亞硫酸氫鎂預(yù)處理麥稈木質(zhì)素磺酸鹽的性質(zhì)和應(yīng)用

劉蕾，任繼巍，劉鑫露，鄭兆娟，李鑫，歐陽嘉*

(1. 南京科技職業(yè)學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210048； 2. 南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，南京 210037；3. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南京 210037)

木質(zhì)纖維原料是一種價廉易得、豐富的可再生資源，可作為發(fā)酵制備燃料乙醇的糖類底物來源以及生產(chǎn)多種生物基化學(xué)品和化學(xué)原料[1]。然而木質(zhì)纖維原料中僅葡萄糖可作為微生物轉(zhuǎn)化碳源被利用，而木糖生物轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟可行性仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)[2]。此外，木質(zhì)素的綜合利用度低，降低了原料的可利用率[3]，且木質(zhì)素分子交聯(lián)度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是目前最難認(rèn)知和利用的天然高分子。因此，木質(zhì)素的高效利用將成為解決木質(zhì)纖維原料生物煉制成本效益的關(guān)鍵，木質(zhì)素基新材料的研究和開發(fā)面臨著極大的機遇和挑戰(zhàn)[4]。

目前，工業(yè)木質(zhì)素絕大部分源于制漿造紙工業(yè)的蒸煮廢液，隨著原料和分離提取工藝不同可分為堿木素、木質(zhì)素磺酸鹽、硫酸鹽木質(zhì)素和酶解木質(zhì)素[3]。木質(zhì)素磺酸鹽作為一種高分子兩親聚合物是目前應(yīng)用最廣的木質(zhì)素系產(chǎn)品，其作為造紙工業(yè)中亞硫酸鹽法的副產(chǎn)品，已被相繼開發(fā)成水泥減水劑、農(nóng)藥分散劑、表面活性劑等產(chǎn)品[5]。而基于木質(zhì)纖維原料生物煉制的木質(zhì)素磺酸鹽產(chǎn)品的工業(yè)化應(yīng)用卻鮮有研究報道。Huang等[6]提出了一種聯(lián)產(chǎn)葡萄糖、低聚木糖和木質(zhì)素磺酸鹽的新工藝，利用高溫自水解技術(shù)處理香楓，預(yù)處理廢液采用XAD16N樹脂從水解液中回收低聚木糖，并對酶水解殘渣進行磺甲基化處理制備得到木質(zhì)素磺酸鹽。Zhu等[7]開發(fā)了一種用稀硫酸處理麥草聯(lián)產(chǎn)木糖、木質(zhì)素磺酸鹽和乙醇的新工藝，從水解液中回收木糖，用磺甲基化試劑處理水解液中的木質(zhì)素從而回收其中的木質(zhì)素磺酸鹽，最后通過酶解和微生物發(fā)酵將兩步處理后的麥草轉(zhuǎn)化為乙醇。此類研究中對生物煉制來源木質(zhì)素磺酸鹽產(chǎn)品的工業(yè)化應(yīng)用途徑并未做深入探討，如何回收生物煉制廢液中的木質(zhì)素并對其進行高效利用成為工業(yè)應(yīng)用中亟待解決的問題。

南京林業(yè)大學(xué)生物化工實驗室近年來開發(fā)的亞硫酸氫鎂預(yù)處理工藝耦聯(lián)下游分離純化技術(shù)有效實現(xiàn)了廢液中高附加值化學(xué)品的提取，預(yù)處理后底物酶解發(fā)酵性能優(yōu)秀[8]，結(jié)合固定床離子交換技術(shù)分離提取了預(yù)處理廢液中低聚木糖和木質(zhì)素磺酸鹽[9]，但木質(zhì)素磺酸鹽的開發(fā)利用工作尚未進行。筆者對自制麥稈木質(zhì)素磺酸鹽產(chǎn)品進行理化性質(zhì)和應(yīng)用的初步研究，為生物煉制來源木質(zhì)素磺酸鹽的后續(xù)改性及工業(yè)化應(yīng)用提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

小麥秸稈，購自江蘇省連云港市，預(yù)處理之前風(fēng)干粉碎，過20～80目(孔徑0.18～0.85 mm)篩備用。

亞硫酸氫鎂預(yù)處理麥稈(MBSP)廢液參考文獻[10]進行處理；商品木質(zhì)素磺酸鹽(CMLS)，購自天津光復(fù)精細化工研究所；甲基咪草煙原藥(IMM，純度97.5%)，無色結(jié)晶，由武漢鴻?？翟噭┯邢薰咎峁痪埕人猁}類商品農(nóng)藥通用分散劑Wigwin-600C，可直接與原藥配合使用，購自深圳朗鈦生物科技有限公司。

