竹材在LiCl/DMSO溶劑體系中的溶解及再生性能

吳文娟 鄒春陽(yáng) 黃麗菁 金永燦

(南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210037)

木材和非木材植物纖維原料的主要化學(xué)成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，占原料總質(zhì)量的80%～95%，其中，木質(zhì)素為高度交聯(lián)的芳香族高聚物，具有膠黏作用，將纖維素和半纖維素相互連接在一起，并給予加固硬質(zhì)化，以避免微生物侵蝕到細(xì)胞壁(Kammetal., 2006)。在木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)中，作為木質(zhì)素的基本單元，苯丙烷以醚鍵或碳-碳鍵的連接方式組成交叉網(wǎng)絡(luò)的立體結(jié)構(gòu)，作為大分子，其結(jié)構(gòu)中也有以化學(xué)鍵的連接方式與碳水化合物結(jié)合在一起，形成具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子，并以木質(zhì)素-碳水化合物的復(fù)合物(LCC)形式存在于植物細(xì)胞壁中。木質(zhì)纖維原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜致密，在生物或化學(xué)降解上具有明顯抑制作用，且錯(cuò)綜交織結(jié)構(gòu)的存在也不利于分出全部原本木質(zhì)素，從而無(wú)法獲取到木質(zhì)素的相關(guān)原始結(jié)構(gòu)信息(Adler， 1977； Leeetal., 1981； Changetal., 1975)。因此，有效抑制或消除這種阻礙，對(duì)發(fā)展、實(shí)施木質(zhì)纖維原料的高度生物煉制具有重大意義。

目前，對(duì)原本木質(zhì)素的了解主要基于一些傳統(tǒng)、經(jīng)典的方法，如球磨木質(zhì)素(MWL)、纖維素酶解木質(zhì)素(CEL)，這些方法均需要一定程度的球磨處理，但球磨程度不同會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素結(jié)構(gòu)不可避免的破壞(Ikedaetal., 2002； Fujimotoetal., 2005； Huetal., 2006； Guerraetal., 2006； Holtmanetal., 2004)，將模糊對(duì)原本木質(zhì)素最初結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。盡管研究人員在這一方面做了大量工作，但通過(guò)分離得到的各組分會(huì)發(fā)生一定程度的降解或衍生化反應(yīng)，使得供分析的各組分結(jié)構(gòu)特征不具備完全公認(rèn)的代表性。對(duì)于木質(zhì)素所在載體——木質(zhì)纖維原料，由于其本身組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要了解彼此之間的組成連接，當(dāng)前除了合適的分離手段外，還可借助木質(zhì)纖維原料的全溶體系，利用高分辨率二維核磁共振技術(shù)對(duì)細(xì)胞壁組分進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，分析速度快，且可獲得更加全面的各組分結(jié)構(gòu)信息。在全溶體系下，NMR的光譜分析可給出完整木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)信息，這是分離出來(lái)的木質(zhì)素?zé)o法提供的； 但并不是所有全溶體系都具有這樣的特點(diǎn)，有些體系在溶解過(guò)程中可能會(huì)有衍生物生成(Kuboetal., 2008； Heinzeetal., 2000)，如有機(jī)溶劑復(fù)合體系二甲基亞砜/四丁基銨(DMSO/TBAF)，細(xì)胞壁組分在全溶體系中發(fā)生乙酰化反應(yīng)后，會(huì)伴隨其他組分的衍生； 有些全溶體系需要在苛刻條件下進(jìn)行(Kilpel?inenetal., 2007)，如咪唑類(lèi)溶劑，將木片完全溶解，需要在150 ℃下持續(xù)溶解24 h； 也可能與原料的球磨程度有關(guān)(Luetal., 2003)。這些都可能改變?cè)现懈鞣N初始化學(xué)組成的變化，從而會(huì)影響初始結(jié)構(gòu)的信息收集。

