21世纪世界各国面临着资源消耗过度、环境污染加剧的困境，积极寻找可再生能源、采用绿色化学土艺、减少环境污染是人类社会能够持续发展的唯一出路。国际能源局(IEA)声明，到2050年生物燃料有望提供世界总运输燃料需求量的27%，可达7.5亿吨石油当量。
杨树是一种全球大面积栽培的木本作物，具有适应性广、年生长期长和生产速度快等特点，是木质纤维素的重要研究代表，杨木的资源化利用具有着重要的意义。通过对木质纤维素原料进行预处理、酶解可以得到葡萄糖，进而发酵制取纤维乙醇。目前，纤维乙醇的制取土艺是可行的，然而土艺成本和产品经济性确是制约发展的重要因素。预处理过程中，有效地将木质素分离纯化并加以利用，能够提升纤维乙醇的整体经济性。木质素是单体繁多、结构复杂的一类三维立体高聚物，由苯丙烷结构单体通过醚键和碳碳键联结而成的无定形高聚物，侧链上存有各种官能团，半纤维素和木质素间的化学键联结形成的网络结构使其难以分离提取。
本研究通过磷酸丙酮法、碱法蒸煮法和有机溶剂法对杨树进行预处理，将分离纯化的木质素[[7]作为研究对象，并与国标法所提取木质素进行对比。通过红外吸收光谱和核磁共振进行表征，从木质素产率和改性程度的角度入手，寻求能够实现生物质资源全组分利用的最为适合的预处理方法，提升纤维乙醇的产品经济性。
1 实验部分
1.1 试剂和仪器
杨树枝取自北京吕平，杨树末是经过去皮、烘干、截块、粉碎、筛分J步处理而得，过0. 84 mm筛孔，在索氏抽提器中苯醇抽提4h，空气中自然放置备用。所用化学试剂均为分析纯，所用水为去离子水。
红外光谱测定在Nicolet 6700型FT}R(美国热电公司)上进行，由于所制得木质素是有机粉状物，需采用含有1 % I}B:压片法进行预处理。液体‘HNMR在400 MHz的400 NMR型谱仪(瑞士Bruke:公司)上进行，准备25mg样品溶解在1.0mL氖代二甲亚矾DMSOI6中，在25℃条件下测定HNMR，每个样品扫描16次70。脉冲角，脉冲宽度10.i,m，延迟时一间15s。
1.2 磷酸丙酮预处理
杨树末和磷酸(质量分数85%)首先在水浴恒温振荡器中预浸，比较反应温度、固液比和反应时-间对木质素产率的影响规律。随后加入预冷的丙酮并充分萃取5 min，10000r/min高速冷冻离心实现固液分离，萃取漓心过程需重复3次。离心所得残留固体经过水洗，称重、酶解、发酵制取纤维乙醇;通过旋转蒸发仪对萃取液中的丙酮进行减压蒸馏回收，剩余酸液中加水并自然沉降1h，通过0.45,m混合纤维素膜过滤得到磷酸丙酮木质素，经过水洗、烘干、空气放置备用。
1.3 碱性蒸煮预处理
称取lOg杨树末装入烧瓶，加入一定配比的NaOH和NaZS硫酸盐溶液，常压下将蒸煮液加热至160℃保持1h。通过离心分离出碱不溶物沉淀，用盐酸将溶液pH值调至3，再离心分离得到碱木质素，水洗、烘干、自然放置备用。
1.4 有机溶剂预处理
称取lOg杨树末装入三角瓶，加入由一定配比的丙酮、乙醇、水组成的混合有机溶剂，滴加几滴硫酸催化，常压下60℃加热2h。将固体残留物过滤后，通过减压蒸馏将剩余液体中的有机溶剂蒸出，加水并自然沉降1h，通过0.45m混合纤维素膜过滤获得有机溶剂木质素，水洗、烘干、自然放置备用。
1.5 国标法
称取lOg杨树末装入三角瓶，加入100 mL浓HZSOQ(质量分数72% )，常压下30℃保持1h并不断搅拌，随后加水2.8 L将HZSOQ稀释至质量分数为4%，牛皮纸封口放入高压灭菌锅加热至121℃并保持1h。冷却至室温后，通过慢速定量滤纸过滤获得酸不溶木质素，这是目前木质素含量测定的国标方法，水洗、烘干、自然放置备用。
1.6 木质素纯化
粗木质素的纯化按照Lundquist法进行处理。
1.7 木质素表征
通过红外光谱和核磁共振对4种所提取的木质素进行表征，分析比较木质素提取前后的官能团的特征差异，筛选出改性程度相对较小的提取方法。
2 结果与讨论
