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

(1.南昌大學生物質轉化教育部工程研究中心,江西南昌,330047；2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌,330047)

近年來,隨著全球能源與環(huán)境問題的日益嚴峻,關于發(fā)展替代燃料取代傳統(tǒng)燃料的研究越來越受關注[1]。木質纖維資源具有產量巨大、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]。木質纖維生物質主要由纖維素、半纖維素和木素組成。由于木質纖維中三維、交叉的木素網狀結構和聚合物基質間的強氫鍵作用,使木質纖維溶解非常困難[3]。因此,要提高木質纖維生物質的利用率,生物質原料需經過預處理,暴露出其中的纖維素,使其結晶度降低，從而容易被進一步轉化。

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,離子液體為木質纖維生物質的預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]使其成為木質纖維生物質預處理中的新型綠色溶劑。

微波輻射通過將電磁能直接轉化為內能而引起物質分子水平的發(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纖維復合物間化學鍵與氫鍵的斷裂,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用于木質纖維生物質的預處理將有利于木質纖維的生物質轉化過程。

毛竹具有產量高、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的結構變化。

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以去除脂質和蠟質物質,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,磁力攪拌轉速為600 r/min。為防止過高溫度導致的離子液體和生物質的降解,每次單次輻射結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為原料竹粉的質量,g；m2為未溶解竹粉的質量,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)。

富含纖維素物質(CRM)得率按下式計算：

式中，m1為原料竹粉的質量,g；m3為CRM的質量,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(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、稱其質量。

Klason木素含量按下式計算：

式中，m4為竹粉或CRM的質量,g；m5為殘渣的質量,g。

1.6紅外光譜(FT-IR)分析

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

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°。

纖維素結晶度按下式計算：

式中，I002為結晶區(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觀察微觀結構,掃描電壓為10 kV,觀察環(huán)境為超高真空。

2 結果與討論

2.1竹粉在離子液體中的溶解

離子液體能破壞生物質大分子中的氫鍵,對生物質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,容易進入生物質大分子內部,這也使其成為溶解生物質的良好溶劑。

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部,EmimOAc中的陰陽離子攻擊纖維素氫鍵導致竹粉溶解；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對生物質的溶解效果可能與生物質種類有關。竹材屬于禾本科,木質結構較緊密,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,微波加熱反應時間短,可降低能耗。

2.2富含纖維素物質(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,使纖維素分子內及分子間氫鍵重建[13],產生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作用導致了木素溶解。由于木素與多糖之間存在復雜、牢固的化學鍵,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具有相同的物質組成,但這些物質的含量可能會不同。1161、897 cm-1處的譜帶分別對應纖維素/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的結構與其他CRM略有不同。從圖3(b)可知，經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],經歷了由纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ晶型轉變[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,該結果與表2結果一致。

圖3 富含纖維素物質的紅外譜圖

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。經過離子液體處理后,(101) 和 (040) 峰消失, (002)峰變寬變弱。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晶度依次為31.7%、27.8%、30.3%和19.9%。結果表明，EmimOAc能有效降低竹粉纖維素結晶度。

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，毛竹竹粉經離子液體處理后纖維素晶型發(fā)生了改變,從Ⅰ型轉變成Ⅱ型,結晶度降低。此結果與FT-IR分析結果相符。

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。經離子液體處理后,竹粉不再保持纖維狀,緊密的結構趨于無序,表面產生溝壑,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構。

3 結 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構的變化。結果表明,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晶度有所下降。本研究結果對離子液體的利用和深入開發(fā)毛竹生物質資源具有一定意義。今后應對離子液體的回收純化以及再生物質的利用做進一步研究。

參 考 文 獻

[1] Moniruzzaman M, Ono T. Ionic liquid assisted enzymatic delignification of wood biomass: a new “green” and efficient approach for isolating of cellulose fibers[J]. Biochemical Engineering Journal, 2012, 60: 156.

[2] Kumar P, Barrett D M, Delwiche M J, et al. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(8): 3713.

[3] Kilpel?inen I, Xie H, King A, et al. Dissolution of wood in ionic liquids[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(22): 9142.

[4] Swatloski R P, Spear S K, Holbrey J D, et al. Dissolution of cellose with ionic liquids[J]. Journal of the American Chemical Society, 2002, 124(18): 4974.

[5] Fukumoto K, Yoshizawa M, Ohno H. Room temperature ionic liquids from 20 natural amino acids[J]. Journal of the American Chemical Society, 2005, 127(8): 2398.

[6] Fukaya Y, Sugimoto A, Ohno H. Superior solubility of polysaccharides in low viscosity, polar and halogen-free 1,3-dialkylimidazolium formates[J]. Biomacromolecules, 2006, 7(12): 3295.

[7] Fukaya Y, Hayashi K, Wada M, et al. Cellulose dissolution with polar ionic liquids under mild conditions: required factors for anions[J]. Green Chemistry, 2008, 10(1): 44.

[8] Lynam J G, Toufiq Reza M, Vasquez V R, et al. Pretreatment of rice hulls by ionic liquid dissolution[J]. Bioresource Technology, 2012, 114: 629.

[9] Sobhy A, Chaouki J. Microwave-assisted biorefinery[J]. Chemical Engineering Transactions, 2010, 19: 25.

[10] Liu R L, Zhang J, Mou Z L, et al. Microwave-assisted one-step extraction-derivatization for rapid analysis of fatty acids profile in herbal medicine by gas chromatography-mass spectrometry[J]. Analyst, 2012, 137(21): 5135.

[11] Wang H, Maxim M L, Gurau G, et al. Microwave-assisted dissolu-

tion and delignification of wood in 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate[J]. Bioresource Technology, 2013, 136: 739.

[12] Sun N, Rahman M, Qin Y, et al. Complete dissolution and partial delignification of wood in the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate[J]. Green Chemistry, 2009, 11(5): 646.

[13] Zavrel M, Bross D, Funke M, et al. High-throughput screening for ionic liquids dissolving (ligno-) cellulose[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(9): 2580.

[14] Zhang H, Wu J, Zhang J, et al. 1-allyl-3-methylimidazolium chloride room temperature ionic liquid: a new and powerful nonderivatizing solvent for cellulose[J]. Macromolecules, 2005, 38(20): 8272.

[15] Fort D A, Remsing R C, Swatloski R P, et al. Can ionic liquids dissolve wood？ Processing and analysis of lignocellulosic materials with 1-n-butyl-3-methylimidazolium chloride[J]. Green Chemistry, 2007, 9(1): 63.

[16] Lan W, Liu C F, Yue F X, et al. Ultrasound-assisted dissolution of cellulose in ionic liquid[J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 86(2): 672.

[17] Nelson M L, O’Connor R T. Relation of certain infrared bands to cellulose crystallinity and crystal lattice type. Part II. A new infrared ratio for estimation of crystallinity in celluloses I and II[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1964, 8(3): 1325.