1.2 麥稈木質(zhì)素磺酸鹽IELS的制備

將MBSP廢液添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%硅藻土吸附處理后，離心取上清液，采用離子交換固定床工藝對上清液進行分離純化，洗脫液經(jīng)納濾后制備得到麥稈木質(zhì)量磺酸鹽(IELS)，經(jīng)噴霧干燥后備用[9]。

1.3 超濾麥稈木質(zhì)素磺酸鹽UFLS的制備

將制備的IELS離子交換洗脫液直接采用切割分子質(zhì)量5 ku超濾膜進行超濾(超濾設(shè)備：Quixstand，美國GE)，得到濃縮后的截留液經(jīng)噴霧干燥后備用，簡稱UFLS。

1.4 木質(zhì)素磺酸鹽對微晶纖維素酶解的影響

以微晶纖維素(Avicel PH101)為底物，底物質(zhì)量濃度30 g/L(以纖維素質(zhì)量濃度計)，纖維素酶二代酶用量15 FPU/g纖維素，酶解體系20 mL，以空白為對照，添加1 g/L 木質(zhì)素磺酸鹽，用檸檬酸調(diào)節(jié)緩沖液pH至4.8，溫度50 ℃，搖床轉(zhuǎn)速150 r/min 條件下酶解48 h，取樣經(jīng)高效液相色譜(HPLC)分析纖維二糖、葡萄糖和木糖質(zhì)量濃度，計算酶解得率，計算公式如下：

式中：Y為纖維素酶解得率，%；Cbiose為水解液中纖維二糖質(zhì)量濃度，g/L；1.05為纖維二糖質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化為葡萄糖濃度的比例系數(shù)；Cglu為水解液中葡萄糖質(zhì)量濃度，g/L；Ccel為酶解體系中纖維素的絕干質(zhì)量濃度，g/L；0.9為纖維素和葡萄糖之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.5 測試方法

1.5.1 木質(zhì)素磺酸鹽基團含量測定

酚羥基和磺酸基團測定方法參照文獻[11]，羧基含量測定方法參照文獻[12]。

1.5.2 紫外掃描

紫外掃描使用UV-1800型紫外分光光度計(日本島津)在波長190～400 nm范圍內(nèi)進行掃描，掃描速度為400 nm/min，繪制掃描圖譜。

1.5.3 紅外掃描

紅外掃描使用VERTEX 80型傅里葉變換紅外光譜儀(德國Bruker)進行化學(xué)結(jié)構(gòu)特征分析，采用溴化鉀壓片法測定。

1.5.4 黏度測試

黏度測定在5 ℃下取適量樣品進行測量，使用RS6000型旋轉(zhuǎn)流變儀(德國Haake)對樣品進行旋轉(zhuǎn)剪切，獲得黏度(Eta)變化曲線[13]。

1.5.5 凝膠過濾(GPC)測試

木質(zhì)素磺酸鹽分子量及分散性測試條件為：Waters 2414檢測器；色譜柱為Waters Ultrahydrogel 250和Ultrahydrogel 500串聯(lián)構(gòu)成；流動相為0.1 mol/L 磷酸緩沖鹽溶液(PBS)；流速0.6 mL/min；進樣量200 uL；柱溫35 ℃；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為聚苯乙烯磺酸鈉。

1.5.6 表面張力測試

表面張力采用鉑金板法測試(測試儀器：DCAT21型表面/界面張力儀，德國Dataphysics)，具體方法參照文獻[14]。

1.5.7 Zeta電位測試

在250 mL錐形瓶中加入不同質(zhì)量濃度的木質(zhì)素磺酸鈉溶液50 mL和0.05 g農(nóng)藥原藥顆粒IMM，在搖床中充分震蕩6 h達到吸附平衡，靜置，取錐形瓶上清液過膜注入電泳池中，用Malvern Zetasizer Nano ZS90型電位儀(英國馬爾文儀器公司)測定溶液的Zeta電位。

