℃更适于木质素的碱催化温和水热降解。在此条件下，降解木质素产率为51.6 %、 残渣率为15.3 %。

2.1.2 反应时间 反应时间也是影响水热降解的重要因素。时间短，木质素的水热降解不充分；时间长则浪费时间和能量。由表1中时间作为单一变量的降解产率数据(No.2、 No.5～7)可知，随反应时间的延长降解木质素产率略有升高，当降解时间由30 min增加至120 min时，降解产物的产率由51.6 %增至59.4 %。然而，随着时间的延长，能耗也大大增加。综合考虑产率和能量消耗等因素，确定较适合的反应时间为120 min。在此条件下，降解木质素产率为59.4 %、 残渣率12.3 %。

2.1.3 NaOH用量 催化剂NaOH用量是影响木质素碱催化温和水热降解的重要因素。由表1中NaOH用量作为单一变量的降解产率数据(No.7～10)可知，NaOH用量从0.10升到0.20时，降解产物产率由54.7 %升高至59.4 %、 残渣率由19.5 %降至12.3 %，可以证明水热反应中足量的碱有利于提高降解木质素产率。NaOH用量从0.20升至0.25时，降解产物产率又降低至54.9 %、 残渣率升至22.9 %。可见，过量的碱会导致缩合等副反应增加，不利于木质素的降解。因此，优选催化剂NaOH用量为0.20。在此条件下，降解木质素产率为59.4 %、 残渣率12.3 %。

2.1.4 木质素质量分数 木质素的质量分数决定了降解效率，结果见表1。

表1 不同反应条件对酶解木质素降解影响

1)合计为产率和残渣率之和total equals yield of degraded lignin plus residue rate

根据降解木质素产率优化的木质素碱催化温和水热降解条件为反应温度200 ℃，到达反应温度后反应120 min，催化剂氢氧化钠与木质素的质量比值为0.20，木质素的质量分数为8.0 %。此条件下的降解木质素产率达到71.0 %，残渣率低至7.8 %。

2.2 FT-IR分析

图1 红外光谱图

图1为精制木质素和优化条件(反应温度200 ℃，到达反应温度后反应时间120 min，氢氧化钠用量为0.2，木质素的质量分数为8 %)得到的降解木质素产物的傅里叶变换红外光谱图。图中3550～3200 cm-1处为羟基伸缩振动的吸收峰，2940～2860 cm-1为甲基、 亚甲基、 次甲基伸缩振动的吸收峰，1702 cm-1为与苯环非共轭的羰基吸收峰，1601和1510 cm-1为苯环骨架的吸收峰，1455 cm-1为C—H不对称弯曲振动，1325 cm-1为紫丁香基环中C—O的伸缩振动，1275 cm-1为愈创木基环中C—O的伸缩振动，1085～1030 cm-1为C—H、 C—O弯曲振动[2]。这些吸收峰的存在，说明了木质素样品中含有丰富的有机官能团。

降解前后的样品中1601和1510 cm-1苯环骨架的吸收峰基本一致，表明在温和的水热降解条件下，木质素的苯环骨架得以很好地保留。相比于精制木质素，降解木质素1702 cm-1附近的吸收峰强度略有增加，这是由于在反应过程中没有排出反应釜内空气，在高温条件下木质素中的部分游离羟基被氧化成为羰基造成的。

2.3 1H NMR分析

图2为原料精制木质素和优化条件下降解木质素的1H NMR谱图。图中δ2.5和3.3处的2个信号分别来源于氘代DMSO-d6和水。由图可知，2个样品的1H NMR的峰位及形状大致相同，表明2个样品具有类似的基本结构单元。对原料精制木质素和水热降解木质素中的甲氧基、 醚键定量积分，以芳环骨架上的H(δ6.0～8.0)[14]积分作为基准1，水热降解后，甲氧基上的H(δ3.5～4.2)[14]积分值由0.76下降为0.71，表明经水热降解后甲氧基部分脱除，与醚键相连接碳上的H(δ4.2～6.0)[14]由反应前的0.81减少到0.59，酚羟基的H(δ8.0～9.5)[15-16]由反应前的0.10提高到0.21，即水热降解使木质素的一部分醚键断裂，酚羟基增多。

2.4 GPC分析

原料精制木质素和优化降解条件下降解木质素的GPC谱图见图3。

图2 核磁氢谱图 图3 GPC谱图

Fig. 21H NMR spectra Fig. 3 GPC spectra

木质素的重均相对分子质量(Mw)和数均相对分子质量(Mn)及计算得到的多分散系数D(D=Mw/Mn)如表2所示。经分析，发现经过温和水热降解后，木质素发生了明显的降解，Mn由1 954下降至252，Mw和粘均相对分子质量(Mz)也都有明显的下降。可见，木质素降解成为小分子的芳香族物质，空间位阻减小，有利于进一步加工利用。

表2 相对分子质量分布

3 结 论

以NaOH作催化剂，水热降解酶解木质素，优化的水热降解条件为：降解温度200 ℃，到达反应温度后反应120 min，氢氧化钠与木质素的质量比值为0.2，木质素的质量分数为8 %，此条件下的降解木质素产率为71 %。红外光谱、 核磁共振波谱定性分析表明：降解木质素很好地保留了木质素的苯环骨架基本结构单元。凝胶渗透色谱分析表明，温和的水热反应使木质素发生降解，相对分子质量显著下降。

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Alkali Catalytic Facile Hydrothermal Depolymerization of Enzymatic Hydrolysis Lignin

SHAN Zengyu, MA Zhuoming, LI Shujun

(College of Materials Science and Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040, China )

Aiming at the shortcomings of lignin like high molecular weight,high steric hindrance,low reactivity and difficulty in utilization,the enzymatic hydrolysis lignin(EHL) was mildly hydrothermal depolymerized with NaOH as catalyst. The effects of process parameters,including reaction temperature,reaction time,NaOH/lignin ratio and lignin mass fraction,on lignin depolymerization were investigated. The lignin samples were characterized by FT-IR,1H NMR and GPC. The operating conditions were optimized as 200 ℃,120 min,and NaOH/lignin ratio 0.2 with 8 % lignin. This led to the highest yield of depolymerized lignin (71 %). FT-IR analyses demonstrated that the aromatic structure of lignin was remained under mildly hydrothermal degradation conditions. The results of1H NMR indicated that some ether bonds in lignin were interrupted and new phenolic hydroxyl groups were generated. GPC analyses showed that the molecular weight of lignin decreased significantly and the lignin was notably degraded.

enzymatic hydrolyzed lignin;hydrothermal reaction;depolymerization;alkali catalysis

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.02.002

2016-05-06

公益性行业科研专项(201304614)

单增宇(1992— )，男，安徽淮北人，硕士生，主要从事木材化学利用研究

*通讯作者：李淑君，教授，主要从事木材化学与树木提取物深加工领域研究；E-mail：lishujun_1999@126.com。

TQ35；O636.2

A

1673-5854(2017)02-0008-05