纖維素組分對(duì)氨基酸熱解的影響

宮夢(mèng)，方陽，陳偉，陳應(yīng)泉，陸強(qiáng)，楊海平，陳漢平，2

（1 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074； 2 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院新能源科學(xué)與工程系，湖北武漢430074； 3 華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

引 言

生物質(zhì)是自然界唯一含碳的可再生資源，生物質(zhì)制備高值化產(chǎn)品是生物質(zhì)利用的重要發(fā)展方向[1-4]，而生物質(zhì)熱解作為一種可以方便、快速地將生物質(zhì)大分子轉(zhuǎn)化為氣、液、固三態(tài)產(chǎn)品的重要轉(zhuǎn)化技術(shù)，得到廣泛的關(guān)注[5-8]。氮是造成煤炭等化石燃料產(chǎn)生嚴(yán)重環(huán)境污染的重要因素之一，煤炭氮化學(xué)已有深入研究[9-12]。而相對(duì)于煤炭，生物質(zhì)中的氮含量可以達(dá)到1%～10%（質(zhì)量）[13]，并且與煤中N 的形式不同，其60%～80%的氮以蛋白質(zhì)形式存在[14]，在熱解過程中會(huì)發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響熱解產(chǎn)品的品質(zhì)，目前逐漸引起了人們的關(guān)注。

氨基酸是生物質(zhì)中氮的基本存在形式[15]，黎新[16]采用熱重（TG）、差熱分析（DTA）和紅外光譜分析（IR）方法測(cè)試了谷氨酸的熱分解過程，發(fā)現(xiàn)主要反應(yīng)是先發(fā)生脫羧反應(yīng)，同時(shí)也可能先發(fā)生脫氨反應(yīng)生成環(huán)氧中間產(chǎn)物。Li 等[17]通過熱重-傅里葉紅外光譜分析聯(lián)用（TG-FTIR）研究苯丙氨酸熱分解的反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)其主要的分解有兩條相互競爭的路徑：直接脫羧反應(yīng)和C—C 鍵的協(xié)同破裂。生物質(zhì)的主要有機(jī)組分纖維素對(duì)氨基酸的熱解也有一定的影響。郝菊芳等[18]發(fā)現(xiàn)葡萄糖的存在使得天冬氨酸熱解的HCN 的生成量增加，而降低了NH3和HNCO 的生成。Hao 等[19]采用甘氨酸作為含氮模型與葡萄糖/果糖進(jìn)行混合熱解，結(jié)果表明，葡萄糖/果糖的存在降低了HCN 的產(chǎn)量以及對(duì)氮分布也有一定的影響。然而，當(dāng)前研究對(duì)于氨基酸單獨(dú)的熱解機(jī)理仍不清楚，且在生物質(zhì)纖維組分對(duì)氨基酸熱解的影響過程中僅關(guān)注HCN 等氣相產(chǎn)物的熱解機(jī)理，而對(duì)液體產(chǎn)物反應(yīng)機(jī)理還鮮少研究，特別是在熱解過程中纖維組分對(duì)氨基酸裂解路徑的影響還不清楚。

近年來，密度泛函理論（DFT）作為一種有效的量子化學(xué)計(jì)算方法，在研究含氮組分熱解機(jī)理、生物質(zhì)反應(yīng)機(jī)理中受到了廣泛應(yīng)用[20-26]。龔千代等[24]在B3LYP/6-31G 的計(jì)算水平上，對(duì)甘氨酸熱解反應(yīng)可能發(fā)生的路徑進(jìn)行計(jì)算，提出甘氨酸的主要反應(yīng)路徑是脫水成環(huán)反應(yīng)和脫氨反應(yīng)。Wang 等[25]通過DFT 計(jì)算纖維素單體D-吡喃葡萄糖熱解反應(yīng)路徑，發(fā)現(xiàn)相比左旋葡聚糖（LG）更容易生成5-羥甲基糠醛（5-HMF）。Kang 等[27]采用密度泛函理論分析了天冬氨酸分解對(duì)生物質(zhì)熱解過程中NH3和HCN 生成的影響，提出Hα從Cα轉(zhuǎn)移到Cβ是HCN 生成的一個(gè)關(guān)鍵途徑，而Hα從Cα轉(zhuǎn)移到天冬氨酸的N 原子則是NH3生成的關(guān)鍵途徑。因此，結(jié)合密度泛函理論計(jì)算可以更好地從分子層面理解纖維素單元對(duì)氨基酸熱解影響的機(jī)理。