1.5.8 接觸角測定

將農(nóng)藥原藥粉末真空干燥，去除多余水分，置入壓片機(上海山岳科學(xué)儀器有限公司自制)，得到表面光滑平整的壓片，采用JC2000C1型靜滴接觸角測量儀(上海中晨公司)測定液滴在壓片表面的接觸角，平均測3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 木質(zhì)素磺酸鹽特征基團分析

木質(zhì)素磺酸鹽產(chǎn)品性能因原料來源和制備工藝的不同具有很大的差異，其中磺酸基、酚羥基和羧基是木質(zhì)素磺酸鹽中重要的親水性官能團，其含量直接影響到產(chǎn)品的實際應(yīng)用性能。分別對MBSP廢液、IELS、CMLS進行官能團測定，結(jié)果如表1所示。由表1可知，不同來源木質(zhì)素磺酸鹽的官能團含量有著明顯差異，其中IELS經(jīng)分離提純后去除了糖水化合物等非木質(zhì)素部分的雜質(zhì)，純度提高，親水性官能團含量高于原始廢液含量。與CMLS相比，IELS磺酸基團含量最高，為3.65 mmol/g，暗示其親水性相對較高，羧基和酚羥基含量相對較低，這與自制木質(zhì)素磺酸鹽來源于麥稈有關(guān)。周明松等[15]分別比較了楊木、麥稈、竹子、蔗渣來源的木質(zhì)素磺酸鹽，發(fā)現(xiàn)來源于麥稈的木質(zhì)素磺酸鹽磺酸基含量最高；CMLS來源于楊木，分子量較大，羧基和酚羥基含量分別為1.39和1.05 mmol/g，高于IELS。邱學(xué)青等[3]比較了楊木、松木、蔗渣、麥草來源的木質(zhì)素磺酸鈉，發(fā)現(xiàn)楊木木質(zhì)素磺酸鹽酚羥基含量最高，并比較了不同分子量松木木質(zhì)素磺酸鈉的酚羥基含量，發(fā)現(xiàn)隨著分子量增大，酚羥基含量隨之增大，研究認(rèn)為相對低分子質(zhì)量木質(zhì)素磺酸鈉在制漿過程中酚羥基的磺化程度更深。同時，木質(zhì)素磺酸鹽的官能團含量與制備工藝以及原料來源存在一定的差別[15]。

在開學(xué)典禮上，一位教師代表的發(fā)言吸引了我的注意力。我從來沒有聽過這般清脆悅耳的聲音，言語間文學(xué)味濃厚，更讓我佩服的是，這位老師沒有帶講稿，即興發(fā)言都說得那般自然流暢，文采動人。如果閉著眼睛去聽，還能感受到那種韻律感和節(jié)奏感。

表1 不同木質(zhì)素磺酸鹽樣品的官能團含量Table 1 Functional group content of different LS samples mmol/g

2.2 紫外和紅外光譜分析

圖1 木質(zhì)素磺酸鹽紫外掃描圖和紅外掃描圖譜Fig. 1 UV scanning image and infrared scanning spectrum of lignosulfonate

2.3 黏度分析

傳統(tǒng)的造紙工業(yè)來源的木質(zhì)素磺酸鹽純度低，含糖量高，產(chǎn)品容易吸水受潮，黏度增加，改性方面起步較晚，分別將MBSP廢液、CMLS和IELS進行表面黏度測試，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，MBSP廢液由于降解產(chǎn)物較多，黏度相對最高，為1.43 mPa·s；而IELS則通離子交換層析工藝去除了部分雜質(zhì)和色素，黏度降低至1.14 mPa·s，澄清度提高；CMLS的黏度為1.23 mPa·s。王曉紅等[18]報道木質(zhì)素磺酸鹽為兩親性分子結(jié)構(gòu)，在水溶液中能自發(fā)組裝成無規(guī)線團，周圍為帶負電荷的磺酸基團，因此木質(zhì)素的特性黏度與其相對分子量往往也存在一定關(guān)系。筆者自制IELS黏度與CMLS接近，具備實際應(yīng)用的潛力。

