盧辛成， 蔣劍春， 何 靜， 孫 康， 孫云娟

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)和 草原局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042； 2.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，江蘇 南京 210037); 3.北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100083)

木醋液是生物質(zhì)原料(木材、秸稈、果殼等)在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中得到的一種重要產(chǎn)物，其主要成分是水，約占80%左右，其余為酸類、酚類、醛類、醇類、酮類和酯類等有機(jī)物質(zhì)，組成十分復(fù)雜[1]。由于木醋液中含有豐富的有機(jī)物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于改良土壤、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、防治病蟲害、抑菌殺菌以及飼料添加等領(lǐng)域[2-3]。木醋液應(yīng)用性能與其活性組分組成與含量有關(guān)，因此通過活性組分的精制與富集可以提高木醋液的應(yīng)用效果[4-5]。木醋液主要精制方法有靜置法、蒸餾法、活性炭吸附法和萃取法等，不同方法具有不同的精制效果。萃取法是一種有效的精制分離方法，通過加入與提取成分相似而與溶劑極性不同的萃取劑來實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。因此可以用于木醋液的分離和精制，實(shí)現(xiàn)不同組分的富集。鄒勇等[6]研究表明：乙酸乙酯對(duì)木醋液中酚類物質(zhì)的精制效果最好，總酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)366 mg/g以上；許英梅等[7]采用有機(jī)絡(luò)合萃取的方法對(duì)木醋液中的醋酸進(jìn)行了萃取研究，獲得了理想萃取體系和萃取工藝流程；楊頔等[8]研究表明采用5% NaHCO3、4% NaOH和乙酸乙酯組合萃取，具有顯著的酚類物質(zhì)富集效果。本研究以廢棄板材為原料通過熱解制備得到木醋液，采用有機(jī)溶劑對(duì)其進(jìn)行萃取精制，探討不同萃取劑對(duì)木醋液組成成分的影響以及對(duì)活性組分的富集作用，以期為木醋液的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

本實(shí)驗(yàn)所用木屑來源于家具制造業(yè)廢棄杉木板材，將其粉碎、過篩，得到粒徑為0.5～2 mm的木屑，置于80 ℃烘箱中干燥5 h，備用。通過分析，木屑元素組成為：C 48.66%、H 5.69%、O 41.94%、N 0.13% 和S 0.06%。乙酸乙酯、氯仿、乙醚和甲醇均為分析純。

自制固定床熱解反應(yīng)器；針式過濾器；美國(guó)安捷倫公司7890A-5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)；德國(guó)耐馳STA 409同步熱分析儀(DSC/DTA-TG) 。

1.2 熱重分析

木屑熱解特性分析采用Netzsch STA 409同步熱分析儀，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以10 ℃/min的加熱速率從室溫加熱到800 ℃。

1.3 杉木木醋液的制備

圖1 木屑的TG和DTG曲線Fig.1 TG and DTG curves of sawdust

在自制固定床熱解反應(yīng)器上進(jìn)行木屑熱解實(shí)驗(yàn)[9]。準(zhǔn)確稱取杉木屑20 g裝入石英管中，將石英管置于程序控溫管式爐內(nèi)。裝置連接后，通入N2檢查氣密性排出裝置中的O2，確保絕氧條件。在氮?dú)饬髁繛?00 mL/min下，以10 ℃/min的升溫速率升到熱解溫度450 ℃，熱解30 min，保證熱解完全，熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分經(jīng)冷凝裝置收集。合并連續(xù)熱解3次的木醋液，靜置分層后取上層木醋液作為實(shí)驗(yàn)樣品。

1.4 木醋液萃取精制

取5 mL木醋液，分別采用1.5 mL乙酸乙酯、氯仿、乙醚及乙醚/甲醇混合液進(jìn)行萃取，連續(xù)萃取5次，合并萃取液，采用GC-MS分析組分。

1.5 GC-MS分析

將原木醋液樣品與萃取精制木醋液樣品通過針式過濾器過濾，采用7890A-5975C型GC-MS儀分析其組分及GC含量。GC條件：色譜柱選用石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，載氣為He，流量為1.6 mL/min，進(jìn)樣口溫度為280 ℃，色譜柱升溫程序?yàn)?0 ℃保持2 min，以5 ℃/min的速率升至280 ℃保持20 min，分流比為100 ∶1，進(jìn)樣量0.2 μL。MS條件：EI電離源，溫度230 ℃，電子轟擊能量70 eV，掃描質(zhì)量范圍(m/z)為50～500。