為了深入了解生物質(zhì)熱解氮的遷移轉(zhuǎn)化過程中，纖維組成對(duì)生物質(zhì)含氮組分的影響，本研究將通過Py-GC/MS 實(shí)驗(yàn)與密度泛函理論計(jì)算相結(jié)合，研究纖維素單元葡萄糖對(duì)氨基酸熱解的作用機(jī)理，為系統(tǒng)揭示生物質(zhì)熱解過程中含氮產(chǎn)物的生成途徑奠定基礎(chǔ)，對(duì)生物質(zhì)的清潔高效利用有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

在生物質(zhì)的氨基酸組成中，苯丙氨酸和谷氨酸的相對(duì)含氮比例分別在芳香族氨基酸與極性氨基酸中較高[28]，因此選取氨基酸苯丙氨酸和谷氨酸用于研究，氨基酸樣品均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度均為99% 以上。葡萄糖購自TCI 公司，純度85%以上，所有樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 苯丙氨酸、谷氨酸和葡萄糖組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of phenylalanine,glutamic acid and glucose

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

氨基酸、葡萄糖的熱解以及混合熱解實(shí)驗(yàn)采用快速裂解-色譜與質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)（Py-GC/MS）。實(shí)驗(yàn)所用Py-GC/MS 是由CDS5250 自動(dòng)裂解反應(yīng)器與安捷倫公司的色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS，HP7890/5975）組成。實(shí)驗(yàn)過程如下：將0.3 mg 樣品（單獨(dú)熱解時(shí)，樣品為氨基酸、葡萄糖；共熱解時(shí)，樣品為氨基酸和葡萄糖混合樣品，總質(zhì)量為0.6 mg，其中氨基酸與葡萄糖的質(zhì)量比為1∶1）放置到微型石英管中（石英管內(nèi)徑2 mm、長度38 mm）。樣品兩端采用石英棉進(jìn)行固定，防止其被載氣吹出反應(yīng)區(qū)域。微型石英管在自動(dòng)進(jìn)樣器的作用下進(jìn)入裂解器，在裂解器中樣品從室溫以10℃/ms 升溫速率快速升溫至熱解溫度550℃并保溫15 s。熱解揮發(fā)分在氦氣的攜帶下經(jīng)傳輸管線進(jìn)入GC/MS。為了避免熱解揮發(fā)分在進(jìn)入GC/MS 前冷凝，保溫閥和傳輸管線均保持較高溫度，分別為290℃和280℃。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀設(shè)定參數(shù)如下：進(jìn)樣口溫度為280℃，色譜柱載氣（He）流量為1.0 ml/min，分流比為80∶1。所用色譜柱為HP-5 弱極性色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），色譜柱升溫程序如下：40℃保溫2 min,以5℃/min 升溫速率升到200℃，然后以10℃/min 升溫速率升到280℃并保持2 min。實(shí)驗(yàn)所獲得的大部分峰值與NIST 譜庫、Wiley 譜庫一致，每種熱解產(chǎn)物的絕對(duì)峰面積和峰面積百分比是通過與安捷倫化學(xué)工作站在同一標(biāo)準(zhǔn)下自動(dòng)整合獲得的。絕對(duì)峰面積代表產(chǎn)率，峰面積百分比表示每種產(chǎn)物的選擇性。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)三次以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

1.3 密度泛函理論計(jì)算

對(duì)于葡萄糖對(duì)氨基酸作用路徑的計(jì)算由Gaussian 09 軟件包[29]完成，采用B3LYP 方法和6-31++G(d，p)基組。在計(jì)算過程中的反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物均經(jīng)過幾何結(jié)構(gòu)的完全優(yōu)化和頻率計(jì)算；在頻率分析過程中，確保反應(yīng)物、中間體以及產(chǎn)物沒有虛頻，確認(rèn)過渡態(tài)有唯一虛頻。對(duì)于過渡態(tài)，采用TS方法計(jì)算，并通過IRC[30]計(jì)算驗(yàn)證過渡態(tài)是否連接正確的反應(yīng)物和產(chǎn)物。所有物質(zhì)的能量均采用298.15 K 和0.1 MPa 下的氣相吉布斯自由能值，反應(yīng)活化能（反應(yīng)能壘）為過渡態(tài)與反應(yīng)物或中間體之間的能量差，均考慮了零點(diǎn)能校正。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 葡萄糖對(duì)氨基酸熱解特性的影響

