肖竹錢 孫宇昊 李佳杰 沙如意 毛建衛(wèi)
(1.浙江科技學(xué)院,浙江省農(nóng)業(yè)生物資源生化制造協(xié)同創(chuàng)新中心,浙江 杭州 310023;2.浙江科技學(xué)院,浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點實驗室,浙江 杭州 310023)
木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)是一類可再生資源,在自然界中來源廣泛,儲量巨大[1-4]。其由多種組分組成,主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等,具有超分子結(jié)構(gòu)的組分在分子間、內(nèi)存在大量的分子間作用力,因而難以溶解于傳統(tǒng)溶劑[5-6]。目前,已報道的溶劑對木質(zhì)纖維素“三素”組分的選擇性溶出能力仍有待進(jìn)一步提高,有必要合成能高效選擇性去除“三素”的綠色溶劑,以使木質(zhì)纖維素資源得到高值化利用[7]。纖維素可通過可控的物理、化學(xué)和生物處理手段轉(zhuǎn)化為功能材料、精細(xì)化學(xué)品和能源產(chǎn)品等,具有較強(qiáng)的實際使用價值。研究發(fā)現(xiàn),在毛竹竹莖中,纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為35.9%~53.8%、17.7%~34.4%和13.8%~29.7%[8-9]。通過綠色拆分技術(shù)對竹木質(zhì)纖維素中的纖維素組分進(jìn)行分離,對于開發(fā)高效的竹資源利用技術(shù),提高其利用度,賦能竹產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。
低共熔溶劑(Deep eutectic solvent,DES)自2003年被Abbott 合成以來,作為一種新型綠色溶劑,逐漸成為研究熱點[10]。DES由一定計量比的氫鍵供體(Hydrogen bond donor,HBD)和氫鍵受體(Hydrogen bond acceptor,HBA)構(gòu)成,在較低溫度下形成共熔混合物。DES中的氫鍵供體和氫鍵受體可破壞木質(zhì)纖維素分子內(nèi)部原有的有序氫鍵并與之形成新的氫鍵,使木質(zhì)纖維素固有結(jié)構(gòu)變得松散,提高組分的分離性和反應(yīng)活性。與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑相比,DES具有無毒、合成便捷、成本低和可生物降解等優(yōu)勢[11-12]。酸類對不同物質(zhì)具備選擇性作用能力[13],因而改變DES中組分的種類和配比可得到功能性DES[14]。當(dāng)前,關(guān)于DES拆分木質(zhì)纖維素組分的研究表明,木質(zhì)素和半纖維素難以同時獲得較高的去除率或某一組分選擇性去除率低[15-16],得到的產(chǎn)物在后續(xù)的酶解、催化轉(zhuǎn)化、分離、純化等加工過程中依舊會受到較大阻力,物料利用率低下、能量消耗巨大等問題仍然存在。因此,需要研發(fā)出具備更優(yōu)異的“三素”拆分性質(zhì)的新型DES。
本研究利用氯化膽堿、乙二醇和酸類物質(zhì)合成兩類ADES,用于從竹粉中分離粗纖維素產(chǎn)物,根據(jù)其理化性質(zhì)比較“三素”拆分效果,意在找到適用于從竹木質(zhì)纖維素中分離纖維素組分的ADES。同時,依據(jù)產(chǎn)物親水性分析結(jié)果,為預(yù)測木質(zhì)纖維素類材料中“三素”的相對含量提供一種較為可行的方法。
兩年生毛竹取自浙江省杭州市西湖區(qū)小和山竹林,刮去青皮、粉碎、烘干后得到竹粉。氯化膽 堿(C5H14ClNO)、磷 鎢 酸(H3PW12O40)、磷 鉬 酸(H5PMo12O41)、硅鎢酸(H4SiW12O40)、鎢酸(H2WO4)、十六烷基三甲基溴化銨(C19H42BrN)、十二烷基硫酸鈉(C12H25SO4Na)、纖維素粉、木質(zhì)素、木聚糖,分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;乳酸、檸檬酸、乙酸、丁二酸、乙二醇、丙酮、硫酸,分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司,分析純。