LiCl/DMSO(氯化鋰/二甲基亞砜)溶劑體系一直作為高聚物的反應(yīng)溶劑(Petru?etal., 1995)。Wang等(2009)將該溶劑體系用于木材溶解，成功得到了不同于上述的木質(zhì)纖維素全溶體系。LiCl/DMSO溶劑體系可有效改善球磨時(shí)間對(duì)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的影響，與其他木質(zhì)纖維原料溶劑體系相比，該體系的最大優(yōu)點(diǎn)是制備球磨樣品時(shí)，球磨時(shí)間可縮短至2 h，且全溶時(shí)樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%。LiCl/DMSO溶劑體系所得木質(zhì)纖維素全溶組分能夠直接用紫外、核磁共振等進(jìn)行分析，相繼用于稻草、麥草等非木材木質(zhì)纖維原料的溶解以及木質(zhì)素的分離和表征(Wuetal., 2014a； Guetal., 2015； Caoetal., 2016； Jiangetal., 2017)。本研究以竹材為原料，探索竹材在LiCl/DMSO溶劑體系中的溶解行為及再生特點(diǎn)，以期為全面解析竹材原本木質(zhì)素結(jié)構(gòu)信息提供一個(gè)可行的木質(zhì)素分離溶劑體系。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑 試驗(yàn)竹材——毛竹(Phyllostachysedulis)產(chǎn)自浙江安吉，人工劈成長(zhǎng)3～4 cm，寬、厚 2～4 mm 的小竹條。風(fēng)干后用Wiley微型粉碎機(jī)粉碎，取40～80目組分，用苯醇(2∶1，V/V)抽提8 h，經(jīng)真空干燥后得脫脂竹粉(B)，貯存于帶磨砂玻璃塞的廣口瓶中，供分析使用。本研究所用試劑均為分析純。

1.2 球磨 球磨采用德國(guó)Fritsch微型行星式高能球磨機(jī)。稱(chēng)取3 g真空干燥后的脫脂竹粉裝入容積為45 mL的氧化鋯制罐子中，內(nèi)裝18只內(nèi)徑1 cm的氧化鋯球，在600 r·min-1下根據(jù)需要進(jìn)行不同時(shí)間球磨。球磨在冷庫(kù)(-20 ℃)進(jìn)行，每運(yùn)行15 min休停5 min，以避免過(guò)熱。球磨竹粉經(jīng)干燥后備用。

1.3 LiCl/DMSO溶劑體系的溶解 配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2%、4%、6%、8%等)的LiCl/DMSO溶液。稱(chēng)取不同球磨時(shí)間的竹粉，在LiCl/DMSO溶劑體系中(室溫)進(jìn)行溶解處理。

1.4 LiCl/DMSO溶劑體系的再生 LiCl/DMSO溶劑體系處理脫脂原料的流程如圖1所示。球磨竹粉在6% LiCl/DMSO溶劑體系中進(jìn)行溶解處理，完全溶解后，整個(gè)混合體系全部轉(zhuǎn)移到孔徑50 ?、直徑28 mm、透過(guò)分子量14 000的透析袋，并將透析袋浸沒(méi)于水中，用去離子水透析，用AgNO3溶液檢測(cè)有無(wú)Cl-來(lái)判斷是否完全置換出LiCl/DMSO溶劑體系。袋內(nèi)物料經(jīng)冷凍干燥后得到球磨的再生原料(RB)。

圖1 經(jīng)LiCl/DMSO溶劑體系處理后的再生流程Fig.1 Procedure of regeneration by LiCl/DMSO

1.5 分析方法 1) 化學(xué)成分測(cè)定 木質(zhì)素含量參照文獻(xiàn)(Denceetal., 1992)方法測(cè)定。稱(chēng)取樣品0.3 g(精確到0.000 1 g)，加入3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的H2SO4，18～20 ℃下水解 3 h，期間定時(shí)攪拌，然后轉(zhuǎn)入100 mL玻璃瓶中，加水將H2SO4稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，密封后置于滅菌鍋(DSX-280B)內(nèi)，121 ℃下水解 1.5 h。采用恒重的G3砂芯漏斗分離殘?jiān)蜑V液，收集濾液測(cè)定酸溶木質(zhì)素和高聚糖含量。殘?jiān)脽嵴麴s水洗滌，濾液用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的BaCl2檢測(cè)無(wú)白色沉淀，在恒溫干燥箱中105 ℃干燥至恒重，稱(chēng)量后轉(zhuǎn)入馬弗爐中 575 ℃灼燒至恒重，測(cè)定木質(zhì)素中灰分含量。計(jì)算 Klason 木質(zhì)素含量時(shí)扣除灰分含量。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的H2SO4為參比，用日本島津公司UV-240紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定濾液在波長(zhǎng) 205 nm處的吸光度，計(jì)算酸溶木質(zhì)素含量。還原糖含量測(cè)定參照文獻(xiàn)(Borchardtetal., 1970)。取濾液5 mL，加入內(nèi)標(biāo)1 mL肌醇溶液(1 mg·mL-1)，用飽和Ba(OH)2溶液調(diào)節(jié)pH至5.5，離心分離除去沉淀，加入20 mg NaBH4于清液中，靜置24 h。加入1 mL醋酸，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至漿狀，再加入甲醇繼續(xù)蒸發(fā)至干，每次1 mL，連續(xù)3次。蒸干體系于105 ℃烘干15 min，以確保體系完全無(wú)水。加入1 mL乙酸酐后密封，120 ℃反應(yīng)3 h。用日本島津公司GC-14b氣相色譜儀分析還原糖。氣相色譜條件如下： 毛細(xì)管柱TC-17 (0.25 mm×30 m)； FID檢測(cè)器； 柱溫程序，220 ℃保留20 min，進(jìn)樣溫度220 ℃，檢測(cè)溫度230 ℃。GC分析得到的單糖均轉(zhuǎn)換為高聚糖。同時(shí)進(jìn)行2次測(cè)定，取平均值。