2.1 磷酸丙酮法木质素提取结果
通过国标法对杨树末的成分进行测定，测得木质素含量为21.26%(见表2)。
前期研究表明，通过磷酸丙酮法对杨木进行预处理，木质素、半纤维素和纤维素分别存在于丙酮相、水相和剩余固相中，仅会发生少量的水解和降解反应，初步实现了木质纤维素3大组分的部分分离。经磷酸预浸，部分纤维素会发生润涨进而溶解的现象，加入丙酮使得溶解的纤维素瞬时一沉降，纤维素品型由结品区向无定形区发生一定的转变，适干后续的酶解发酵反应。温和的反应条件也会切断抑制物的产生条件，对后续土艺不会造成消极的影响。
溶解木质素的丙酮具有低沸点和高挥发的特性，通过减压蒸馏即可实现溶剂回收。回收丙酮后，在剩余浆液中加水静置，1h后溶解的木质素会发生沉降。预处理中温度、时一间和液固比(磷酸体积:杨树末质量)均对木质素产率和改性程度有一定的影响。
从表1可以看出，预浸温度由300C提高至900C时，木质素产率由10.57%大幅提高至53.28%，木质素产率随着温度的升高而大幅提高，但过高的温度会导致木质素部分基团的改性，较为活泼的活性基团如轻基、甲氧基等容易发生化学反应。加热温度70和90℃时，产率分别可达37.89%和53.28%，但所提取木质素的颜色加深、颗粒变大且表面较硬，发生了一定的改性;50℃时一所提木质素产率也可达到23.48%，所提取的木质素颜色较浅、颗粒较小且结构松散，改性程度较小，适于进一步利用。
液固比对木质素产率的影响较小，在6:1和14:1之间木质素产率仅有不到4%的变化，且数据较为波动;其中液固比8:1时较为合适，木质素产率达到了16.88%提高磷酸加入量对于木质素提取没有明显的提升效果。这是由于提高磷酸加入量有利于纤维素的溶解，微观上讲，在磷酸中己经部分润涨溶解的纤维素链，遇到丙酮后发生聚合会阻碍木质素的溶出，因此提高磷酸量就会加剧这种现象的发生，且丙酮比例的降低也不利于木质素的提取;同时，在丙酮和磷酸一起存在时，由于木质素的网状分子结构本身也存在着解聚和再聚合的动态变化，导致产率不稳定的小幅波浪性变化。预浸时一间对于产率同样也有一定的影响，由10min延至60min时，产率提高了10.78%，达到21.57%;再继续处理60min后木质素产率仅提高4%，处理60min是较为合适的预浸时一间。
上述结果表明，反应温度对于木质素产率的影响最为显著，接下来是反应时一间，而反应固液比对于产率的影响相对较小。从改性程度、经济性和反应效率3个角度来综合考虑，最优提取条件为预浸温度500C、预浸时间60min以及液固比8:1。
2.2 碱法蒸煮法和有机溶剂法木质素提取结果
碱法蒸煮的目的主要在于脱除木质素以达到预处理效果。碱法蒸煮法处理木质纤维素时一，温度1600C时一木质素溶出速度为纤维素的12.6倍酚型月芳基醚链在各种连接形式中占据着主要的地位，它的断裂与否直接影响到蒸煮的速率。酚型月芳基醚键在NaOH蒸煮时，主反应是月质子消除反应和月甲醛消除反应，只有少量键在OH一对a碳原子的亲核攻击形成环氧化合物时才能缓慢断裂。HS-的电负性较OH一强，亲核攻击能力也强，能够迅速地形成环硫化合物而促使月芳基醚键断裂。因此，添加一定的HzS辅助蒸煮，可以提高木质素的提取速率和效率。
在有机溶剂预处理法中，借鉴了乙醇在制浆技术中的应用。脱木质素阶段无需添加助剂或催化剂，仅靠木质纤维素自身产生的乙酸、糖醛酸等作为催化剂，即可一定程度上实现酸催化脱木质素的过程。
在自催化乙醇法制浆和Alcell工艺中，不需要添加助剂或催化剂，但所需制浆温度较高，高于1800C才能有效地脱除木质素。丙酮在相对较低的温度下即可溶解原料中的部分木质素，因此，在乙醇脱木质素过程中加入丙酮，可以在60℃的反应温度下脱除部分木质素，减少了较高温度下会出现的抑制物产生和木质素改性。