H3583 厚壁耐壓瓶,北京芯硅谷科技有限公司;LS-POP(9)激光粒度儀,珠海歐美克儀器有限公司;SU1510 掃描電子顯微鏡,日本日立高新技術(shù)公司;UltimaⅣ X射線衍射儀,日本RIGAKU公司; FIWE6 纖維素測定儀,意大利VELP公司;Vertex70 傅里葉紅外光譜儀,德國BRUKER公司;DSA30S水接觸角表面張力測量儀,德國KRUSS公司;STA 449 F3 熱重分析儀,德國NETZSCH公司。
1.3.1 ADES的合成
以氯化膽堿、乙二醇分別作為HBA和HBD,引入少量雜多酸或有機(jī)酸作為酸性組分,合成ADES。所用雜多酸包括磷鎢酸、磷鉬酸、硅鎢酸和鎢酸;有機(jī)酸包括乳酸、檸檬酸、乙酸和丁二酸。將氯化膽堿、乙二醇和酸性組分混合于帶蓋玻璃瓶中(由于溶解度的原因,雜多酸基DESs的摩爾比為1∶2∶0.002;有機(jī)酸基DESs的摩爾比為1∶2∶1),在80 ℃水浴中攪拌2 h(磁力攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min),得到澄清透明的液體即為ADES。各組分別記作磷鎢酸組、磷鉬酸組、硅鎢酸組、鎢酸組、乳酸組、檸檬酸組、乙酸組、丁二酸組以及不添加酸性組分的對照組。
1.3.2 竹粉的“三素”拆分
將25.0 g ADES與2.5 g竹粉混合于耐壓瓶中,在120 ℃油浴條件下持續(xù)攪拌反應(yīng)2 h(磁力攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min)。反應(yīng)結(jié)束后,將耐壓瓶從油浴中取出,迅速冷卻。在耐壓瓶中添加30 mL丙酮/水溶液(體積比為1∶1)并充分混合。通過離心(10 000 r/min,10 min)分離混合物中固液,分離的固體用去離子水洗滌4次,90 ℃恒溫干燥至恒重,保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.3 產(chǎn)物的理化性質(zhì)表征與分析
1) 表面形貌表征
利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察原料和ADES處理后產(chǎn)物的表面微觀形態(tài)。檢測電壓為15.0 kV。
2) 粒度分布測定
利用激光粒度分析儀測定原料和產(chǎn)物的粒度分布。取約0.1 g樣品,在超聲條件下分散于50 mL溶有表面活性劑的去離子水中,充分混合后測定粒徑。
3) 產(chǎn)物組成測定
采用范氏洗滌法[17]測定原料和產(chǎn)物中纖維素、半纖維素和酸不溶性木質(zhì)素含量,采用NREL法[18]測定酸溶性木質(zhì)素含量,兩者加和,最終得到“三素”含量。
4) 結(jié)晶度分析
原料和產(chǎn)物的結(jié)晶度通過X射線衍射儀進(jìn)行分析。2θ范圍5 °~45 °,掃描速率 4 °/min。結(jié)晶度則用Segal經(jīng)驗公式[19](式1)進(jìn)行計算:
式中:CrI為結(jié)晶度,%;I002表示002面最大衍射強(qiáng)度;Iam表示2θ= 18 °處無定型區(qū)域衍射強(qiáng)度。
5)表面基團(tuán)分析
竹粉表面基團(tuán)變化通過傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)進(jìn)行表征和分析。掃描波長范圍為4 000~400 cm-1。
6)親水性分析
使用水接觸角表面張力測量儀拍攝去離子水滴在產(chǎn)物壓片上的影像,測量圖像穩(wěn)定時的水接觸角,平行測量3 次,取平均值。
7)熱穩(wěn)定性分析
使用STA 449 F3熱重分析儀研究產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性。分析條件:樣品用量約10 mg,N2流速為20 mL/min ,升溫范圍為50~950 ℃,升溫速率為15 ℃/min,參比物為經(jīng)焙燒后的 Al2O3空白坩堝。
