21世紀世界各國面臨著資源消耗過度、環境污染加劇的困境，積極尋找可再生能源、采用綠色化學土藝、減少環境污染是人類社會能夠持續發展的唯一出路。國際能源局\\(IEA\\)聲明，到2050年生物燃料有望提供世界總運輸燃料需求量的27%，可達7.5億噸石油當量。

楊樹是一種全球大面積栽培的木本作物，具有適應性廣、年生長期長和生產速度快等特點，是木質纖維素的重要研究代表，楊木的資源化利用具有著重要的意義。通過對木質纖維素原料進行預處理、酶解可以得到葡萄糖，進而發酵制取纖維乙醇。目前，纖維乙醇的制取土藝是可行的，然而土藝成本和產品經濟性確是制約發展的重要因素。預處理過程中，有效地將木質素分離純化并加以利用，能夠提升纖維乙醇的整體經濟性。木質素是單體繁多、結構復雜的一類三維立體高聚物，由苯丙烷結構單體通過醚鍵和碳碳鍵聯結而成的無定形高聚物，側鏈上存有各種官能團，半纖維素和木質素間的化學鍵聯結形成的網絡結構使其難以分離提取。

本研究通過磷酸丙酮法、堿法蒸煮法和有機溶劑法對楊樹進行預處理，將分離純化的木質素[[7]作為研究對象，并與國標法所提取木質素進行對比。通過紅外吸收光譜和核磁共振進行表征，從木質素產率和改性程度的角度入手，尋求能夠實現生物質資源全組分利用的最為適合的預處理方法，提升纖維乙醇的產品經濟性。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

楊樹枝取自北京呂平，楊樹末是經過去皮、烘干、截塊、粉碎、篩分J步處理而得，過0. 84 mm篩孔，在索氏抽提器中苯醇抽提4h，空氣中自然放置備用。所用化學試劑均為分析純，所用水為去離子水。

紅外光譜測定在Nicolet 6700型FT}R\\(美國熱電公司\\)上進行，由于所制得木質素是有機粉狀物，需采用含有1 % I}B:壓片法進行預處理。液體‘HNMR在400 MHz的400 NMR型譜儀\\(瑞士Bruke:公司\\)上進行，準備25mg樣品溶解在1.0mL氖代二甲亞礬DMSOI6中，在25℃條件下測定HNMR，每個樣品掃描16次70。脈沖角，脈沖寬度10.i,m，延遲時一間15s。

1.2 磷酸丙酮預處理

楊樹末和磷酸\\(質量分數85%\\)首先在水浴恒溫振蕩器中預浸，比較反應溫度、固液比和反應時-間對木質素產率的影響規律。隨后加入預冷的丙酮并充分萃取5 min，10000r/min高速冷凍離心實現固液分離，萃取漓心過程需重復3次。離心所得殘留固體經過水洗，稱重、酶解、發酵制取纖維乙醇;通過旋轉蒸發儀對萃取液中的丙酮進行減壓蒸餾回收，剩余酸液中加水并自然沉降1h，通過0.45,m混合纖維素膜過濾得到磷酸丙酮木質素，經過水洗、烘干、空氣放置備用。

1.3 堿性蒸煮預處理

稱取lOg楊樹末裝入燒瓶，加入一定配比的NaOH和NaZS硫酸鹽溶液，常壓下將蒸煮液加熱至160℃保持1h。通過離心分離出堿不溶物沉淀，用鹽酸將溶液pH值調至3，再離心分離得到堿木質素，水洗、烘干、自然放置備用。

1.4 有機溶劑預處理

稱取lOg楊樹末裝入三角瓶，加入由一定配比的丙酮、乙醇、水組成的混合有機溶劑，滴加幾滴硫酸催化，常壓下60℃加熱2h。將固體殘留物過濾后，通過減壓蒸餾將剩余液體中的有機溶劑蒸出，加水并自然沉降1h，通過0.45m混合纖維素膜過濾獲得有機溶劑木質素，水洗、烘干、自然放置備用。