2 結(jié)果與討論

2.1 木屑熱重分析

生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，這3種高聚物的熱解行為影響著生物質(zhì)的熱解特性。圖1 為木屑TG-DTG 曲線。從圖1可以看出，木屑的熱解主要可以分為3個(gè)階段：水分析出的干燥預(yù)熱解階段、纖維素和半纖維素等的熱解階段以及殘余焦炭的緩慢炭化階段。干燥預(yù)熱解階段為室溫到200 ℃左右，樣品失重率約為5%左右，DTG峰值較小；熱解階段為200～400 ℃，TG值隨溫度升高迅速減小，樣品失重率約為60%，該階段出現(xiàn)一個(gè)明顯的DTG峰，失重速率達(dá)到最大值9.64%/min，對(duì)應(yīng)的溫度為365.5 ℃；炭化階段為400～800 ℃，隨溫度的升高失重率變化較為緩慢，TG和DTG趨于水平直線，熱解反應(yīng)結(jié)束，此時(shí)樣品殘存量為19.14%(799.6 ℃)。

2.2 木醋液GC-MS分析

采用GC-MS分析木醋液中的活性組分，主要成分為酚類物質(zhì)和酸類物質(zhì)，其次為酮類物質(zhì)、醛類物質(zhì)和醇類物質(zhì)，酯類物質(zhì)含量最少，結(jié)果見表1。

表1 木醋液組成成分Table 1 Composition of wood vinegar

從表1可以看出，酚類物質(zhì)是木醋液的主要成分(GC含量33.714%),酚類物質(zhì)主要是2-甲氧基苯酚(愈創(chuàng)木酚)及其衍生物，約占酚類物質(zhì)總量的81%。酚類物質(zhì)來源于木質(zhì)素中苯丙烷結(jié)構(gòu)的熱解，這表明木屑原料中木質(zhì)素的苯丙烷結(jié)構(gòu)主要是愈創(chuàng)木酚型，熱解過程中醚鍵斷裂形成愈創(chuàng)木酚及其衍生物[10-11]。木醋液中酸類物質(zhì)的GC含量為33.624%，主要是戊酸、乙酸、丙酸和3-甲氧基- 4-羥基苯甲酸。酸類物質(zhì)主要來源于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中脂肪類羥基斷裂以及半纖維素和纖維素的解聚、脫水[12]。酮類物質(zhì)主要是丙酮、環(huán)戊二酮及其衍生物，GC含量為14.212%左右，纖維素和半纖維素在慢速熱解過程中低聚糖的脫水和二次反應(yīng)有利于產(chǎn)生丙酮和環(huán)戊二酮等物質(zhì)[13]。醇類物質(zhì)主要是4-羥基-3-甲氧基苯乙醇和呋喃甲醇，木質(zhì)素中脂肪族醇羥基側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的斷裂生成醇類物質(zhì)[14]。醛類物質(zhì)是己醛、糠醛及其衍生物等，主要來源于半纖維素和纖維素?zé)峤狻?/p>

