基于实验与文献研究热解温度和原料对木醋液组分的影响

郭根茂，黄 青*，王青青，王麓雅，刘 银，刘 权，苏雪松

1海南大学生态与环境学院；2海南省农林环境过程与生态调控重点实验室；3海南省热带生态环境修复工程研究中心，海口 570228

木醋液，又称木醋酸,是秸秆、木材和锯末等农林及农产品加工企业的废弃生物质经热裂解产生的烟气混合物冷凝得到的棕黄色至深褐色液体[1]。木醋液具有抗氧化、杀菌、除臭等作用，常被用作抗氧化剂、生物肥料添加剂、抗菌剂、除臭剂、食品保鲜剂等多方面，因而广泛应用于农业、食品、畜牧产业、环境和日化工业等领域[2]。

木醋液组分复杂，木醋液理化性质和组分随原材料种类和收集方法的不同而有所差异。有研究报道热解温度是影响木醋液组分与含量的重要因素[3]。Zheng等[4]发现热解温度从250 ℃升高至350 ℃，芦竹木醋液组分随温度升高乙酸含量减少，酮类和酚类物质含量升高。Wei等[5]对核桃枝木醋液分析发现，230～450 ℃温度段酸类物质呈减少趋势。一些学者对比研究不同原料来源木醋液组分种类和含量存在差异，如Li等[6]分析栎树、核桃壳、花生壳、玉米芯和稻壳五种不同原料木醋液组分发现木本的栎树与核桃壳与草本植物(玉米芯、花生壳、稻壳)在己二酮与糠醇等低含量组分是有与无的区别。过往，研究主要集中木醋液在农业、食品以及组分分析等相关应用领域，鲜有从木醋液同原料、温度以及木醋液组分间相互关系进行研究。

本研究基于GC-MS分析低温度段(270～340 ℃)和高温段(370～400 ℃)的桉树木醋液组分数据以及近26年来国内外75篇关于木醋液组分数据，通过聚类热图分析、线性回归分析、NMDS分析、相关性分析和随机森林模型等统计学分析方法，探讨木醋液组分同温度、原料与木醋液组分及其相互关系，以期为生物质资源化、木醋液的加工制备、应用与研究提供参考或借鉴。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究除分析测试的桉树木醋液组分数据外，还包含来源于国内外期刊论文中的数据。中文文献以“木醋液”或者“木醋酸”两个关键词依次对“知网”“万方”和“维普”3个中文数据库进行检索，英文文献依次以“Wood vinegar”“Pyroligenous acid”“Smoke liquid” “Prolysis liquid”为关键词在“Web of Science”“Springer Link”“Science Direct”“Wiley”“Scopus”“ProQuest”和“PubMed ” 7个英文数据库中进行检索。所收录文献出版时间从1996年至2020年，人工方法对检索到的文献进行逐一核实和校对，筛选甄别出含组分分析文献：(1)通过阅读文献的题目和摘要排除与木醋液组分不相关文献；(2)剔除各个数据库重复的木醋液组分文献；(3)阅读全文，排除数据不完整的文献。文献数据获取流程见图1。

图1 木醋液文献筛选流程图Fig.1 The flowchart of wood vinegar literature research

1.2 桉树木醋液化学组分分析

1.2.1 桉树木醋液样品制备

以海南桉树木屑为原料，热裂解制备生物质炭过程中收集低温段(270～340 ℃)和高温段(370～400 ℃)烟气冷凝液，静置备用。

1.2.2 木醋液的脱水处理

根据Li等[6]的方法，量取桉树木醋液10 mL，每次用3 mL乙醚，萃取6次，合并乙醚溶液，经氮吹去除乙醚，获得木醋液浓缩液，即GC-MS待测样品。

1.2.3 GC-MS条件

采用HP-5MS(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)石英毛细管柱。氦气(99.999%)为载气以1 mL /min的恒定流速作为载气。气相色谱-质谱条件：初始温度60 ℃，以15 ℃/min的速率升至180 ℃保持1 min，然后以10 ℃/min的速率升至270 ℃保持5 min，分流进样。分流比为10∶1，延迟时间为2.5 min，电子能量70 eV，EI 电子轰击离子源，离子源温度为230 ℃，质量扫描范围为20～550 amu/s。通过与美国国家标准与技术研究所数据库中的质谱(NIST05)谱图库进行比对，对化合物进行鉴定。