1.5 國標法

稱取lOg楊樹末裝入三角瓶，加入100 mL濃HZSOQ\\(質量分數72% \\)，常壓下30℃保持1h并不斷攪拌，隨后加水2.8 L將HZSOQ稀釋至質量分數為4%，牛皮紙封口放入高壓滅菌鍋加熱至121℃并保持1h。冷卻至室溫后，通過慢速定量濾紙過濾獲得酸不溶木質素，這是目前木質素含量測定的國標方法，水洗、烘干、自然放置備用。

1.6 木質素純化

粗木質素的純化按照Lundquist法進行處理。

1.7 木質素表征

通過紅外光譜和核磁共振對4種所提取的木質素進行表征，分析比較木質素提取前后的官能團的特征差異，篩選出改性程度相對較小的提取方法。

2 結果與討論

2.1 磷酸丙酮法木質素提取結果

通過國標法對楊樹末的成分進行測定，測得木質素含量為21.26%\\(見表2\\)。

前期研究表明，通過磷酸丙酮法對楊木進行預處理，木質素、半纖維素和纖維素分別存在于丙酮相、水相和剩余固相中，僅會發生少量的水解和降解反應，初步實現了木質纖維素3大組分的部分分離。經磷酸預浸，部分纖維素會發生潤漲進而溶解的現象，加入丙酮使得溶解的纖維素瞬時一沉降，纖維素品型由結品區向無定形區發生一定的轉變，適干后續的酶解發酵反應。溫和的反應條件也會切斷抑制物的產生條件，對后續土藝不會造成消極的影響。

溶解木質素的丙酮具有低沸點和高揮發的特性，通過減壓蒸餾即可實現溶劑回收?；厥毡?，在剩余漿液中加水靜置，1h后溶解的木質素會發生沉降。預處理中溫度、時一間和液固比\\(磷酸體積:楊樹末質量\\)均對木質素產率和改性程度有一定的影響。



從表1可以看出，預浸溫度由300C提高至900C時，木質素產率由10.57%大幅提高至53.28%，木質素產率隨著溫度的升高而大幅提高，但過高的溫度會導致木質素部分基團的改性，較為活潑的活性基團如輕基、甲氧基等容易發生化學反應。加熱溫度70和90℃時，產率分別可達37.89%和53.28%，但所提取木質素的顏色加深、顆粒變大且表面較硬，發生了一定的改性;50℃時一所提木質素產率也可達到23.48%，所提取的木質素顏色較淺、顆粒較小且結構松散，改性程度較小，適于進一步利用。

液固比對木質素產率的影響較小，在6:1和14:1之間木質素產率僅有不到4%的變化，且數據較為波動;其中液固比8:1時較為合適，木質素產率達到了16.88%提高磷酸加入量對于木質素提取沒有明顯的提升效果。這是由于提高磷酸加入量有利于纖維素的溶解，微觀上講，在磷酸中己經部分潤漲溶解的纖維素鏈，遇到丙酮后發生聚合會阻礙木質素的溶出，因此提高磷酸量就會加劇這種現象的發生，且丙酮比例的降低也不利于木質素的提取;同時，在丙酮和磷酸一起存在時，由于木質素的網狀分子結構本身也存在著解聚和再聚合的動態變化，導致產率不穩定的小幅波浪性變化。預浸時一間對于產率同樣也有一定的影響，由10min延至60min時，產率提高了10.78%，達到21.57%;再繼續處理60min后木質素產率僅提高4%，處理60min是較為合適的預浸時一間。

上述結果表明，反應溫度對于木質素產率的影響最為顯著，接下來是反應時一間，而反應固液比對于產率的影響相對較小。從改性程度、經濟性和反應效率3個角度來綜合考慮，最優提取條件為預浸溫度500C、預浸時間60min以及液固比8:1。