在快速熱解550℃條件下，苯丙氨酸的主要熱解產(chǎn)物為苯乙胺，相對(duì)含量高達(dá)79.48%；同時(shí)產(chǎn)生了一定量的小分子CO2，這說明苯丙氨酸受熱主要發(fā)生了脫羧反應(yīng)。而谷氨酸熱解不同，其主要產(chǎn)物為L-焦谷氨酸，相對(duì)含量高達(dá)85.78%，這主要是因?yàn)槠渌嵝怨倌軋F(tuán)（—COOH）和堿性官能團(tuán)（—NH2）很容易反應(yīng)，發(fā)生分子內(nèi)脫水形成含氮雜環(huán)[31]。然而其產(chǎn)率較低，主要是因?yàn)楣劝彼岚l(fā)生了升華[32]或部分谷氨酸發(fā)生分子間脫水縮合生成聚谷氨酸（PGA）[33]。同時(shí)產(chǎn)生了少量的CO2，主要是由于谷氨酸受熱發(fā)生了脫羧反應(yīng)[34]。而葡萄糖的主要熱解產(chǎn)物為糠醛（FF）、5-HMF 和LG，相對(duì)含量分別為11.54%、28.39%和26.92%，這主要是因?yàn)槠咸烟菬峤庵饕l(fā)生了開環(huán)、脫水以及環(huán)化等反應(yīng)[35-36]。從相對(duì)含量來看，5-HMF 的相對(duì)含量比FF 高，說明熱解過程中5-HMF 的生成更有優(yōu)勢(shì)[37]，且三種產(chǎn)物的生成都存在著競爭關(guān)系。

2.1.1 葡萄糖對(duì)苯丙氨酸熱解的影響 圖2是苯丙氨酸、葡萄糖以及混合物熱解反應(yīng)離子總圖。與單獨(dú)熱解相比，混合熱解有明顯不同的特性。苯丙氨酸與葡萄糖共熱解反應(yīng)的主要產(chǎn)物是苯乙烯、苯乙醛和苯乙胺，相對(duì)含量分別為6.04%、6.47% 和23.47%。而相比苯丙氨酸熱解，苯乙胺的選擇性降低，但產(chǎn)生了少量苯乙烯，這說明葡萄糖的存在對(duì)苯乙胺的生成也有一定的抑制作用，并且會(huì)促進(jìn)苯乙胺發(fā)生脫氨反應(yīng)生成苯乙烯[38]。而苯乙醛的產(chǎn)生，主要是因?yàn)楸奖彼崤c葡萄糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生了二羰基化合物，苯丙氨酸與二羰基化合物反應(yīng)生成醛類物質(zhì)[39]。氨基發(fā)生斷裂，含氧官能團(tuán)取代了氨基形成醛基。而與葡萄糖單獨(dú)熱解對(duì)比，共熱解反應(yīng)中沒有發(fā)現(xiàn)FF、LG 和5-HMF，這主要是苯丙氨酸與葡萄糖發(fā)生了聚合反應(yīng)形成大分子，抑制了葡萄糖開環(huán)、脫水和環(huán)化等反應(yīng)[40]。

圖2 苯丙氨酸、葡萄糖熱解以及混合物熱解反應(yīng)離子總圖Fig.2 Typical ion chromatograms from pyrolysis of phenylalanine,glucose and mixture

圖3 谷氨酸、葡萄糖以及混合物熱解反應(yīng)離子總圖Fig.3 Typical ion chromatograms from pyrolysis of glutamic acid,glucose and mixture

