周夢陽 彭 紅,2,* 阮榕生,2 劉玉環(huán),2 張錦勝,2 鄭洪立

(1.南昌大學(xué)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心,江西南昌,330047；2.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江西南昌,330047)

近年來,隨著全球能源與環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻,關(guān)于發(fā)展替代燃料取代傳統(tǒng)燃料的研究越來越受關(guān)注[1]。木質(zhì)纖維資源具有產(chǎn)量巨大、可再生等優(yōu)點,可作為化石能源如煤、石油的替代品或補充[2]。木質(zhì)纖維生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木素組成。由于木質(zhì)纖維中三維、交叉的木素網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和聚合物基質(zhì)間的強氫鍵作用,使木質(zhì)纖維溶解非常困難[3]。因此,要提高木質(zhì)纖維生物質(zhì)的利用率,生物質(zhì)原料需經(jīng)過預(yù)處理,暴露出其中的纖維素,使其結(jié)晶度降低，從而容易被進一步轉(zhuǎn)化。

離子液體(IL)是指在室溫或接近室溫下呈液態(tài)的、完全由陰陽離子組成的鹽,也稱為低溫熔融鹽。自2002年Swatloski等[4]首次發(fā)現(xiàn)離子液體可以溶解纖維素以來,離子液體為木質(zhì)纖維生物質(zhì)的預(yù)處理提供了新的思路。帶有羧酸根或膦酸根的離子液體具有低熔點、低黏性和接受氫鍵能力的特點,這些性質(zhì)都利于生物大分子的溶解[5-7]。離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽(EmimOAc)作為這類離子液體的代表,其低毒性、低熔點、低黏度以及弱堿性[8]使其成為木質(zhì)纖維生物質(zhì)預(yù)處理中的新型綠色溶劑。

微波輻射通過將電磁能直接轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而引起物質(zhì)分子水平的發(fā)熱[9],因此，被廣泛用于有機物的合成和提取[10]。微波輻射能加速木質(zhì)纖維復(fù)合物間化學(xué)鍵與氫鍵的斷裂,從而增大了半纖維素、纖維素和木素溶出的可能性。Wang等[11]研究認(rèn)為，微波能促進EmimOAc對南方松的溶解和脫木素作用。微波輻射與離子液體共同應(yīng)用于木質(zhì)纖維生物質(zhì)的預(yù)處理將有利于木質(zhì)纖維的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。

毛竹具有產(chǎn)量高、繁殖快、易于種植等特點,在我國分布非常廣泛,僅江西省境內(nèi)就達62.6萬hm2。因此，本研究以竹齡為4年的毛竹為原料,探究了球磨并脫脂脫蠟后的竹粉在離子液體EmimOAc中的溶解和提取情況,并采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)等研究了離子液體處理前后毛竹竹粉和提取的富含纖維素物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。

1 實 驗

1.1材料及儀器

4年生毛竹(PhyllostachyspubescensMazel)取自南昌市梅嶺鎮(zhèn)官溪村,切成1 cm×1 cm大小的碎片后充分曬干,然后用植物粉碎機粉碎,選取過40目留于100目的竹粉并經(jīng)干燥后備用；離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽(EmimOAc)購于上海成捷公司,純度99%；甲苯、乙醇、丙酮和硫酸等試劑均為分析純；水為去離子水。

HDJ-5振動球磨機,上海天和制藥機械有限公司；蔡司710激光掃描共聚焦顯微鏡,德國卡爾蔡司公司；Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀,美國熱電尼高力公司；DISYSTEM多功能X射線衍射儀,英國Bede公司；FEI Quanta 200F環(huán)境掃描電子顯微鏡,美國安捷倫公司。

1.2竹粉的脫脂脫蠟及球磨粉碎

取一定量充分干燥的竹粉進行索氏抽提6 h以去除脂質(zhì)和蠟質(zhì)物質(zhì),抽提劑為甲苯/乙醇(體積比2∶1)。脫脂脫蠟竹粉在振動球磨機中進一步研磨80 h后干燥備用。球磨在室溫下進行,鋼球直徑為3.34 cm。