1.2.4 保留指数测定

与木醋液的GC-MS检测条件相同，对系列正烷烃(C8～C40)混标进样分析，分别记录各正烷烃的保留时间，保留指数计算参照Liao等[7]的方法。

RI=100n+100(tx-tn)/ (tn+1-tn)

式中n和n+1表示待分析化合物(x)流出前后的正构烷烃所含碳原子的数目，tx表示待分析化合物的保留时间，tn表示第n个碳原子数的正构烷烃保留时间。

1.3 木醋液组分数据库构建与数据分类

经甄别获得75篇有效文献，其中英文文献58篇，中文文献17篇。建立木醋液组分数据库，主要包括作者、题目、发表时间、热解温度、热解原料、组分化学物质和相对含量。从所得的文献中提取木醋液组分化合物和其相对含量，并汇总归纳为酚类、酸类、酯类、酮类、醇类、醛类和其他物质等7类物质，对文献中的木醋液热解温度数据划分为2个区间，中低温(低于350 ℃)和高温(高于350 ℃)，文献中51种木醋液原料分为木本植物源和草本植物源两大类，其中草本植物源有15种，木本植物源有36种。

1.4 数据分析

非度量多维尺度法分析(NMDS)基于Bray-Curtis距离反映不同热解温度区间木醋液组分之间的差异，并且利用Anosim相似性分析检验其差异显著性，使用R(version 3.6.1)进行分析,相关性分析利用Pearson法在R语言的Corrplot包进行,随机森林模型构建通过 R语言Random Forest包实现，均方误差(mean decrease accuracy)和基尼指数(Gini)评价木醋液组分重要性得分及显著性检验通过R语言rfPermute包实现。木醋液的组分相对含量用平均值表示,利用SPSS.25进行分析。聚类热图分析(Heatmap)用于表示木醋液化合物相对含量，含量多少用颜色深浅来表征，使用R(version 3.6.1)进行分析。温度与木醋液组分的线性回归关系使用R(version 3.6.1)进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同温度的桉树木醋液的组分

不同温度的桉树木醋液组分GC-MS分析表明，从种类上，低温度段桉树木醋液组分中共鉴定出23种化合物，高温度段桉树木醋液组分中鉴定出28种化合物(见表1)。其中，在高温度段检测出1-羟基-2-丁酮、1，1，1-三甲氧基乙烷、3-甲基-2-环戊烯-1-酮、3-甲基-1，2-环戊二酮、对甲酚、2-甲氧基苯酚、2-呋喃甲醇和4-乙基苯酚8种物质而在低温度段却未被检测到。低温度检测出的环戊乙酮、4，4-二甲基-2-环戊烯-1-酮、4-甲基-1，2-苯二醇和4-甲基邻苯二酚等4种物质在高温段却没有被检测到。说明高温段产生的木醋液成分化合物种类多于低温度段。含量上，不同温度段木醋液的化学物质其相对含量随温度增加的变化趋势不一致，在桉树木醋液中乙酸随温度的增加相对含量降低。高温段仅为低温段的15.8%，2，6-二甲氧基苯酚的相对含量随温度的增加而增加，高温段是低温段含量的20.5倍。结果显示低温段桉树木醋液酸类物质相对含量为高温度段桉树木醋液含量的3.4倍，低温度段桉树木醋液酚类物质相对含量为高温度段含量的62.5%。酮类、酯类和醛类物质相对含量不同温度没有显著差异。

表1 275～340 ℃和370～400 ℃段桉树木醋液组分Table 1 Compositions of eucalyptus wood vinegar at 275-340 ℃ and 370-400 ℃ temperature ranges

续表1(Continued Tab.1)