圖2 不同來源木質(zhì)素磺酸鹽黏度Fig. 2 Viscosity of different lignosulfonates

2.4 GPC分析

在工業(yè)應(yīng)用中，高純度窄分布的木質(zhì)素磺酸鹽更有利于高效資源化應(yīng)用的推廣，對不同木質(zhì)素磺酸鹽樣品進行分子量和多分散性檢測，結(jié)果如表2所示。通過GPC測試得到MBSP廢液中木質(zhì)素磺酸鹽的重均分子量(Mw)為3 360 u，數(shù)均分子量(Mn)為733 u，分散性(Mw/Mn)為4.580，分子量均一度較差。很顯然可以看出，與廢液相比較，麥稈木質(zhì)素磺酸鹽IELS經(jīng)分離后純度提高，多分散性顯著降低至1.216，與楊木來源的 CMLS多分散性接近。同時IELS的Mw為3 456 u，Mn為2 842 u，低于CMLS, 這是由于草類原料木質(zhì)素分子量本身就要低于木材，它們分子量之間的差別，會對其表面張力、分散性能等有很大的影響[19]。Buchholz等[20]指出木質(zhì)素磺酸鹽的分散效果與木鹽分子量和懸浮體系有關(guān)，一般分子量范圍為5 000～40 000 u時具有較好的分散效果。工業(yè)應(yīng)用中，由于來源和制備工藝不同，木質(zhì)素磺酸鹽所含雜質(zhì)多且性能各異，分子量分布較廣使其應(yīng)用受到了限制，筆者制備得到的窄分子量分布的木質(zhì)素磺酸鈉則具備較好的工業(yè)應(yīng)用潛力。

表2 不同來源的木質(zhì)素磺酸鹽的平均分子量Table 2 Average molecular weight of lignosulfonate from different sources

2.5 木質(zhì)素磺酸鹽對微晶纖維素酶解的影響

為了研究不同來源木質(zhì)素磺酸鹽對微晶纖維素酶解的影響，以未添加木質(zhì)素磺酸鹽的酶解體系作為空白組對照，考察了不同來源的木質(zhì)素磺酸鹽對微晶纖維素酶解的輔助作用，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，添加1 g/L CMLS 48 h酶解得率達到69.19%，而添加1 g/L IELS 48 h酶解得率達到72.3%，較空白組提高了7.7%(空白組未添加木質(zhì)素磺酸鹽)，對于提高微晶纖維素的酶解效率效果更加顯著。Lou等[21]認(rèn)為木質(zhì)素磺酸鹽磺酸基團含量較高，親水性較強，所以與纖維素酶在纖維素上的競爭疏水吸附較小并增強了酶的穩(wěn)定性，防止其變性，同時分子量較大的木質(zhì)素磺酸鹽對纖維素酶的穩(wěn)定作用較弱，由于水溶性較低，促進底物的酶解效果低于小分子量木質(zhì)素磺酸鹽。

圖3 不同木質(zhì)素磺酸鹽對微晶纖維素酶解的影響Fig. 3 Effects of different lignosulfonates on enzymatic hydrolysis of microcrystalline cellulose

2.6 木質(zhì)素磺酸鹽對甲基咪草煙分散性能的影響

我國木質(zhì)素系農(nóng)藥分散劑開發(fā)起步較晚，大部分產(chǎn)品依賴國外進口，為了適應(yīng)農(nóng)藥劑型發(fā)展對分散劑的新要求，必須加大對木質(zhì)素磺酸鹽類分散劑的性能研究。對離子交換洗脫溶液進行超濾濃縮得到截留液UFLS，測得UFLS中木質(zhì)素磺酸鹽總量占據(jù)洗脫液中木質(zhì)素磺酸鹽總量的37.5%，UFLS磺酸基團含量降至2.35 mmol/g，重均分子量為6 150 u，多分散性為1.38，筆者繼續(xù)考察UFLS對農(nóng)藥IMM懸浮液分散效果的影響。

2.6.1 表面張力分析

表面張力是表面活性劑在實際應(yīng)用中的重要性能指標(biāo)，木質(zhì)素磺酸鹽作為兩親高分子表面活性劑，加入水中后表面張力降低越多，其表面活性越高。實驗測定了不同樣品溶液的表面張力，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著木質(zhì)素磺酸鹽質(zhì)量濃度的逐漸增大，不同溶液的表面張力呈下降趨勢，當(dāng)溶液質(zhì)量濃度達到15 g/L時，表面張力降幅較大，其中當(dāng)UFLS質(zhì)量濃度達到50 g/L時，溶液表面張力降至30.0 mN/m。經(jīng)比較，UFLS降低溶液表面張力能力最強，表面活性最高。