2.1.2 葡萄糖對(duì)谷氨酸熱解的影響 圖3 是谷氨酸、葡萄糖熱解以及混合物熱解反應(yīng)離子總圖。谷氨酸與葡萄糖共熱解反應(yīng)的主要產(chǎn)物是FF、5-甲基糠醛（5-MF）、2-吡咯烷酮、5-HMF 和LG，相對(duì)含量分別為5.43%、7.51%、10.43%、14.19%和5.07%，與谷氨酸和葡萄糖單獨(dú)熱解的產(chǎn)物分布明顯不同。與谷氨酸單獨(dú)熱解相比，共熱解時(shí)無L-焦谷氨酸產(chǎn)生，但生成一定量的2-吡咯烷酮，主要是因?yàn)槠咸烟谴龠M(jìn)了谷氨酸發(fā)生脫羧反應(yīng)[40]，也可能是美拉德反應(yīng)促進(jìn)谷氨酸分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)[41-42]。而與葡萄糖單獨(dú)熱解相比，F(xiàn)F、5-HMF 以及LG 的相對(duì)含量降低，這主要是因?yàn)樵诠矡峤膺^程中，部分葡萄糖與谷氨酸結(jié)合發(fā)生美拉德反應(yīng)，剩余的葡萄糖繼續(xù)單獨(dú)熱解，從而導(dǎo)致了這些產(chǎn)物相對(duì)含量降低[43]；5-MF 的產(chǎn)生，主要是因?yàn)楣劝彼岽龠M(jìn)5-HMF 的羥基產(chǎn)生斷裂，使5-HMF轉(zhuǎn)化生成5-MF[44]。

圖4 葡萄糖對(duì)苯丙氨酸熱解影響的反應(yīng)路徑Fig.4 Pathway of pyrolysis from phenylalanine with glucose

圖5 葡萄糖對(duì)谷氨酸熱解影響的反應(yīng)路徑Fig.5 Pathway of pyrolysis from glutamic acid with glucose

2.2 葡萄糖對(duì)氨基酸熱解的作用路徑

2.2.1 葡萄糖對(duì)苯丙氨酸熱解的作用路徑 基于Py-GC/MS 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)在苯丙氨酸脫羧產(chǎn)生的苯乙胺在發(fā)生脫氨反應(yīng)生成苯乙烯的反應(yīng)過程中，葡萄糖對(duì)該過程的作用路徑，反應(yīng)路徑如圖4所示，所有過渡態(tài)的優(yōu)化幾何構(gòu)型如圖6所示。反應(yīng)路徑（1）是苯乙胺通過四元環(huán)過渡態(tài)p-ts1 發(fā)生脫氨反應(yīng)，C2與相連的氨基之間的鍵長變長，C2與C3之間的鍵長縮短有形成雙鍵的趨勢(shì)，C3 位上的氫與C2位上的氨基結(jié)合生成NH3和苯乙烯，其反應(yīng)能壘為244.0 kJ/mol。反應(yīng)路徑(2)是苯乙胺在葡萄糖的作用下與其結(jié)合通過六圓環(huán)過渡態(tài)p-ts2 進(jìn)行脫氨反應(yīng)，苯乙胺C2 與相連的氨基之間的鍵長變長，葡萄糖C1 位上的羥基為苯乙胺C2 位上連接的氨基提供氫，脫掉NH3。苯乙胺C3 為葡萄糖C1 位失去氫的羥基提供氫，同時(shí)苯乙胺C2 與C3 之間形成雙鍵生成苯乙烯，其反應(yīng)能壘為200.6 kJ/mol，比苯乙胺直接脫氨的反應(yīng)能壘低43.4 kJ/mol，證明葡萄糖對(duì)苯乙胺脫氨有一定的促進(jìn)作用，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2.2 葡萄糖對(duì)谷氨酸熱解的作用路徑 基于Py-GC/MS 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)在谷氨酸熱解生成2-吡咯烷酮的反應(yīng)過程中，葡萄糖對(duì)該過程的作用路徑，反應(yīng)路徑如圖5 所示，所有過渡態(tài)的優(yōu)化幾何構(gòu)型如圖6 所示。反應(yīng)路徑(1)是谷氨酸C5 位羥基與氨基結(jié)合脫水成環(huán)通過四元環(huán)過渡態(tài)g-ts1 形成L-焦谷氨酸（g-i1），其通過四元環(huán)過渡態(tài)g-ts2 發(fā)生脫羧反應(yīng)，生成2-吡咯烷酮（g-i2），其反應(yīng)能壘為302.81 kJ/mol。