原料與產(chǎn)物的表面形貌如圖 1 所示(以磷鎢酸組的產(chǎn)物為代表進(jìn)行表征)。原料中木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)較為完整,大體呈規(guī)整的管束狀;而產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)極其松散且雜亂,原本規(guī)整的管束狀結(jié)構(gòu)變?yōu)橛杀姸辔⑿☆w粒組成的無規(guī)則聚團(tuán),同時出現(xiàn)大量孔隙。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是ADES對竹木質(zhì)纖維素中“三素”交聯(lián)結(jié)構(gòu)的破壞以及部分半纖維素和木質(zhì)素的溶解脫除。原料與產(chǎn)物的粒度分布如圖 2 所示。原料與產(chǎn)物的粒徑總體在200 μm以下。其中,原料粒徑集中在30~120 μm,各組產(chǎn)物的顆粒粒徑則相對較小,集中在20~100 μm范圍內(nèi)。該結(jié)果同樣表明ADES對竹木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)造成了破壞,從而導(dǎo)致其顆粒尺寸的減小,這與SEM的分析結(jié)果一致。
圖1 原料與處理后產(chǎn)物的表面形貌分析Fig.1 The morphology analysis for raw material and products after treatment
圖2 ADESs中酸組分對處理后產(chǎn)物粒度分布的影響Fig.2 The effect of acid components in ADESs on the particle size of products after treatment
酸性組分在ADES選擇性去除半纖維素和木質(zhì)素過程中具有重要作用。本研究選擇雜多酸和有機(jī)酸分別作為酸性組分,考察其對產(chǎn)物“三素”組成的影響,結(jié)果如表1所示。各組產(chǎn)物中,纖維素保留率均在89%以上,表明ADES對纖維素?zé)o顯著破壞作用;半纖維素和木質(zhì)素的去除率因酸性組分種類的不同而表現(xiàn)出一定差異。在雜多酸基ADES組中,磷鎢酸作為酸性組分時,纖維素保留率相對較高(99.07%),半纖維素和木質(zhì)素去除率(86.98%和60.75%)遠(yuǎn)高于對照組的半纖維素和木質(zhì)素去除率。磷鎢酸、HBD和HBA分子在合成ADES時形成了特定的結(jié)構(gòu)(圖3),可有效結(jié)合木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中的半纖維素和木質(zhì)素組分,產(chǎn)生選擇性溶出效果。Jiang等[20]利用ADES從軟木機(jī)械漿中分離得到LNCs(含有木質(zhì)素的納米纖維素),纖維素保留率為80.40%,半纖維素和木質(zhì)素去除率分別為80.50%和38.70%。Liang等[21]利用甜菜堿與氨基酸合成的天然低共熔溶劑處理玉米芯,纖維素保留率高于95%,木聚糖和木質(zhì)素去除率分別為47.68%和57.01%。相比之下,本研究中磷鎢酸基ADES比文獻(xiàn)報道的同類ADES具有更好的“三素”分離效果。在有機(jī)酸基ADES組中,乳酸組的纖維素保留率最高(96.07%),檸檬酸組的半纖維素去除率最高(88.35%),丁二酸組的木質(zhì)素去除率最高(49.65%)。有機(jī)酸基ADES組中之所以未出現(xiàn)纖維素保留率、半纖維素和木質(zhì)素去除率均為最高的情況,可能是因為酸性組分分子中羥基和羧基官能團(tuán)數(shù)量對ADES解聚木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的能力發(fā)揮了不同的作用[22]。盡管檸檬酸組的半纖維素去除率略高于磷鎢酸組,但基于3種組分保留和去除程度的綜合考量,磷鎢酸組在所有試驗組中的表現(xiàn)最為突出。竹木質(zhì)纖維素經(jīng)ADES處理前后的結(jié)構(gòu)變化如圖4所示。