2.2 热解温度对木醋液组分影响

通过非度量多维尺度法(NMDS)和相似性分析(ANOSIM)结果表明：NMDS1正向轴主要为热解温度低于350 ℃的木醋液，NMDS1负向轴主要为热解温度高于350 ℃的木醋液。两个温度段间的木醋液组分差异显著(P<0.01，R=0.466)(见图2)。为验证本结果，将本研究中分析测试的不同温度段桉树木醋液利用NMDS和ANOSIM分析显示：桉树低温段木醋液处在NMDS1正向轴，桉树高温段木醋液处在NMDS1负向轴。推测高温度段组分与低温度段的木醋液组分存在显著差异。

图2 两个温度区间木醋液组分NMDS分析Fig.2 NMDS analysis of two temperature intervals of wood vinegar compositions

利用随机森林模型对酚类物质、酸类物质、酯类物质、醛类物质、醇类物质、酮类物质和其他物质等木醋液组分的重要性进行预测，结果显示酸类物质的均方误差和基尼指数最高，分别为14.9%和25.4%，其次为酚类物质(MDA =9.7%，MDGini=19.25%)，其余物质的均方误差和基尼指数没有显著相关性(P>0.05)(见图3)，即表明酸类物质和酚类物质为木醋液的主要物质。

图3 随机森林模型均方误差(A)和基尼指数(B)预测木醋液组分的相对重要性Fig.3 Random forest model mean decrease accuracy (A) and mean decrease Gini(B) predict the relative importance of wood vinegar components注：*P <0.05，**P <0.01；该模型的袋外错误率(OOB)为13.7%。a：酸类物质;b：酚类物质;c：酮类物质;d：醛类物质;e：醇类物质;f：酯 类物质。Note:*P <0.05,**P <0.01;out-of-bag error rate of the model was 13.7%.a:Acids;b:Phenolics;c:Ketones;d:Aldehydes;e:Alcohols;f:Esters

经描述性统计分析结果表明：酸类和酚类物质是木醋液的主要组分，当热解温度低于350 ℃时，酸类物质含量约为酚类物质的4.2倍。酮类物质平均相对含量为11.18%， 醛类物质、醇类物质和酯类物质占木醋液组分相对总含量的12.90%。高温段酚类物质较低温段平均含量增加了1.9倍，酸类物质含量减少了86%，其平均含量为34.2%，酮类物质平均含量增加了1.3倍，醛类物质含量下降约56%(见表2)。

表2 低于和高于350 ℃两个温度区间的木醋液组分含量描述性统计分析Table 2 Descriptive statistical analysis of the content wood vinegar in temperature ranges below and above 350 ℃

2.3 原料对木醋液组分的影响

木本和草本两大类的51种不同木醋液组分进行描述性统计分析结果表明：51种不同原料木醋液以酚类(30.65%)和酸类物质(29.16%)为主。木醋液组分中的酚类、酸类、酮类和醛类草本植物源是木本植物源中木醋液相对含量的80%、136%、89%和81%。两类植物源木醋液间的酸类物质、酚类物质、酮类物质和醛类物质含量没有显著性差异(P>0.05)(见图4)。

图4 木本植物源与草本植物源木醋液组分相对含量的差异显著性分析Fig.4 Significant difference analysis of content wood vinegar components from woods and herbs 注：(A)酸类物质；(B)酚类物质；(C)醛类物质；(D)酮类物质。Note:(A) Acids;(B) Phenolics;(C) Aldehydes;(D) Ketones.

木醋液组分化合物种类复杂多样，有机酸类物质主要化合物是乙酸和丙酸，其平均相对含量分别为29.48%和3.13%。酮类化合物中1-羟基-2-丙酮相对含量最高，其平均相对含量为5.18%；酚类物质中主要化合物是苯酚、2-甲氧基苯酚和2,6-二甲氧基苯酚，其平均相对含量分别为 8.07%、8.02%和5.72%。醛类物质以糠醛为主，其平均相对含量为8.31%。醇类物质主要以糠醇为主，其平均相对含量为2.52%(见图5)。

图5 不同原料木醋液组分化合物相对含量的热图分析Fig.5 The heat map analysis of relative content of components in wood vinegar from different raw materials注：颜色条代表木醋液组分的相对含量(%)，红色代表相对含量高，绿色代表相对含量低。Note:The color bar represents the relative content (%)of wood vinegar,red represents high relative content,green represents low relative content,and the color changes from green to red.