圖6 反應(yīng)路徑中過渡態(tài)的優(yōu)化幾何構(gòu)型（unit:nm）Fig.6 Optimized structure of transition staes in reaction pathways(unit:nm)

反應(yīng)路徑(2)是β-D-吡喃葡萄糖經(jīng)過四元環(huán)過渡態(tài)D-ts1 開環(huán)形成鏈?zhǔn)狡咸烟莋-1-i1，其C1 位的醛基與谷氨酸氨基氫結(jié)合形成羥基，C1位與亞氨基結(jié)合，通過四元環(huán)過渡態(tài)g-1-ts1 形成中間體g-1-i2。中間體g-1-i2 通過四元環(huán)過渡態(tài)g-1-ts2 進(jìn)行脫羧反應(yīng)，C1和C1相連的羥基之間的鍵長縮短，C1與C2 之間的鍵長變長脫掉CO2，形成中間體g-1-i3，其C5 位羥基與氨基結(jié)合脫水成環(huán)，通過四元環(huán)過渡態(tài)g-1-ts3 形成中間體g-1-i4。中間體g-1-i4通過四元環(huán)過渡態(tài)g-1-ts4，C—N 鍵發(fā)生斷裂，C1的羥基氫轉(zhuǎn)移至亞氨基，生成產(chǎn)物g-i2，其反應(yīng)能壘為290.45 kJ/mol。

反應(yīng)路徑（3）是鏈?zhǔn)狡咸烟莋-1-i1 通過過渡態(tài)D-ts2 發(fā)生分子內(nèi)氫轉(zhuǎn)移形成中間體g-2-i1，其C2位的醛基與谷氨酸氨基氫結(jié)合形成羥基，C2位與亞氨基結(jié)合，通過四元環(huán)過渡態(tài)g-2-ts1 形成中間體g-2-i2。中間體g-2-i2 通過四元環(huán)過渡態(tài)g-2-ts2進(jìn)行脫羧反應(yīng)，形成中間體g-2-i3，其C5 位羥基與氨基結(jié)合脫水成環(huán)，通過四元環(huán)過渡態(tài)g-2-ts3 形成中間體g-2-i4。中間體g-2-i4 通過四元環(huán)過渡態(tài)g-2-ts4，C—N 鍵發(fā)生斷裂，生成產(chǎn)物g-i2，其反應(yīng)能壘為285.01 kJ/mol。

從反應(yīng)能壘可以看出，共熱解反應(yīng)生成2-吡咯烷酮的反應(yīng)能壘均低于谷氨酸單獨(dú)熱解的反應(yīng)能壘，表明葡萄糖對(duì)2-吡咯烷酮的生成有一定的促進(jìn)作用，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，且反應(yīng)路徑（3）是共熱解生成2-吡咯烷酮的最優(yōu)路徑。

3 結(jié) 論

通過Py-GC/MS 將生物質(zhì)含氮組分（苯丙氨酸和谷氨酸）、纖維素單元葡萄糖以及混合物熱解并結(jié)合密度泛函理論對(duì)葡萄糖對(duì)氨基酸熱解作用的反應(yīng)路徑進(jìn)行計(jì)算，揭示葡萄糖對(duì)氨基酸熱分解過程的影響，得出主要結(jié)論如下。

（1）葡萄糖對(duì)苯丙氨酸和谷氨酸共熱解的作用明顯不同。葡萄糖與苯丙氨酸主要發(fā)生聚合反應(yīng)；還會(huì)起到供氫的作用，促進(jìn)苯丙氨酸/苯乙胺發(fā)生脫氨反應(yīng)生成苯乙烯；而和谷氨酸主要發(fā)生聚合反應(yīng)，會(huì)促進(jìn)谷氨酸發(fā)生脫羧反應(yīng)形成2-吡咯烷酮。

（2）葡萄糖C1 位的羥基為苯乙胺C2 位上連接的氨基提供氫，可以降低苯乙胺脫氨生成苯乙烯的反應(yīng)能壘；鏈?zhǔn)狡咸烟侨┗c谷氨酸氨基結(jié)合，可以降低脫羧的反應(yīng)能壘，促進(jìn)2-吡咯烷酮的生成。