2.2 堿法蒸煮法和有機溶劑法木質素提取結果

堿法蒸煮的目的主要在于脫除木質素以達到預處理效果。堿法蒸煮法處理木質纖維素時一，溫度1600C時一木質素溶出速度為纖維素的12.6倍酚型月芳基醚鏈在各種連接形式中占據著主要的地位，它的斷裂與否直接影響到蒸煮的速率。酚型月芳基醚鍵在NaOH蒸煮時，主反應是月質子消除反應和月甲醛消除反應，只有少量鍵在OH一對a碳原子的親核攻擊形成環氧化合物時才能緩慢斷裂。HS-的電負性較OH一強，親核攻擊能力也強，能夠迅速地形成環硫化合物而促使月芳基醚鍵斷裂。因此，添加一定的HzS輔助蒸煮，可以提高木質素的提取速率和效率。



在有機溶劑預處理法中，借鑒了乙醇在制漿技術中的應用。脫木質素階段無需添加助劑或催化劑，僅靠木質纖維素自身產生的乙酸、糖醛酸等作為催化劑，即可一定程度上實現酸催化脫木質素的過程。

在自催化乙醇法制漿和Alcell工藝中，不需要添加助劑或催化劑，但所需制漿溫度較高，高于1800C才能有效地脫除木質素。丙酮在相對較低的溫度下即可溶解原料中的部分木質素，因此，在乙醇脫木質素過程中加入丙酮，可以在60℃的反應溫度下脫除部分木質素，減少了較高溫度下會出現的抑制物產生和木質素改性。

表2中選取了兩種方法的相對較優土況。在此土況下，堿法蒸煮的木質素產率為9. 58%，而有機溶劑法的木質素產率也僅為13.47%。相比較而言，磷酸丙酮法在50℃下處理1 h，木質素產率可達21.57%，且木質素改性程度相對較小，經過簡單的減壓蒸餾還可實現溶劑的回收利用。溫和條件下的磷酸丙酮法對纖維素成分有一定的作用，引起纖維素的無定形化，由于纖維素在整體結構中占據著最主要的比例，同時一也是木質纖維素的主體骨架結構，所以加入丙酮后對木質素的提取是兩種效應的協同作用，木質素提取效果較為明顯。而有機溶劑法和堿法蒸煮法僅針對木質素的直接提取，整個過程中纖維素骨架的變化很小，木質素的提取效果較為有限。

2.3 木質素紅外吸收光譜分析

針對4種方法所提取木質素進行微觀結構表征，綜合總圖譜\\(圖1\\)和指紋區圖譜\\(圖2\\)可以看出，木質素分子的官能團變化。4種木質素的吸收峰位置和峰形大致相似，具有木質素紅外光譜的特征吸收峰。但在某些具體吸收峰處，卻存在著一定的吸收差異。3400cm處為芳香族酚輕基的伸縮振動，2925和2850cm處為脂肪族甲基和亞甲基的C-H鍵伸縮振動，圖1表明，除了國標法中硫酸的高溫酸解會導致木質素脂肪鏈的很大改性，其它3種木質素的吸收均較為明顯。1710cm處為非共扼撥基的伸縮振動，來自于阿魏酸的梭基吸收，堿法蒸煮法在此處吸收峰的消失說明阿魏酸發生了一定的結構變化。

圖2表明，4種木質素在1608,1507和1463cm處均有不同程度的吸收，這個吸收峰是芳香苯丙烷的骨架振動引起的，說明4種木質素均為典型的木質素結構。圖中可看出，磷酸丙酮法和有機溶劑法所提取木質素的吸收較為明顯，改性程度也相對較小。1270cm處為愈創木基甲氧基C-0鍵的振動，852cm處為愈創木基芳香環中C-H鍵的面外彎曲振動，1230和1324cm處均為紫丁香基中芳香核C-0鍵的伸縮振動，1120cm處為紫丁香基芳香環中C-H鍵的面內彎曲振動。在這些木質素典型單體的吸收峰處，磷酸丙酮木質素的吸收相對最為顯著。