2.4 木醋液组分与温度的相关性分析

木醋液组分与其热解温度相关性分析结果表明：热解温度与酸类物质(r2=0.03，P=0.001)呈显著负相关，y=-0.08x+55.7(图6B)。热解温度与酚类物质(r2=0.03，P=0.03)为正相关，y=0.03x+19.15(图6C)。热解温度与酮类物质(r2=0.001，P=0.6)和醛类物质(r2=0.002，P=0.56)无相关性(见图6A、6D)。由于木醋液以酚类和酸类物质为主(图3),即表明热解温度对木醋液组分具有重要影响。

图6 热解温度与木醋液组分的相关性分析Fig.6 Correlation analysis of pyrolysis temperature on components of wood vinegar注：(A)酮类物质；(B)酸类物质；(C)酚类物质；(D)醛类物质。Note:(A) Ketones;(B) Acids;(C) Phenolics;(D) Aldehyde.

2.5 木醋液组分的相关性分析

木醋液组分酸类物质与酚类物质呈显著负相关(P<0.01，r2=-0.43)，酸类物质与酯类物质呈显著正相关(P<0.01，r2=0.31)，醇类物质和酮类物质呈极显著正相关(P<0.01，r2=0.23)，酚类物质与酯类物质呈显著负相关(P<0.01，r2=-0.3)(见图7)。

图7 木醋液组分的相关性分析Fig.7 Correlation analysis of wood vinegar composition注：*P<0.05；**P<0.01。

3 讨论

3.1 温度对木醋液组分的影响

热解温度低于350 ℃和高于350 ℃的木醋液组分具有显著差异，热解温度低于350 ℃酸类物质的相对含量高，而高于350 ℃酚类物质相对含量增加，酸类物质含量减少。根据已有研究报道推测是生物质中木质纤维的热解有关，正如Wu等[8]认为木醋液中酸类物质主要来源于半纤维素和纤维素热解，木醋液中的酚类物质主要来源于木质素的热解,而半纤维素主要热解温度段在200～320 ℃，纤维素热解温度段在240～350 ℃，木质素的主要热解温度范围在350～600 ℃[9]。木质素结构复杂，木质素的苯丙烷单元的烷基侧链含有很多羟基官能团，在热解初期，这些羟基官能团可以通过脱水反应生成酚类物质，随着温度升高到350 ℃，木质素基本单元之间连接的醚键会发生断裂，产生大量的酚类物质，因而酚类物质可以产生在350～500 ℃温度段[10]。Ngo等[11]研究利用响应面法研究了原料进料速度，生物质的粒径，热解温度和停留时间对木醋液组分的影响，结果显示热解温度是影响木醋液组分差异的主要因素。

3.2 原料对木醋液组分的影响

植物生物质是由木质纤维组成，木质纤维主要由纤维素，半纤维素，木质素组成[12]，木醋液是植物生物质热解的产物。纤维素，半纤维素，木质素的含量和组成结构会影响木醋液组分，Alves等[13]发现竹子的纤维素和半纤维素含量高于木质素含量，热解过程中产生酸类物质含量高于酚类物质。Wu等[8]研究表明竹子木醋液酸类物质高于杉木木醋液，是由于竹子中的半纤维素含量较高。在本研究中，酸类物质主要以乙酸的相对含量最高，其次是丙酸。有研究[14]发现乙酸和丙酸主要来源于生物质半纤维素发生脱水反应，其木糖基单元相连的乙酰基的热解和糖醛酸基的断裂产生，这可能是木醋液组分中以乙酸为主的酸类物质含量最高的原因之一。生物质热解初期，由于纤维素的解聚产生乙酸和大量的长链酸，随着温度升高，有利于半纤维素进一步热解产生乙酸。