2) 硝基苯氧化 木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元變化通過(guò)堿性硝基苯氧化分析。硝基苯氧化操作參照文獻(xiàn)(Chen, 1992)。取樣品40 mg于10 mL不銹鋼制罐子內(nèi)，依次加入硝基苯0.25 mL、2 mol ·L-1NaOH 4 mL，將上述混合體系密封置于170 ℃油浴中反應(yīng)2 h。冷卻至室溫，加入1 mL 0.1 mol ·L-1NaOH配制的內(nèi)標(biāo)3-乙氧基-4-羥基苯甲醛(0.2～0.4 g·L-1)。用二氯甲烷萃取3次，每次15 mL，棄油相取水相，用4 mol ·L-1HCl調(diào)節(jié)pH至1，再用二氯甲烷萃取2次，每次20 mL，乙醚1次，15 mL。收集有機(jī)相共55 mL，用20 mL去離子水洗滌有機(jī)相，經(jīng)無(wú)水Na2SO4干燥，過(guò)濾，濾液蒸發(fā)至干，加入100 μL N, O-雙(三甲基硅)乙酰胺衍生化試劑(BSA)100 ℃反應(yīng)10 min，產(chǎn)物用日本島津公司GC-17A氣相色譜儀進(jìn)行分析。氣相色譜條件如下： 毛細(xì)管柱NB-1 (0.25 mm×30 m)； FID檢測(cè)器； 柱溫程序，150 ℃保留15 min，以3 ℃·min-1升溫到180 ℃，繼而以10 ℃·min-1升溫到280 ℃，保留5 min； 進(jìn)樣溫度250 ℃，檢測(cè)溫度280 ℃。同時(shí)進(jìn)行2次測(cè)定，取平均值。

3) X射線(xiàn)衍射 纖維結(jié)晶指數(shù)分析在日本理學(xué)Ultima IV組合型多功能水平X射線(xiàn)衍射儀上進(jìn)行，采用粉末法。測(cè)試條件： X光管為CuKα靶(λ=0.154 18 nm)，用石墨單色器消除CuKα輻射，管電壓40 kV，管電流40 mA，采用θ/2θ聯(lián)動(dòng)掃描，索拉狹縫0.04 rad，接收狹縫0.15 mm，發(fā)射和防散射狹縫1°，掃描范圍2θ=5°～40°，掃描步長(zhǎng)0.02°，掃描速率5(°)·min-1，記錄“衍射強(qiáng)度-2θ”曲線(xiàn)。