1.3竹粉在離子液體中的溶解和提取

將1.5 g球磨并脫脂脫蠟后的竹粉與30.0 g離子液體EmimOAc在50 mL燒杯中混合,然后置于微波反應(yīng)器中進行溶解處理。離子液體極性較強，吸收微波后升溫很快,因此，微波輻射功率恒定為200 W,單次輻射時間為2 min,磁力攪拌轉(zhuǎn)速為600 r/min。為防止過高溫度導(dǎo)致的離子液體和生物質(zhì)的降解,每次單次輻射結(jié)束后將裝有竹粉和離子液體的燒杯在冰水浴中以迅速冷卻至室溫,然后在同樣條件下再次進行微波輻射處理。為探究微波輻射時間對離子液體溶解生物質(zhì)的影響,取4份樣品分別進行20、40、60和80 min的微波輻射。處理完畢后將混合物在4800 r/min條件下離心40 min，分離未溶解的竹粉,未溶解竹粉用去離子水充分洗滌后在60℃烘箱中過夜干燥,記作ILR (ionic liquid residue，未溶竹粉)。如果竹粉被完全溶解,則此步忽略。另取5.0 g竹粉與100.0 g離子液體混合后在110℃油浴中加熱16 h,以便與微波加熱法進行比較。

竹粉在離子液體中的溶解率按下式計算：

式中，m1為原料竹粉的質(zhì)量,g；m2為未溶解竹粉的質(zhì)量,g。

向離心后的上清液(離子液體/竹粉溶液)中加入10倍體積的丙酮/水(體積比1∶1),在室溫下攪拌1 h,得到灰色、絮狀沉淀。在4800 r/min條件下離心得到沉淀,用去離子水洗滌該沉淀并冷凍干燥,記作CRM(cellulose rich material,富含纖維素物質(zhì))。

富含纖維素物質(zhì)(CRM)得率按下式計算：

式中，m1為原料竹粉的質(zhì)量,g；m3為CRM的質(zhì)量,g。

1.4竹粉在離子液體中溶解進程的觀察

微波每輻射5次后取1滴燒杯中的離子液體與竹粉的混合物裝片,在激光共聚焦顯微鏡下觀察竹粉的溶解進程。

1.5Klason木素含量的測定

原料竹粉、離子液體處理后未溶竹粉(ILR)和富含纖維素物質(zhì)(CRM)中Klason木素含量的測定依照 Sun等[12]的方法。

取0.1 g干燥竹粉或0.2 g CRM放入250 mL錐形瓶中,加入1.5 mL(對于竹粉)或4.0 mL(對于CRM)72%的H2SO4,室溫下攪拌2 h。再加入56 mL(對于竹粉)或150 mL(對于CRM)的去離子水,在電熱板上回流4 h后過濾,殘渣洗滌后干燥、稱其質(zhì)量。

Klason木素含量按下式計算：

式中，m4為竹粉或CRM的質(zhì)量,g；m5為殘渣的質(zhì)量,g。

1.6紅外光譜(FT-IR)分析

取干燥后ILR和CRM樣品1 mg,經(jīng)KBr壓片,Nicolet 5700 傅里葉變換紅外光譜儀于400～4000 cm-1范圍內(nèi)進行掃描測定。

1.7纖維素的X射線衍射(XRD)分析

XRD分析測定條件：X光管靶材,Cu靶,管電壓40 KV,管電流20 mA,掃描速率0.02°/s,掃描范圍10～100°。

纖維素結(jié)晶度按下式計算：

式中，I002為結(jié)晶區(qū)2θ=22°處的衍射峰強度；Iam為無定形區(qū)2θ=18°處的衍射峰強度。

1.8掃描電鏡(SEM)分析

取干燥后的ILR和CRM樣品,利用SEM觀察微觀結(jié)構(gòu),掃描電壓為10 kV,觀察環(huán)境為超高真空。

2 結(jié)果與討論

2.1竹粉在離子液體中的溶解

離子液體能破壞生物質(zhì)大分子中的氫鍵,對生物質(zhì)材料有較強的溶解能力。與其他離子液體如氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑(AmimCl)、氯化1-丁基-3-甲基咪唑(BmimCl)等相比,EmimOAc溶解木材的效果更好。這是由于EmimOAc中的乙酸根呈弱堿性,能更有效地斷裂纖維素分子內(nèi)和分子間的氫鍵[12]。同時,EmimOAc具有較低的黏度和熔點,容易進入生物質(zhì)大分子內(nèi)部,這也使其成為溶解生物質(zhì)的良好溶劑。