圖4 不同木質(zhì)素磺酸鈉的表面張力Fig. 4 Surface tension of different lignosulfonates

2.6.2 木質(zhì)素磺酸鹽對IMM表面Zeta電位影響

分散體系中顆粒的Zeta電位對其分散穩(wěn)定性起著重要作用。根據(jù)DLVO理論可知，顆粒的Zeta電位絕對值越高，體系越穩(wěn)定[22]。分別考察UFLS、CMLS、Wigwin-600C在不同質(zhì)量濃度下對甲基咪草煙顆粒表面Zeta電位影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，IMM在水溶液中顆粒表面Zeta電位約為1.32 mV，隨著分散劑用量增加，IMM表面Zeta電位絕對值逐漸升高。分別加入1.5 g/L的商品分散劑Wigwin-600C和CMLS時，IMM顆粒表面Zeta電位最低降至-18.8和-22.6 mV，此后緩慢上升，而添加UFLS懸浮液體系的電位值降至-26.8 mV；當(dāng)UFLS增至2.0 g/L時，IMM顆粒表面Zeta電位降至最低，為-30.3 mV，對IMM顆粒的Zeta電位影響最大；推測分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，其在顆粒界面的吸附接近飽和，再增加分散劑用量，剩余的分散劑分布在擴散層中，分散劑分子中的反號離子進入吸附層，使吸附層的電位減小，結(jié)果導(dǎo)致藥物顆粒界面 Zeta 電位絕對值下降，同時溶液中多余分散劑的長鏈也會在分散的藥物顆粒間相互纏繞導(dǎo)致顆粒間距離因絮凝作用變大。相比較之下，加入2.0 g/L的UFLS使農(nóng)藥懸浮體系Zeta電位絕對值增幅最大，高于Wigwin-600C和CMLS，對IMM顆粒具有更好的分散性。

圖5 不同質(zhì)量濃度分散劑對IMM顆粒表面Zeta電位影響Fig. 5 Effects of dispersant with different massconcentrations on Zeta potential of IMM particles surface

2.6.3 木質(zhì)素磺酸鹽對IMM表面潤濕性分析

在實際噴灑作業(yè)中提高農(nóng)藥在靶標(biāo)物上鋪展和滯留量是發(fā)揮藥效的重要前提，接觸角則是評價潤濕效果的重要指標(biāo)之一。分別測定純水、質(zhì)量濃度為2.0 g/L的CMLS 和UFLS溶液在IMM原藥壓片表面的接觸角，考察它們對壓片的潤濕性。純水對IMM顆粒的接觸角大于90°，說明IMM屬于疏水性物質(zhì)且疏水性很強，CMLS液滴在IMM 涂層上的接觸角為111.4°，表明潤濕性不好，較易從靶標(biāo)表面形成球滾落下來，而UFLS在IMM涂層表面上的接觸角降低至72.38°(圖6)。可見UFLS在強疏水性IMM表面的潤濕性能更優(yōu)，在噴灑作業(yè)中更易于鋪展開來，有利于提高IMM顆粒在水溶液中的分散性。由此可知，筆者自制麥稈木質(zhì)素磺酸鹽作為一種重要的助劑展現(xiàn)出良好的工業(yè)應(yīng)用潛力，其分散懸浮能力及和其他助劑的復(fù)配效果有待于后續(xù)進一步深入研究。

圖6 UFLS 在IMM壓片上的接觸角Fig. 6 Contact angle of UFLS on IMM tablet

3 結(jié) 論

1)與市售商用木質(zhì)素磺酸鹽(CMLS)相比較，麥稈木質(zhì)素磺酸鹽(IELS)磺酸基團較高，酚羥基和羧基含量較低，黏度下降；重均分子量為3 456 u，數(shù)均分子量為2 842 u，分散性為1.216，分子量分布范圍較窄且均一，添加1 g/L IELS對于微晶纖維素的酶解有促進作用，48 h纖維素酶解得率達到72.3%，較空白組提高了7.7%。

2)添加質(zhì)量濃度2.0 g/L的UFLS，可使農(nóng)藥IMM顆粒表面Zeta電位降至-30.3 mV，對IMM顆粒有較好的分散作用。

3)質(zhì)量濃度2.0 g/L的UFLS液滴在IMM壓片表面接觸角為72.38°，對疏水性IMM的界面潤濕性能良好，優(yōu)于純水和CMLS，易于在疏水材料上鋪展開來。