結(jié)晶指數(shù)根據(jù)Segal公式(Segaletal., 1959)計(jì)算，如下：

式中： CrI為結(jié)晶指數(shù)；Iamorph為 2θ為18°時(shí)無(wú)定形區(qū)衍射峰強(qiáng)度；I002為主結(jié)晶峰 002 的最大衍射強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 竹材在LiCl/DMSO溶劑體系中的溶解性能 1) 不同球磨時(shí)間對(duì)竹材溶解性能的影響 圖2為不同球磨時(shí)間竹粉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%)室溫下攪拌6 h后在6% LiCl/DMSO溶劑體系中的溶解性能?？梢钥闯?，球磨時(shí)間不同，竹材在LiCl/DMSO溶劑體系中的溶解性能亦有所不同。未球磨的40～80目竹粉，在LiCl/DMSO溶劑體系中呈現(xiàn)混濁且有分層狀態(tài)，球磨0.5 h、1 h的竹粉不能完全溶解在6% LiCl/DMSO溶劑體系中，而球磨1 h的稻麥草能在該溶劑體系中完全溶解(Wuetal., 2014b； Guetal., 2015)； 進(jìn)一步球磨發(fā)現(xiàn)，球磨2 h的竹粉能在該溶劑體系中徹底溶解，可得到澄清透亮的溶液。相較于稻草原料，竹材材質(zhì)更為緊致，接近于木材。LiCl/DMSO作為再生纖維的溶劑體系，其中LiCl在溶解再生纖維素時(shí)具有破壞纖維素氫鍵并阻止重構(gòu)氫鍵的作用，以此促進(jìn)再生纖維素進(jìn)一步溶解(Petru?etal., 1995)。該溶劑體系雖然不適用于一般纖維素溶解，但在原料選擇上有進(jìn)一步拓寬，即可作為球磨木粉的新型溶劑。與木材相比，禾草類(lèi)纖維雖然有著化學(xué)成分、化學(xué)結(jié)構(gòu)上不一樣的特點(diǎn)，但基于一定條件，非木材在該溶劑體系中仍具有類(lèi)似的溶解性能。

圖2 不同球磨時(shí)間的竹材溶解性能(6% LiCl/DMSO)Fig.2 Effect of milling time in 6% LiCl/DMSO solvent system on dissolution for bamboo

2) LiCl/DMSO溶劑體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)竹材溶解性能的影響 圖3為球磨2 h的竹粉在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)LiCl/DMSO溶劑體系中的溶解性能。可以看出，隨著LiCl/DMSO溶劑體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，球磨竹粉在其中的溶解度亦隨之增加。球磨2 h的竹粉能夠完全溶解于6% LiCl/DMSO溶劑體系中，溶解后體系透明澄清，可溶解竹粉的上限量為7.5%(在LiCl/DMSO體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。隨著LiCl/DMSO溶劑體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，球磨2 h的竹粉溶解度增大，在8%LiCl/DMSO溶劑體系中可溶解竹粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)10%。與木材相比，LiCl/DMSO溶劑體系更易于溶解非木質(zhì)纖維原料，可降低球磨時(shí)間及所需的溶解時(shí)間。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)LiCl/DMSO溶劑體系的竹材溶解性能Fig.3 Effect of LiCl content in LiCl/DMSO solvent system on dissolution for bamboo

2.2 竹材在LiCl/DMSO溶劑體系中的再生性能 1) 再生竹材的化學(xué)成分 竹材在LiCl/DMSO溶劑體系中具有與木材類(lèi)似的溶解性能，得到再生竹材的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。可以看出，再生竹材中Klason木質(zhì)素有少許下降，這是因?yàn)榻?jīng)LiCl/DMSO溶劑體系處理后的竹粉在水中再生時(shí)采用的是孔徑50 ?、透過(guò)分子量14 000的透析袋，一些小分子量、小孔徑的成分會(huì)在再生過(guò)程中透過(guò)透析袋，進(jìn)入到水中，最終被移除。相較于原料中的Klason木質(zhì)素，球磨2 h的竹粉中Klason木質(zhì)素下降3.2%，而酸溶木質(zhì)素在LiCl/DMSO溶劑體系溶解再生過(guò)程中沒(méi)有變化。球磨2 h的竹粉中木質(zhì)素得率比脫脂竹粉低10%，高聚糖得率為85%，球磨和LiCl/DMSO溶劑體系溶解再生對(duì)原料中高聚糖含量具有一定影響。經(jīng)LiCl/DMSO溶劑體系處理，再生后竹材可更多地保留化學(xué)成分，其中高聚糖溶出量比木質(zhì)素多，相較于在同樣溶劑體系中的球磨稻草粉(Wuetal., 2014b)、木粉(Wangetal., 2009)，竹材在溶解性能上更接近于木材。

表1 再生竹材的主要化學(xué)成分(基于原料)Tab.1 Chemical compositions of bamboo and regenerated bamboo (based on raw materials)