磷鎢酸作為HBD能與氯化膽堿通過氫鍵結(jié)合并提供質(zhì)子。在處理竹粉的過程中,游離的質(zhì)子有機(jī)會破壞半纖維素與木質(zhì)素之間的醚鍵、酯鍵以及木質(zhì)素內(nèi)部的醚鍵、碳碳單鍵并使之?dāng)嗔裑23],從而讓穩(wěn)固的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)得到較大程度的破壞。因此,半纖維素和木質(zhì)素的碎片(甚至木質(zhì)素單體)從木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中剝離進(jìn)入到溶劑相,而纖維素因具有較強(qiáng)結(jié)晶度的區(qū)域,保持了在ADES中的穩(wěn)定性[22]。
表1 原料與產(chǎn)物的組成分析Tab.1 Composition analysis for raw material and products
圖3 磷鎢酸基ADES合成示意圖Fig.3 Schematic illustration of the synthesis of phosphotungstic acid-based ADES
圖4 ADES與竹木質(zhì)纖維素“三素”相互作用示意圖Fig.4 Schematic illustration of interactions among bamboo lignocellulosic "three components" and ADES
為分析ADES中不同酸性組分對產(chǎn)物結(jié)晶度的影響,對固體產(chǎn)物進(jìn)行XRD表征,結(jié)果如圖5所示。 對于微晶纖維素,2θ在15 °、16 °、22 °和34 °(分別對應(yīng)101、110、002和004晶面)均有衍射峰信號,符合Ⅰ型纖維素特征[24]。原料和ADES處理后產(chǎn)物在相應(yīng)2θ位置有不同強(qiáng)度的衍射峰,這表明竹粉中纖維素基本的晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變[25]。在結(jié)晶度方面,相比于原料(61.93%),各試驗組的結(jié)晶度均有明顯增加,并且試驗組的結(jié)晶度均高于對照組(58.55%),這在磷鎢酸組(76.04%)、檸檬酸組(71.24%)和丁二酸組(85.88%)中尤為明顯。
圖5 樣品XRD譜圖Fig.5 XRD patterns of samples
樣品的結(jié)晶度與“三素”含量相關(guān)性分析如表 2所示。結(jié)晶度與纖維素含量顯著正相關(guān)(r= 0.724,P< 0.05),與半纖維素含量顯著負(fù)相關(guān)(r= -0.650,P< 0.05),與木質(zhì)素含量負(fù)相關(guān)、但相關(guān)性不顯著(r=-0.611,P> 0.05)。以上結(jié)果說明,ADES通過對竹木質(zhì)纖維素分子內(nèi)和分子間部分氫鍵的解構(gòu)以及化學(xué)鍵的有效斷裂,完成了“三素”的選擇性分離,非結(jié)晶組分(半纖維素、木質(zhì)素以及纖維素中的無定型結(jié)構(gòu))含量的減少和結(jié)晶組分(纖維素)含量的增加造成了產(chǎn)物總體結(jié)晶度的提高,這與Liu[26]的研究結(jié)果一致。
表2 結(jié)晶度與“三素”含量相關(guān)性Tab.2 Correlation between crystallinity and the contents of "three components"
木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的改變往往會暴露不同的化學(xué)官能團(tuán),或是影響同類官能團(tuán)的濃度。利用FT-IR對測試樣品進(jìn)行表面基團(tuán)分析,結(jié)果如圖6所示。以微晶纖維素作為參照,分析了竹粉原料和各組產(chǎn)物的官能團(tuán)類型以及“三素”的含量變化。