张 坤，王高煊，王晓俊，张莎莎 ，薛冬桦*
（长春工业大学化学与生命科学学院，吉林 长春 130012）
摘 要：应用碱溶-醇沉-酸析方法提取玉米秸秆木质素，Box-Behnken试验优化工艺条件为NaOH溶液浓度2.40 mol/L、反应时间3.10 h、提取温度74 ℃，木质素的提取率达到69.71%。经热重、傅里叶变换红外光谱和紫外-可见吸收光谱结构分析表明，木质素在130～500 ℃内发生热分解反应，部分官能团发生交联后具有很高的热稳定性，最大紫外吸收峰位于282 nm波长处，存在较多的化学活性基团。所得木质素因其化学活性高，可通过分子设计改性形成高分子材料，从而为玉米秸秆的资源化利用提供新途径。
关键词：木质素；玉米秸秆；碱溶-醇沉-酸析；表征
木质素是天然多羟基芳香族化合物，是以苯丙烷为结构单元通过醚键-碳键彼此联接成具有三维空间结构的高聚物，是化学化工生产中芳香族化合物原料的丰富资源 [1]。木质素是以苯丙烷为单元，因基本结构单元不同，可分为3种类型：紫丁香基木质素（syringyl lignin，S-木质素）、愈疮木基木质素（guaiacyl lignin，G-木质素）、对羟基苯基木质素（hydroxy-phenyl lignin，H-木质素） [2-3]。玉米秸秆的木质素主要由上述3 种结构单元构成 [4]。
木质素的分子结构中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、共轭双键等活性基团，可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解、酰化、磺化、烷基化、卤化、硝化、缩聚或接枝共聚等诸多反应 [5-8]，因此木质素具有分散性、絮凝性、螯合性、缓释性、黏合性、吸附性等理化特性，将应用在合成高效吸附剂、染料分散剂、混凝土减水剂、橡胶添加剂，农药缓释剂等化工领域 [9-12]。
在提取木质素工艺中，不同方法及分离条件会导致木质素结构单元之间连接键型和功能基团的差异 [13-16]，进而导致提取率的不同。例如，Henrikki等 [17]采用碱水解和酶解分步提取玉米秸秆木质素，研究不同浓度NaOH溶液对木质素的结构差异影响，没有优化提取条件。Zhu Jiying等 [18]应用厌氧消化辅助提取经稀碱预处理后的玉米秸秆木质素，提取率为46.2%。如何获得高活性木质素提取率是研究的关键。
本研究应用碱溶-醇沉-酸析法对玉米秸秆中木质素提取及表征进行研究，通过关键因素的碱溶作用，提高玉米秸秆中木质素总脱除率。探讨NaOH溶液浓度、提取温度、反应时间对玉米秸秆木质素提取率影响，通过Box-Behnken试验设计优化木质素提取工艺参数。并采用热重（thermogravimetric，TG）分析、傅里叶变换红外光谱（Fourier translation infrared spectroscopy，FT-IR）以及紫外-可见吸收光谱对木质素进行结构表征和理化特性分析，为玉米秸秆木质素应用提供理论依据。
1.1 材料与试剂
玉米秸秆 长春大成实业集团有限公司；NaOH、浓硫酸、盐酸、冰乙酸（均为分析纯） 北京化工厂；无水乙醇、95%乙醇（分析纯） 天津市光复科技发展有限公司；邻苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠（均为优级纯） 北京北化精细化学品有限公司；乙二醇、乙醚（均为分析纯） 天津市富宇精细化工有限公司；溴化钾、二甲基亚砜（均为光谱纯） 天津市光复精细化工公司。
1.2 仪器与设备
SHB-In循环水式多用真空泵 上海豫康科教仪器设备有限公司；HH-4数显恒温水浴锅 金坛市江南仪器厂；RE-201D旋转蒸发器 上海凌标仪器有限公司；DD5台式高速离心机 湖南凯达科学仪器有限公司；LGJ-12型冷冻干燥机 北京松源华兴科技发展有限公司；pHS-3C酸度校准仪 雷磁分析仪器厂；TA Instruments 2050 TGA热失重分析仪 美国Pike公司；Perkin Elmer Spectrum One傅里叶变换红外光谱仪 美国PE股份有限公司；Cary Series UV-Vis-NIR spectrophotometer紫外-可见光谱仪 美国Varian高科技公司。
1.3 方法
1.3.1 玉米秸秆原料木质素质量分数的测定
取0.5 g玉米秸秆原料，应用美国国家可再生能源实验室方法 [19]，测定玉米秸秆原料中木质素的质量分数。计算如式（1）所示。
式中：w为木质素的质量分数/%；m 1为木质素质量/g；m 2为玉米秸秆原料质量/g。
1.3.2 玉米秸秆中木质素的提取工艺
玉米秸秆原料水热预处理脱除水溶性杂质，料液比1∶20（g/mL），加入一定量的NaOH固体，水浴加热提取、过滤，滤液用乙酸调pH 5.5，减压浓缩，95%乙醇处理并过滤，滤渣为半纤维素产品。滤液减压蒸馏用6 mol/L HCl溶液调pH 1.5，离心分离，冷冻干燥，所得产品为玉米秸秆木质素。提取率计算如式（2）所示。
式中：Y为木质素提取率/%；M 1为提取到的木质素质量/g；M 2为原料所含木质素质量/g。
1.3.3 Box-Behnken试验优化工艺条件