2.3 萃取劑對(duì)木醋液活性組分及其含量的影響

2.3.1不同萃取劑的對(duì)比 采用乙酸乙酯、氯仿和乙醚等萃取劑對(duì)木醋液進(jìn)行精制，研究不同萃取劑對(duì)木醋液中活性組分的富集作用，結(jié)果見表2。從表2可看出，不同萃取劑對(duì)活性組分的富集效果有著顯著的差異。對(duì)于酚類物質(zhì)來說，3種萃取劑具有明顯的富集作用，其中乙醚富集效果最好，GC含量可達(dá)57.00%，其次為氯仿(49.19%)，再次為乙酸乙酯(46.79%)。3種萃取劑對(duì)酸類物質(zhì)的富集效果較差，GC含量分別為乙酸乙酯(8.80%)、氯仿(6.05%)和乙醚(12.03%)，明顯低于原木醋液。對(duì)于酮類物質(zhì)，采用乙酸乙酯、氯仿萃取富集效果較好，GC含量分別達(dá)到28.72%和23.91%，是原木醋液(14.21%)的2.0倍和1.7倍，而乙醚萃取的酮類物質(zhì)GC含量為13.63%，低于原木醋液。對(duì)于醛類物質(zhì)，氯仿萃取能夠增加其GC含量。而對(duì)于醇類物質(zhì)和酯類物質(zhì)，3種萃取劑的精制富集作用較差，GC含量均低于原木醋液。由此可知，采用不同的萃取劑可實(shí)現(xiàn)木醋液中不同活性組分的分離與精制，有利于木醋液構(gòu)效關(guān)系研究與高效應(yīng)用。

表2 不同萃取條件下木醋液中活性組分組成與GC含量Table 2 Composition of wood vinegar under different extraction conditions

與表1對(duì)比可知， 3種萃取劑對(duì)木醋液中活性組分的分離和富集效果不同。對(duì)于酸類物質(zhì)，萃取效果較差，總的GC含量明顯下降，3-甲氧基- 4-羥基苯甲酸含量增加，但乙酸、戊酸含量減少，特別是戊酸，含量減至0。3種萃取劑對(duì)酚類物質(zhì)具有顯著的富集效應(yīng)，其中乙酸乙酯和氯仿對(duì)2-甲氧基苯酚、4-甲基-2-甲氧基苯酚、4-乙基2-甲氧基苯酚和丁子香酚具有良好的萃取效果，但對(duì)苯酚、 3-甲基苯酚和4-丙基-2-甲氧基苯酚等萃取效果很差；乙醚能夠有效分離除了4-乙烯基-2-甲氧基苯酚和4-丙基-2-甲氧基苯酚以外的其他酚類，對(duì)于酚類物質(zhì)的富集效應(yīng)最好。對(duì)于酮類物質(zhì)，乙酸乙酯和氯仿萃取作用較顯著，可以實(shí)現(xiàn)除丙酮以外其他酮類物質(zhì)的有效富集，尤其是環(huán)戊二酮及其衍生物。而對(duì)于醛類、醇類和酯類物質(zhì)，萃取效果均不顯著。這可能是由于木醋液中有機(jī)物極性不同，在水與3種萃取劑之間的分配系數(shù)不同，導(dǎo)致部分組分無法萃取分離；同時(shí)，由于不同萃取劑與水的溶解性不同，導(dǎo)致富集效果不同。

圖2 V(甲醇)/V(乙醚)對(duì)木醋液活性組分的影響Fig.2 Effect of V(methanol)/V(ether) on the enrichment of wood vinegar components

2.3.2乙醚 /甲醇混合萃取劑 酚類物質(zhì)和酸類物質(zhì)是木醋液的主要成分，也是木醋液抑菌性、抗氧化性和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)作用的主要活性物質(zhì)[15-16]。因此，以乙醚為萃取劑，進(jìn)一步通過添加甲醇配制乙醚/甲醇混合萃取劑，考察甲醇添加量對(duì)萃取精制木醋液效果的影響，結(jié)果如圖2和表3所示。從圖2可以看出，乙醚/甲醇混合萃取劑對(duì)酚類物質(zhì)的富集作用顯著增強(qiáng)，甲醇和乙醚的比例影響其對(duì)酚類物質(zhì)的富集效果。隨著甲醇添加量的增加，酚類物質(zhì)的GC含量逐漸增加，當(dāng)V(乙醚) ∶V(甲醇)為2 ∶1時(shí)，酚類物質(zhì)GC含量最高可達(dá)66%，較乙醚萃取提高了9個(gè)百分點(diǎn)，是原木醋液的1.96倍。對(duì)于酸類物質(zhì)，V(乙醚) ∶V(甲醇)為 5 ∶1時(shí)，其GC含量增加，之后隨著甲醇用量的增加，其GC含量降低。甲醇的添加，對(duì)酮類物質(zhì)和酯類物質(zhì)幾乎沒有影響，但導(dǎo)致醛類物質(zhì)的GC含量降低。