4種木質素的改性程度排序為:磷酸丙酮法<有機溶劑法<堿法蒸煮法<國標法。圖2表明，磷酸丙酮木質素在特征吸收峰1608,1507和1463cm\\(芳香苯丙烷骨架振動\\)處具有最強的吸收信號，在1650cm處還存在著共扼撥基吸收峰，經過反應條件溫和的磷酸丙酮法處理后，木質素的分子結構并未顯著變化，特征吸收峰波數范圍內也沒有出現新的吸收譜帶，說明這種木質素的改性程度相對最小。

國標法和堿法蒸煮對木質素的改性程度較大，不僅導致在一些特征吸收峰處吸收的消失，也導致了光吸收程度的減小，部分吸收峰甚至還發生了藍移，向高波數方向發生移動，這2種木質素的改性程度較大。

2.4 木質素核磁共振氫譜表征

將4種木質素溶于DMSO進行預處理，隨后分析核磁共振氫譜。木質素較大的分子量和復雜的空間立體結構會導致分子的自由運動受到一定阻礙，質子信號峰有所重疊，加上自旋一自旋偶合和空間影響等效應，核磁共振氫譜中的譜峰顯得較寬。

在圖3磷酸丙酮圖譜中，83.3處信號峰來自溶劑DMSO中水的質子，52.5處的2個較強信號峰來自溶劑DMSO中的質子，86.1-5.7是月結構中醚鍵的質子吸收峰區域，木質素大分子水解后會形成新的醇輕基和酚輕基;a-0結構中的H。會在85.0-4.6顯示出2個小的吸收峰是乙酞化的酚輕基質子吸收峰，82.2-2.0是乙酞化的醇輕基質子吸收峰，這表明木質素中存在著一定數量的輕基。s2.o一1.2之間是木質素側鏈上脂肪族烷基鏈上的質子吸收峰，而在2.一0.8之間還存在著木聚糖乙酞基上質子所產生的信號峰。這些化學位移處的吸收峰表明，磷酸丙酮法所提取的木質素改性程度不大，相關官能團在典型的化學位移處均有一定程度的吸收。

圖3中，A,B,C分別為有機溶劑法、堿法蒸煮法和國標法所提取木質素的‘H NMR圖譜，特征吸收峰處的吸收較小甚至消失，吸收峰的位置也發生了一定的變化，木質素的改性程度較大。對比發現，磷酸丙酮木質素與相關木質素研究圖譜的吸收峰的位置和形狀最為接近，具有相對較小的改性程度和較高的經濟價值，進一步開發利用可以有效提升纖維乙醇整體土藝的經濟性。


3 結論 通過磷酸丙酮法對楊木粉末進行預處理，以8:1\\(mL:g\\)的磷酸原料液固比在50℃下預浸60 min時一木質素產率可達21.57%，所提取木質素顏色較淺、顆粒較小、結構松散，改性程度較小，適于進一步利用。堿法蒸煮法和有機溶劑法所提取木質素僅占9.58%和13.47%，且改性程度較大。通過紅外吸收光譜表征，磷酸丙酮木質素在1608,1507和1463cm等處具有相對最強的吸收信號，在1650cm處還存有共扼撥基吸收峰;通過核磁共振氫譜表征，發現磷酸丙酮木質素在特征化學位移處均有明顯的吸收，表明了低溫常壓預處理后的磷酸丙酮木質素具有相對較小的改性程度，利用前景優于其它木質素研究對象。從木質素產率和木質素改性程度的角度出發綜合分析，磷酸丙酮預處理法可以有效提升土藝過程中木質素的附加值，進一步提高纖維乙醇土藝的整體經濟性。