結(jié)果顯示,各樣品在3 411(O—H伸縮振動)、2 920(C—H伸縮振動)、1 372(C—H彎曲振動)、1 164(C—O—C伸縮振動)、1 056(C—O—C環(huán)伸縮振動)、897 cm-(1C—H伸縮振動)等波數(shù)位置均出現(xiàn)纖維素的特征基團(tuán)吸收峰,表明產(chǎn)物中纖維素結(jié)構(gòu)的存在。另一方面,原料和各組產(chǎn)物在1 735 cm-(1半纖維素乙?;鵆==O伸縮振動),1 605 cm-1和1 510 cm-(1木質(zhì)素芳環(huán)骨架振動),1 462 cm-(1木質(zhì)素—CH2對稱彎曲振動)以及1 245 cm-(1木質(zhì)素C—O芳香基團(tuán)特征峰)處均出現(xiàn)木質(zhì)素和半纖維素特征峰,但產(chǎn)物組的峰強(qiáng)度要小于原料中的相應(yīng)峰強(qiáng)度(圖6 b),這說明經(jīng)ADES處理的固體產(chǎn)物中木質(zhì)素和半纖維素組分含量減少。
圖6 ADES對產(chǎn)物表面基團(tuán)的影響Fig.6 The effect of ADES on surface group of lignocellulose
為進(jìn)一步考察經(jīng)ADES處理后產(chǎn)物組成變化對其熱穩(wěn)定性的影響,對磷鎢酸基ADES處理產(chǎn)物進(jìn)行了熱穩(wěn)定分析,結(jié)果如圖7所示。在TG-DSC曲線中,原料與產(chǎn)物的減重過程大致可分為六個階段:1)50~125 ℃,少許減重,可歸因于物料中自由水和結(jié)合水的脫除;2)125~210 ℃,恒重階段;3)210~300 ℃,快速減重,主要是半纖維素和木質(zhì)素等非結(jié)晶組分以及纖維素中無定型結(jié)構(gòu)發(fā)生熱解,這一點也在DTG曲線中250~350 ℃范圍內(nèi)出現(xiàn)的不對稱肩峰上得到體現(xiàn);4)300~350 ℃,加速減重,該段從原料的DSC曲線可知是吸熱過程(ΔH> 0),原因是纖維素晶體向無定型狀態(tài)轉(zhuǎn)變;5)350~900 ℃,緩慢減重,殘余組分進(jìn)一步熱解;6)900~950 ℃,恒重階段,樣品基本完全分解。原料與產(chǎn)物的組成和熱穩(wěn)定性分析如表3所示。樣品的質(zhì)量損失排序:原料(96.82%) > 處理2 h(79.52%)> 處理4 h(72.82%)> 處理6 h(71.15%)> 處理8 h(70.15%)。樣品的熱解起始溫度則排序如下:原料 < 處理2 h(213.6 ℃) < 處理4 h(215.7 ℃)< 處理6 h(217.7 ℃) < 處理8 h(221.9 ℃)。以上結(jié)果均表明,經(jīng)ADES的“三素”分離處理后,所得產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性有所提高,且熱穩(wěn)定性會隨溶劑處理時間的延長而增強(qiáng)。結(jié)合產(chǎn)物“三素”含量檢測結(jié)果可以推斷,該現(xiàn)象的產(chǎn)生與產(chǎn)物中熱穩(wěn)定性較弱的半纖維素和木質(zhì)素含量的降低有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。此外,產(chǎn)物的熱解峰值溫度隨溶劑處理時間的延長而降低,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要有兩方面:1)溶劑處理時間的延長增加了竹木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞程度,使木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)變得松散,加速了熱解過程[26];2)木質(zhì)素的熱解溫度要高于纖維素和半纖維素[27],木質(zhì)素含量的減少導(dǎo)致了產(chǎn)物熱解峰值溫度的降低。
圖7 原料與產(chǎn)物的TG-DSC和DTG曲線圖Fig.7 TG-DSC and DTG curves of raw material and products
表3 原料與產(chǎn)物的組成和熱穩(wěn)定性分析Tab.3 Analysis of composition and thermal stability of raw material and products