表3 不同V(乙醚)/V(甲醇)條件下木醋液活性組分組成與GC含量Table 3 Composition of wood vinegar under different V(ether)/V(methanol)

續(xù)表3

類別 class 有機(jī)物名稱compoundsGC含量GC content/% 5∶1 4∶1 3∶1 2∶1酮類ketones丙酮acetone0.6840.6010.5630.4801-羥基-2-丁酮1-hydroxy-2-butanone—0.5910.6890.5483-甲基-1,2-環(huán)戊二酮3-methyl-1,2-cyclopentanedione4.7874.3533.9033.1793-乙基-2-羥基環(huán)戊烯酮3-ethyl-2-hydroxyl cyclopentenone1.6761.1691.1651.0358-甲基-4-壬酮8-methyl-4-nonanone—0.9010.8620.7414-羥基-3-甲氧基苯乙酮4-hydroxy-3-methoxy hypnone5.1345.4466.3365.526醛類aldehydes糠醛furfural4.3933.7442.8702.9745-甲基-2-糠醛5-methyl-2-furfural—1.3201.3341.093香草醛vanilline2.3442.5942.5772.660醇類alcohols2-呋喃甲醇2-furfuryl alcohol—0.6761.1330.6744-羥基-3-甲氧基苯乙醇4-hydroxy-3-methoxy phenethyl alcohol5.7925.8824.5613.907

由表3可以看出，與原醋液(表1)相比，采用乙醚/甲醇混合萃取劑，不僅增加了主要酚類物質(zhì)如2-甲氧基苯酚、 4-甲基-2-甲氧基苯酚、鄰苯二酚等的GC含量，也使其他微量酚類物質(zhì)如2,3-二甲基苯酚、 4-丙氧基苯酚和4-甲基鄰苯二酚等萃取出來。與乙醚萃取(表2)相比甲醇的添加使2-甲氧基苯酚、 4-甲基-2-甲氧基苯酚、鄰苯二酚、 4-乙基-2-甲氧基苯酚和4-丙基-2-甲氧基苯酚GC含量明顯增加，但使3-甲基苯酚、丁子香酚和4-丙烯基-2-甲氧基苯酚的GC含量降低。同時(shí)，甲醇添加量對(duì)組分GC含量有著不同的影響。隨著甲醇添加量的增加， 2-甲氧基苯酚、鄰苯二酚的GC含量呈減少趨勢(shì)， 3-甲基苯酚、 4-丙烯基-2-甲氧基苯酚的GC含量呈增加趨勢(shì)，而2-甲氧基苯酚、 4-甲基-2-甲氧基苯酚、丁子香酚、 4-丙基-2-甲氧基苯酚等的GC含量先減少后增加。這可能是由于甲醇極性較強(qiáng)，通過添加強(qiáng)極性甲醇可以增強(qiáng)混合萃取劑的極性，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)酚類物質(zhì)的萃取效果。同時(shí)由于各酚類物質(zhì)與混合萃取劑之間的互溶性和相互作用不同，導(dǎo)致萃取富集效應(yīng)不同。

3 結(jié) 論

3.1以廢棄杉木板為原料制得木醋液，組成成分有酚類、酸類、酮類、醛類、醇類和酯類物質(zhì)，其中主要成分是酚類(33.714%)、酸類(33.624%)和酮類(14.212%)。

3.2對(duì)于酚類物質(zhì)，乙酸乙酯、氯仿和乙醚3種萃取劑具有良好的富集效果，其中乙醚效果最顯著；對(duì)于酮類物質(zhì)，乙酸乙酯和氯仿具有良好的富集效應(yīng)；而對(duì)于酸類物質(zhì)， 3種萃取劑不利于其萃取富集；對(duì)于酯類、醛類和醇類富集作用不明顯。

3.3乙醚/甲醇混萃取劑對(duì)木醋液中酚類物質(zhì)的富集作用隨甲醇添加量的增加而增加。當(dāng)乙醚與甲醇體積比為2 ∶1時(shí)，對(duì)酚類物質(zhì)的富集作用最顯著，GC含量可達(dá)66%，是原木醋液的1.96倍。