木醋液组分中酚类物质以苯酚、邻苯二酚、愈创木酚和2，6-二甲氧基苯酚为主。Wang等[15]认为木醋液的酚类物质可能源于木质素的热分解，木质素结构中的a-醚键和b-醚键发生断裂，释放创愈木基和丁香基芳香化合物,这些芳香化合物通过O-CH3键分解或自由基诱导重排反应形成2-甲氧基苯酚和2,6-二甲氧基苯酚，故造成了这两种含甲氧基酚类化合物相对含量较高，2-甲氧基苯酚较易发生去甲氧基反应以及O-CH3键的断裂，生成短侧链苯酚类化合物，如邻苯二酚、苯酚。Mathew等[16]研究也认为2-甲氧基苯酚是通过自由基诱导的重排反应生成2-甲基苯酚，2-甲基苯酚通过去甲基化产生苯酚。

木醋液酮类物质化合物复杂多样，环戊酮、3-甲基-1，2-环戊酮和1-羟基-2-丙酮是木醋液组分中酮类物质主要化合物。Lu等[17]研究发现随着温度升高，生物质纤维素大分子解聚形成活性纤维素，然后通过β-1，4糖苷键的断裂和单体单元分子内重排生成左旋葡聚糖(1，6-脱水-β-D-葡萄糖)等中间产物，随着左旋葡聚糖的进一步分解，呋喃环的打开和C-C键的断裂产生1-羟基-2-丙酮。Wang等[15]研究表明低温加氢热解过程，在铁离子的催化作用下，可促进1，3-环戊二酮、羟基丙酮、2-环戊烯酮的产生。Chen等[18]认为半纤维素的各个糖单元发生键的断裂和重整，易于形成五碳环的环戊酮和环戊烯酮类产物，如2-环戊烯酮、2-甲基-2-环戊烯酮、2，5-二甲基环戊酮、3-甲基-1，2-环戊二酮等，推测是导致木醋液组分酮类化合物种类复杂的原因。

醛类物质的主要化合物是糠醛和5-羟甲基糠醛。有研究发现半纤维素结构解聚的木糖结构单元通过断裂吡喃环上连接键发生开环反应，开环的木糖单元连续脱水形成C-2和C-3、C-4和C-5之间双键的烯醇式结构，由于烯醇式结构不稳定，紧接着发生C-2上的羟基和C-5之间脱水成环，从而产生糠醛[19]。而Chheda等[20]研究表明纤维素通过水解成葡萄糖，进一步通过葡萄糖异构化而产生果糖。果糖经历了多次脱水和裂解反应，形成5-羟甲基糠醛。5-羟甲基糠醛进一步分解生成糠醛。Chen等[21]发现半纤维素在250 ℃和300 ℃下热解时，对于糠醛的产生至关重要。

本研究木醋液组分中醇类物质主要化合物是糠醇和甲醇。有研究发现，木质素的脂肪族醇羟基侧链结构在热解时发生断裂，生成醇类物质[22]，Hou等[23]研究认为生物质在热解过程中，金属离子如钾离子或者钠离子可促进葡萄糖吡喃环发生断裂，生成的单糖碎片经过重整和异构化生成甲醇、糠醇等醇类物质。

4 结论

本文基于实验与文献数据，利用多元统计分析方法探讨不同原料、温度对木醋液组分的影响及其相互关系：桉树木醋液低温和高温度段木醋液组分差异显著，随温度升高桉树木醋液中酸类物质含量降低，酚类物质含量升高。酮类、酯类和醛类物质随温度变化差异不显著。 热解温度低于350 ℃和高于350 ℃的木醋液组分存在明显差异，热解温度低于350 ℃的木醋液，酸类物质含量高，热解温度高于350 ℃的木醋液，酚类物质含量增多，酸类物质含量减少。乙酸是酸类物质的主要物质，酚类物质以苯酚、愈创木酚和2,6-二甲氧基苯酚为主，醛类物质和酮类物质以糠醛、1-羟基-2-丙酮为主，醇类物质主要物质是糠醇、甲醇。木醋液组分中酸类物质与酚类物质、酚类物质与酯类物质均呈显著负相关；酸类物质与酯类物质、醇类物质和酮类物质均呈极显著正相关。热解温度是影响木醋液组分的重要因素。