在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken试验原理 [20]，以木质素提取率为指标，选取NaOH溶液浓度、反应时间和提取温度三因素进行Box-Behnken优化试验（统计分析软件Design-Expert 8.0），试验因素和水平见表1。
表1 Box-Behnken试验因素与水平
Table1 Factors and levels of Box-Behnken experiment design
水平因素A反应时间/hB NaOH溶液浓度/（mol/L）C提取温度/℃—12150 0 3 2 70 1 4 3 90
1.3.4 玉米秸秆木质素表征分析
1.3.4.1 TG分析
采用热失重分析仪在程序控制温度条件下测试样品的质量与温度变化关系，研究样品的热稳定性和组分。样品于N 2环境下以10 ℃/min速率升温，测试温度范围为50～650 ℃。
1.3.4.2 FT-IR测定
本实验采用的红外光谱仪分辨率为4 cm —1，扫描范围为4 000～450 cm —1，扫描次数32 次，KBr压片（木质素与KBr质量比1∶100），KBr做背景扫描。测试 前样品在50 ℃条件下，干燥至质量恒定。
1.3.4.3 紫外-可见吸收光谱测定
将100 mg木质素溶解于100 mL二甲基亚砜中配制成样品溶液，测定紫外-可见吸收光谱，扫描范围200～800 nm，二甲基亚砜做背景扫描。
2.1 玉米秸秆原料木质素的质量分数
玉米秸秆原料中木质素的质量分数测定结果见表2，平均值为12.9 8%。
表2 玉米秸秆原料木质素的质量分数
Table2 Lignin content in corn stovertover
实验组木质素质量/g木质素质量分数/% 1 0.067 913.58 2 0.062 212.44 3 0.064 612.92平均值0.064 912.98
2.2 木质素提取单因素试验结果
2.2.1 NaOH溶液浓度对木质素提取率的影响
图1 NaOH溶液浓度对木质素提取率的影响
Fig.1 Effect of NaOH concentration on the yield of lignin
按NaOH溶液浓度分别为1.0～4.0 mol/L加入NaOH固体，提取温度60 ℃、反应时间3 h，考察NaOH溶液浓度对玉米秸秆中木质素提取率的影响（图1）。NaOH溶液浓度为2 mol/L时，木质素的提取率为68.28%。结果表明，适宜NaOH溶液浓度可断裂木质素与糖聚物之间的酯键和醚键，由于木质素结构中含有较多的酚羟基，在碱性条件下是以可溶性酚钠盐的形式存在的，然后在酸性条件下变成不溶性游离酚析出，而NaOH溶液浓度较高的提取过程中，木质素可能发生氧化和自身缩合反应造成损失。
2.2.2 反应时间对木质素提取率的影响
图2 反应时间对木质素提取率影响
Fig.2 Effect of reaction time on the yield of lignin在NaOH
NaOH溶液浓度2 mol/L、提取温度60 ℃时，研究不同反应时间对玉米秸秆木质素提取率的影响（图2）。由结果可知，木质素的提取率随着反应时间的延长而增加， 3 h时木质素提取率达到67.05%，趋于平缓，提示反应基本结束。
2.2.3 提取温度对木质素提取率影响
温度是控制化学反应速率和方向的重要因素，木质素与糖类复合结构的破坏必然受到提取温度的影响，从而影响木质素的提取率。在NaOH溶液浓度2 mol/L、反应时间3 h条件下，考察不同提取温度条件下玉米秸秆木质素提取率的变化（图3）。当提取温度为70 ℃时，木质素提取率为66.40%。
图3 提取温度对木质素提取率的影响
Fig.3 Effect of extraction temperature on the yield of lignin
2.3 Box-Behnken试验设计与结果
Box-Behnken试验方案及响应值见表3，回归方程的各项分析见表4。拟合方程：Y=70.32＋1.81A＋3.96B＋2.03C＋0.19AB—3.91AC—0.94BC—7.71A 2—5.10B 2—3.98C 2。由方程可知，模型的显著水平远小于0.05，此回归模型高度显著。回归方程方差分析结果表明，方程的失拟项较小，该方程对试验结果拟合良好。一次项均显著，交互项仅AC显著，二次项显著。表明对木质素提取率影响的大小顺序依次为NaOH溶液浓度、提取温度和反应时间，NaOH溶液浓度为关键因素。
表3 Box-Behnken设计方案及结果
Table3 Design and results of Box-Behnken experiments
试验号A反应时间B NaOH溶液浓度C提取温度提取率/% 110157.03 2—1—1050.03 3 0 0 0 69.17 4 165.92 5—10163.86 6 0 1—163.32 0 1 7—11058.72 8 1 1 065.36—1—154.67 1010—161.23 11—10—152.42 1200068.97 1300071.05 141—1055.92 1500070.21 160—1161.04 1700072.21 9 0
表4 回归方程的方差分析
Table4 Analysis of variance for the regression model
注：P＜0.05，差异显著；P＜0.01，差异极显著。