在木質(zhì)纖維素組成單體中,具有親水和疏水基團(tuán),不同單體或同一單體不同構(gòu)象均對木質(zhì)纖維素的表面兩親性產(chǎn)生影響。一般而言,木質(zhì)素的疏水性要強(qiáng)于糖組分,纖維素結(jié)晶區(qū)疏水性要強(qiáng)于非晶區(qū)。不同ADES處理的竹木質(zhì)纖維素,其“三素”的組成會有較大差異。為研究固體產(chǎn)物表面兩親性與“三素”組成之間的關(guān)系,測定了產(chǎn)物表面的親水性,結(jié)果如圖7所示。材料的水接觸角越小,表明其親水性越強(qiáng),因而以產(chǎn)物水接觸角大小比較其親水性的強(qiáng)弱,結(jié)果如圖8所示。由圖可知,原料的水接觸角為最大(117.2±0.58)°、親水性最弱,丁二酸組的水接觸角最小(85.00±1.29 )°、親水性最強(qiáng),其余各組的水接觸角和親水性介于上述兩者之間。為量化水接觸角與“三素”含量之間的關(guān)系,對兩者的相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果如表 4所示。水接觸角大小與纖維素含量極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.840,P<0.01),與半纖維素含量顯著正相關(guān)(r=0.688,P<0.05),與木質(zhì)素含量顯著正相關(guān)(r=0.642,P<0.05)。以上結(jié)果表明,產(chǎn)物的親水性與“三素”組成存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。纖維素結(jié)構(gòu)中大量諸如羥基、醚基等親水性官能團(tuán)的存在使其具有較強(qiáng)的親水性,而木質(zhì)素和半纖維素除了親水性官能團(tuán)以外,還有較多如苯環(huán)、酯基等疏水性的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán),相比于纖維素,兩者的親水能力有所削弱。經(jīng)過ADES處理,竹粉中半纖維素和木質(zhì)素含量降低,纖維素含量相應(yīng)升高,“三素”組成比例的改變導(dǎo)致產(chǎn)物(相比于原料)表面親水性增強(qiáng)、水接觸角相應(yīng)減小?;诖耍ㄟ^分析大量木質(zhì)纖維素類物料親水性與“三素”組成的數(shù)據(jù),便能獲得兩者間特定的函數(shù)關(guān)系。如此,僅通過測定物料的水接觸角就能較為準(zhǔn)確地計算出“三素”含量,該方法的構(gòu)建無疑可大大縮短物料成分測定所需時間,減少資源損耗。
圖8 水接觸角測量圖像Fig.8 Photos of water contact angle measurement
表4 水接觸角與產(chǎn)物“三素”含量相關(guān)性Tab.4 Correlation between water contact angle and contents of "three components" of products
本研究利用氯化膽堿、乙二醇和酸類物質(zhì)合成了ADES,選擇性脫除了竹粉中半纖維素和木質(zhì)素組分,得到粗纖維素產(chǎn)物。基于產(chǎn)物的理化特性分析,建立了竹木質(zhì)纖維素“三素”含量與親水性關(guān)系。結(jié)果顯示,相比于未添加酸性組分的對照組,ADES表現(xiàn)出木質(zhì)素和半纖維素更高的選擇性去除能力,較大程度地保留了纖維素組分。其中,磷鎢酸基ADES的纖維素分離效果最佳,纖維素保留率為99.07%,半纖維素和木質(zhì)素去除率分別達(dá)86.98%和60.75%。此外,產(chǎn)物的水接觸角與“三素”組成之間具有顯著相關(guān)性,從而可以利用水接觸角定性判斷物質(zhì)的“三素”含量,為木質(zhì)纖維素類材料組成的快速測定提供技術(shù)支持。經(jīng)ADES處理得到的產(chǎn)物其熱穩(wěn)定性有所提高,這對高熱穩(wěn)定性木質(zhì)纖維素類材料的研發(fā)具有一定理論指導(dǎo)意義。