圖1 竹粉在離子液體中的溶解過程

在激光共聚焦顯微鏡下竹粉隨微波輻射時間的溶解情況如圖1所示。由圖1可知，未經(jīng)微波輻射的竹粉顆粒在離子液體中清晰可見,輪廓分明；隨微波輻射時間的延長,微波加速了分子運動,離子液體EmimOAc在微波作用下滲入纖維內(nèi)部,EmimOAc中的陰陽離子攻擊纖維素氫鍵導(dǎo)致竹粉溶解；微波輻射60 min后,顯微鏡視野里觀察不到明顯的竹粉顆粒,竹粉已完全溶解。

在Sun等[12]的研究中,0.50 g南方松或紅橡木粉與10.0 g 離子液體EmimOAc在 110℃的油浴中加熱16 h后,溶解率高達90%以上。在本實驗中,竹粉與離子液體按1∶20的質(zhì)量比在110℃油浴中加熱16 h,只有24%的竹粉溶解,表明EmimOAc對生物質(zhì)的溶解效果可能與生物質(zhì)種類有關(guān)。竹材屬于禾本科,木質(zhì)結(jié)構(gòu)較緊密,在傳統(tǒng)加熱條件下較少溶解于EmimOAc中。在200 W微波輻射60 min后，竹粉完全被EmimOAc溶解,這說明微波能極大地促進EmimOAc對竹粉的溶解作用。同時，與油浴加熱相比,微波加熱反應(yīng)時間短,可降低能耗。

2.2富含纖維素物質(zhì)(CRM)的提取

竹粉溶解于離子液體后,其中的纖維素可以通過加入水或其他反溶劑提取出來。水分子包圍離子液體的離子,使纖維素分子內(nèi)及分子間氫鍵重建[13],產(chǎn)生CRM沉淀[14]。不含碳水化合物的木素可以溶解在丙酮/水(體積比1∶1)混合溶液中[15],因此，CRM中纖維素純度較高。本研究中選用丙酮/水作為提取CRM的反溶劑。

如表1所示,CRM主要來自于竹粉/離子液體溶液中溶解的纖維素,竹粉在離子液體中的溶解率越高，CRM得率越大。微波輻射時間較短時竹粉溶解較少,CRM也較少。微波輻射60 min和80 min后竹粉完全溶解于離子液體中,CRM的得率分別為58.5%和62.7%。另外,還有40 %左右的生物質(zhì)未被提取出來,可能的原因包括：纖維素和半纖維素在與離子液體加熱中部分降解,如半纖維素受熱會分解成糠醛[8]；加入反溶劑后,溶解于離子液體中的木素會溶解于丙酮/水中,這都會造成提取過程中物質(zhì)的損失。

表1 不同處理條件下竹粉在離子液體中的溶解率和CRM得率

2.3離子液體EmimOAc對木素的脫除作用

離子液體中的陽離子與木素分子的π-π作用導(dǎo)致了木素溶解。由于木素與多糖之間存在復(fù)雜、牢固的化學(xué)鍵,如C—O—C、C—C和疏水作用,完全脫除木素十分困難。如表2所示,原料竹粉的Klason木素含量為25.9%；經(jīng)離子液體處理后未溶竹粉中木素含量均有所下降,且隨微波輻射時間延長，脫除木素的效果更明顯。與未溶竹粉中的Klason木素含量相比，CMR中的Klason木素含量更低；在微波60 min和80 min后，CRM木素的去除率分別高達46.7%和57.1%。油浴加熱16 h后，CRM的Klason木素含量為18.5%,說明竹粉的溶解率決定了木素脫除率。微波輻射促進了竹粉在離子液體中的溶解,從而使得到的CRM木素含量更低。