方差来源平方和自由度均方F值P值模型720.80980.0923.120.000 2 A反应时间26.34126.347.600.028 2 B NaOH溶液浓度125.311125.3136.180.000 5 C提取温度32.84132.849.480.017 8 AB0.1410.140.0410.845 4 AC61.15161.1517.650.004 0 BC3.5513.551.030.345 0 A 2250.211250.2172.23＜0.000 1 B 2109.621109.6231.650.000 8 C 266.62166.6219.230.003 2残差24.2573.46失拟误差16.9835.663.120.150 5纯误差7.2741.82总和745.0416
对多元回归方程的响应面曲线图（图4）使用规范分析可知，回归模型存在最大稳定点，即反应时间3.08 h、NaOH溶液浓度2.37 mol/L、提取温度73.4 ℃，木质素提取率预测值为71.31%。
图4 各因素交互作用对木质素提取率影响的响应面图
Fig.4 Response surface plolts for the effects of three factors on the yield of lignin
2.4 木质素提取验证实验
综合考虑实际可操作性，优化工艺条件修整为NaOH溶液浓度2.40 mol/L、提取时间3.10 h、反应温度74 ℃，在此条件下，取玉米秸秆原料进行4 次木质素提取验证实验，实验结果见表5，木质素平均提取率为69.71%，验证实验结果与预测值很接近，说明回归方程能够比较真实地反映各因素对木质素提取率的影响。
表5 木质素提取验证实验
Table5 Verification of optimal conditions for lignin extraction
实验号1234木质素提取率/%70.4269.4067.8771.15
2.5 玉米秸秆木质素表征分析
2.5.1 TG分析
图5 玉米秸秆木质素的热质量损失率及质量损失速率曲线
Fig.5 TG and DTG curves of lignin extracted from corn stover
玉米秸秆木质素TG曲线（图5）中，a和b分别代表木质素的TG曲线和木质素的TG一次微分后（derivative thermogravimetric analysis，DTG）曲线。结果表明，木质素的热解是复杂过程。玉米秸秆木质素热解范围广，经历不同的质量损失阶段。30～130 ℃的质量损失主要是吸附水分的蒸发。130～400 ℃为碳水化合物组分分解为挥发性气体（CO、CO 2、CH 4等）。酚类物质、醇醛酸在400～500 ℃快速降解为气态产物，在470 ℃左右木质素达到最大质量损失速率。温度超过500 ℃，约有25%的固体残留物，是由于木质素中的部分官能团形成了交联结构，具有很高的热稳定性，在650 ℃高温条件下也不发生降解。
2.5.2 FT-IR分析
图6 玉米秸秆木质素FT-IR图T-IR
Fig.6 IR spectrum of lignin extracted from corn stov er
红外光谱可反映分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息，推断物质分子结构从而鉴定物质 [14]。从玉米秸秆木质素红外光谱（图6）可以看出，3 434 cm —1处吸收峰很强，为O—H伸缩振动，说明O—H相对含量较高。2 936 cm —1和2 853 cm —1处 为亚甲基和甲基的C—H振动。1 637 cm —1处为共轭的羰基伸缩振动。1 463、1 423 cm —1处芳香族碳骨架振动。存在1 329 cm —1处紫丁香基的吸收带和愈创木基在1 033 cm —1处的吸收带。1 158 cm —1处的弱吸收带可能是由于酯基（共轭的）的吸收，即可能有对羟基苯基结构。900 cm —1以下为芳香环取代基的振动情况。说明木质素上的苯环存在不同类型的取代。该红外光谱体现了木质素分子所特有官能团的特征吸收。
2.5.3 紫外-可见吸收光谱分析
图7 玉米秸秆木质素紫外-可见吸收光谱图
Fig.7 UV-Vis spectrum of lignin extracted from corn stover
木质素为芳香族化合物，对紫外光具有强烈的吸收 [15]。从提取到的玉米秸秆木质素样品的紫外-可见吸收光谱（图7）可知，最大吸收峰位于282 nm波长处，同时在312 nm波长处出现一肩峰。282 nm波长处对应为共轭分子结构如芳香环中电子跃迁引起的吸收，在312 nm波长处的强吸收对应为对香豆酸和对阿魏酸的吸收。结合红外光谱分析表明木质素中含有较多的化学活性基团，具有较好的化学活性。可通过分子设计对其改性，在化工领域有潜在应用价值。
依据木质素与多糖间的醚健、酯键易碱液破坏的机理，通过关键因素“碱溶”断裂木质素与纤维素和半纤维素的紧密结合，木质素生成可溶性酚钠盐，经“醇沉”除去可溶性的杂质，再“酸析”使木质素生成不溶性游离酚析出，实现固液两相可分离系统。此工艺过程关键为NaOH溶液浓度、反应时间和提取温度协同作用，通过Box-Behnken试验得到提取优化条件：NaOH溶液浓度2.40 mol/L、反应时间3.10 h、提取温度74 ℃。在此优化工艺条件下木质素的提取率达到69.71%。此玉米秸秆提取工艺技术与高沸醇溶法提取相比减少其耗能 [21]，微波辅助提取秸秆木质素难以规模化生产 [22]，酶解提取木质素周期长且成本较高 [17]，碱溶-醇沉-酸析工艺过程成本低、条件温和、周期短，实现了高活性玉米秸秆木质素的高效提取。