2) 再生竹材木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元的變化 木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中存在愈瘡木基丙烷、紫丁香基丙烷和對(duì)-羥基苯基丙烷3種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)單元。針葉材木質(zhì)素主要以愈創(chuàng)木基丙烷為主，闊葉材木質(zhì)素除愈創(chuàng)木基丙烷外，還有較多的紫丁香基丙烷，禾草類(lèi)木質(zhì)素則是愈創(chuàng)木基丙烷、紫丁香基丙烷和對(duì)-羥基苯丙烷3種結(jié)構(gòu)單元的混合物。木質(zhì)素堿性硝基苯氧化產(chǎn)物可揭示木質(zhì)素苯環(huán)單元構(gòu)成，表2給出了球磨竹粉經(jīng)LiCl/DMSO溶劑體系處理再生后硝基苯氧化產(chǎn)物得率及木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元變化?？梢钥闯?，雖然同屬于禾草類(lèi)，但竹材在木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)上卻有著與稻草不一樣的特點(diǎn)，木質(zhì)素中紫丁香基單元含量占3種結(jié)構(gòu)單元之和的一半。與未經(jīng)任何處理的原料竹材相比，球磨2 h的竹粉化學(xué)結(jié)構(gòu)單元幾乎沒(méi)有變化，再生原料的硝基苯氧化產(chǎn)物得率及各結(jié)構(gòu)單元含量經(jīng)過(guò)球磨、LiCl/DMSO溶劑體系處理后也幾乎沒(méi)有變化。脫脂竹粉的硝基苯氧化產(chǎn)物包括對(duì)羥基苯甲醛(H)、香草醛(V)和紫丁香醛(S)，總得率為2.5 mmol·g-1，其中S單元占50%，與文獻(xiàn)中竹材木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元含量及分布一致(黃曹興等, 2018)； 竹粉經(jīng)球磨、再生處理后，硝基苯氧化產(chǎn)物得率為2.4 mmol·g-1，S單元仍為50%，均高于稻草的得率(Wuetal., 2014b)，即木質(zhì)素的縮合程度不及稻草。由此可知，球磨及LiCl/DMSO溶劑體系處理對(duì)原料中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)均沒(méi)有影響。

表2 竹材硝基苯氧化產(chǎn)物的得率及S/VTab.2 Nitrobenzene oxidation products yields and S/V molar ratio of bamboo samples

圖4 竹材原料(B)和再生原料(RB)的X射線(xiàn)衍射分析Fig.4 X-ray pattern of original bamboo and regenerated bamboo with ball milling

3) 再生處理對(duì)竹材纖維素結(jié)晶度的影響 圖4為竹材原料及經(jīng)球磨、LiCl/DMSO溶劑體系處理后再生原料的X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)，表3為竹材原料和再生原料纖維素的結(jié)晶度?？梢钥闯?，球磨2 h并經(jīng)LiCl/DMSO溶劑體系處理后再生原料的衍射曲線(xiàn)明顯不同于竹材原料，結(jié)合表3，原料再生后的結(jié)晶度由原來(lái)的58.7%降低至26.5%，說(shuō)明LiCl/DMSO溶劑體系處理球磨原料會(huì)影響原料中纖維素的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。纖維素本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部存在大量的晶區(qū)結(jié)構(gòu)、非晶區(qū)結(jié)構(gòu)和氫鍵，溶劑對(duì)纖維素的可及度低，一般溶劑難以溶解，球磨后經(jīng)LiCl/DMSO溶劑體系處理，會(huì)使原料中原有的結(jié)晶區(qū)域有一定程度破壞，從而有利于球磨竹粉在LiCl/DMSO溶劑體系中進(jìn)一步溶出，同時(shí)LiCl/DMSO溶劑體系作為預(yù)處理所帶來(lái)的結(jié)晶區(qū)改變，有望達(dá)到提高酶解效率的作用。

表3 竹材原料和再生原料纖維素的結(jié)晶度Tab.3 Crystallinity of bamboo and regenerated bamboo with ball milling

3 結(jié)論

球磨2 h的竹粉能以質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%完全溶解在6%LiCl/DMSO溶劑體系中，溶于8%LiCl/DMSO溶劑體系中的竹粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)10%； 再生后，球磨竹粉的化學(xué)成分再生能力強(qiáng)，木質(zhì)素得率約90%，高聚糖在6%LiCl/DMSO溶劑體系的再生能力稍低于木質(zhì)素。竹材中木質(zhì)素的縮合程度低于稻草，球磨及再生對(duì)竹材木質(zhì)素結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響。竹材原料球磨再生后的纖維結(jié)晶區(qū)有一定程度破壞，結(jié)晶度有所下降。竹材無(wú)論是化學(xué)成分還是生物結(jié)構(gòu)均與木材類(lèi)似，在溶解性能上更接近于木材?；贚iCl/DMSO溶劑體系的木質(zhì)素分離不會(huì)破壞竹材木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)有助于提高竹材木質(zhì)素組分的分離效果。