表2 不同樣品Klason木素含量

2.4FT-IR分析

圖2 原料竹粉和未溶于離子液體竹粉的紅外圖譜

圖3(a)是CRM1、CRM2和CRM5的紅外圖譜。由相似的紅外特征峰可知,微波輻射和油浴加熱時獲得的富含纖維素物質(zhì)具有相同的物質(zhì)組成,但這些物質(zhì)的含量可能會不同。1161、897 cm-1處的譜帶分別對應(yīng)纖維素/半纖維素的C—O—C伸縮振動和C—H的變形振動,CRM中的這2個峰比原料竹粉的明顯,說明CRM糖類含量更高。微波輻射時間大于60 min時，竹粉完全溶解；此條件下CRM3和CRM4的結(jié)構(gòu)與其他CRM略有不同。從圖3(b)可知，經(jīng)過離子液體完全溶解后纖維素中O—H的伸縮振動峰峰值由3420 cm-1處紅移至3440 cm-1處,說明纖維素中有更多未形成氫鍵的自由羥基[16],經(jīng)歷了由纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ晶型轉(zhuǎn)變[17]。木素的特征峰在這2個樣品中已不明顯,說明木素含量有所降低,該結(jié)果與表2結(jié)果一致。

圖3 富含纖維素物質(zhì)的紅外譜圖

2.5XRD分析

圖4是OB和ILR的XRD圖譜。圖4顯示,2θ為18°、22°和34°處的衍射峰分別屬于纖維素Ⅰ的(101)、 (002)和 (040)晶格面。經(jīng)過離子液體處理后,(101) 和 (040) 峰消失, (002)峰變寬變?nèi)?。原料竹粉與微波輻射20和40 min、傳統(tǒng)加熱16 h后未溶于離子液體竹粉的纖維素結(jié)晶度依次為31.7%、27.8%、30.3%和19.9%。結(jié)果表明，EmimOAc能有效降低竹粉纖維素結(jié)晶度。

圖4 原料竹粉和未溶于離子液體竹粉的XRD圖譜

圖5 富含纖維素物質(zhì)的XRD圖譜

圖6 原料竹粉、未溶于離子液體的竹粉和富含纖維素物質(zhì)的SEM圖

圖5為CRM的XRD圖譜。CRM僅在2θ=20°處出現(xiàn)一個寬峰,此為纖維素Ⅱ的衍射特征峰。這表明，毛竹竹粉經(jīng)離子液體處理后纖維素晶型發(fā)生了改變,從Ⅰ型轉(zhuǎn)變成Ⅱ型,結(jié)晶度降低。此結(jié)果與FT-IR分析結(jié)果相符。

2.6SEM分析

OB、ILR和CRM的SEM圖如圖6所示。由圖6可知，原料竹粉呈纖維狀,表面致密、光滑。經(jīng)離子液體處理后,竹粉不再保持纖維狀,緊密的結(jié)構(gòu)趨于無序,表面產(chǎn)生溝壑,顆粒邊緣變得粗糙模糊。這是由于EmimOAc能夠潤脹植物細胞壁中的纖維素,同時去除了充當(dāng)微細纖維間“填充劑”和“黏合劑”的木素,微細纖維變得松散,纖維表面的微細纖維暴露出來。干燥后的富含纖維素物質(zhì)呈片狀,毛竹纖維變化顯著,纖維融合成相對一致的表面粗糙的膜狀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 語

研究了竹粉在離子液體EmimOAc中的溶解和提取情況以及離子液體處理后毛竹微觀結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明,油浴110℃加熱16 h后僅有24%的竹粉溶解于離子液體中,而微波輻射60 min后竹粉完全溶解，這表明微波輻射能有效促進竹粉在離子液體中的溶解。離子液體能去除竹粉中的木素,同時破壞纖維素的氫鍵,改變纖維素的晶型,離子液體處理后竹粉纖維素結(jié)晶度有所下降。本研究結(jié)果對離子液體的利用和深入開發(fā)毛竹生物質(zhì)資源具有一定意義。今后應(yīng)對離子液體的回收純化以及再生物質(zhì)的利用做進一步研究。

參 考 文 獻

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