玉米秸秆木质素的TG分析表明，大部分有机质在130～500 ℃阶段发生热解反应而发生较大程度的质量损失。130～400 ℃碳水化合物组分分解为挥发性气体，酚类物质、醇醛酸在400～500 ℃快速降解为气态产物。最终得到约25%的固体残留物，表明木质素中的部分官能团形成了交联结构，具有很高的热稳定性，在650 ℃高温条件下也不发生降解。
红外光谱体现了木质素分子所特有官能团的特征吸收，包括紫丁香基和愈创木基吸收带。玉米秸秆木质素的羟基含量较高，苯环上存在不同类型的取代。最大紫外吸收峰位于282 nm波长处，对香豆酸和对阿魏酸结构在312 nm波长处有强吸收。玉米秸秆木质素中含有较多的化学活性基团，为较好的平台化合物，可通过分子设计及改性合成高分子材料，替代石油化工产品，具有重要应用价值。
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Extraction and Characterization of Lignin from Corn Stover
ZHANG Kun WANG Gaoxuan WANG Xiaojun ZHANG Shasha XUE Donghua*
(College of Chemical and Life Science Changchun University of Technology Changchun 130012′China)
Abstract：Lignin is a natural phenolic polymer abundant in corn stover It plays an impor tant role in the synthesis of adsorbents dye dispersants concrete water-reducing agents and many others in the field of chemical industry In this work we developed a method to extract lignin from corn stover by means of alkaline solubilization alcohol precipitation and acid separation Box-Behnken design was applied to optimize the extraction process The highest lignin yield achieved was 69.71% under the condition of 2.40 mol/L NaOH at 74 ℃ for 3.10 hours The resulting lignin was analyzed by using thermogravimetry (TG)′Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR and ultraviolet-visible (UV-Vis spectroscopy This lignin was decomposed mainly between 130 and 500 ℃. Some of its functional groups formed a cross-linked complex with thermal stable structures The maximum UV absorption occurred at 282 nm This lignin is very reactive and suitable for polymer synthesis and modification Thus this study provides a new way of utilizing corn stover.
Key words：lignin corn stover alkaline solubilization-alcohol precipitation-acid separation characterization
中图分类号：O636.2
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2015）06-0058-05
doi：10.7506/spkx1002-6630-201506011
收稿日期：2014-08-20
基金项目：吉林省科技发展计划项目（20126035）；长春市科技支撑计划项目（2012213）
作者简介：张坤（1988—），男，硕士研究生，研究方向为生物有机化学。E-mail：55808 205@qq.com
*通信作者：薛冬桦（1956—），女，教授，博士，研究方向为生物有机化学。E-mail：xuedonghua@mail.ccut.edu.cn