表2中选取了两种方法的相对较优土况。在此土况下，碱法蒸煮的木质素产率为9. 58%，而有机溶剂法的木质素产率也仅为13.47%。相比较而言，磷酸丙酮法在50℃下处理1 h，木质素产率可达21.57%，且木质素改性程度相对较小，经过简单的减压蒸馏还可实现溶剂的回收利用。温和条件下的磷酸丙酮法对纤维素成分有一定的作用，引起纤维素的无定形化，由于纤维素在整体结构中占据着最主要的比例，同时一也是木质纤维素的主体骨架结构，所以加入丙酮后对木质素的提取是两种效应的协同作用，木质素提取效果较为明显。而有机溶剂法和碱法蒸煮法仅针对木质素的直接提取，整个过程中纤维素骨架的变化很小，木质素的提取效果较为有限。
2.3 木质素红外吸收光谱分析
针对4种方法所提取木质素进行微观结构表征，综合总图谱(图1)和指纹区图谱(图2)可以看出，木质素分子的官能团变化。4种木质素的吸收峰位置和峰形大致相似，具有木质素红外光谱的特征吸收峰。但在某些具体吸收峰处，却存在着一定的吸收差异。3400cm处为芳香族酚轻基的伸缩振动，2925和2850cm处为脂肪族甲基和亚甲基的C-H键伸缩振动，图1表明，除了国标法中硫酸的高温酸解会导致木质素脂肪链的很大改性，其它3种木质素的吸收均较为明显。1710cm处为非共扼拨基的伸缩振动，来自于阿魏酸的梭基吸收，碱法蒸煮法在此处吸收峰的消失说明阿魏酸发生了一定的结构变化。
图2表明，4种木质素在1608,1507和1463cm处均有不同程度的吸收，这个吸收峰是芳香苯丙烷的骨架振动引起的，说明4种木质素均为典型的木质素结构。图中可看出，磷酸丙酮法和有机溶剂法所提取木质素的吸收较为明显，改性程度也相对较小。1270cm处为愈创木基甲氧基C-0键的振动，852cm处为愈创木基芳香环中C-H键的面外弯曲振动，1230和1324cm处均为紫丁香基中芳香核C-0键的伸缩振动，1120cm处为紫丁香基芳香环中C-H键的面内弯曲振动。在这些木质素典型单体的吸收峰处，磷酸丙酮木质素的吸收相对最为显著。
4种木质素的改性程度排序为:磷酸丙酮法<有机溶剂法<碱法蒸煮法<国标法。图2表明，磷酸丙酮木质素在特征吸收峰1608,1507和1463cm(芳香苯丙烷骨架振动)处具有最强的吸收信号，在1650cm处还存在着共扼拨基吸收峰，经过反应条件温和的磷酸丙酮法处理后，木质素的分子结构并未显著变化，特征吸收峰波数范围内也没有出现新的吸收谱带，说明这种木质素的改性程度相对最小。
国标法和碱法蒸煮对木质素的改性程度较大，不仅导致在一些特征吸收峰处吸收的消失，也导致了光吸收程度的减小，部分吸收峰甚至还发生了蓝移，向高波数方向发生移动，这2种木质素的改性程度较大。
2.4 木质素核磁共振氢谱表征
将4种木质素溶于DMSO进行预处理，随后分析核磁共振氢谱。木质素较大的分子量和复杂的空间立体结构会导致分子的自由运动受到一定阻碍，质子信号峰有所重叠，加上自旋一自旋偶合和空间影响等效应，核磁共振氢谱中的谱峰显得较宽。
在图3磷酸丙酮图谱中，83.3处信号峰来自溶剂DMSO中水的质子，52.5处的2个较强信号峰来自溶剂DMSO中的质子，86.1-5.7是月结构中醚键的质子吸收峰区域，木质素大分子水解后会形成新的醇轻基和酚轻基;a-0结构中的H。会在85.0-4.6显示出2个小的吸收峰是乙酞化的酚轻基质子吸收峰，82.2-2.0是乙酞化的醇轻基质子吸收峰，这表明木质素中存在着一定数量的轻基。s2.o一1.2之间是木质素侧链上脂肪族烷基链上的质子吸收峰，而在2.一0.8之间还存在着木聚糖乙酞基上质子所产生的信号峰。这些化学位移处的吸收峰表明，磷酸丙酮法所提取的木质素改性程度不大，相关官能团在典型的化学位移处均有一定程度的吸收。
图3中，A,B,C分别为有机溶剂法、碱法蒸煮法和国标法所提取木质素的‘H NMR图谱，特征吸收峰处的吸收较小甚至消失，吸收峰的位置也发生了一定的变化，木质素的改性程度较大。对比发现，磷酸丙酮木质素与相关木质素研究图谱的吸收峰的位置和形状最为接近，具有相对较小的改性程度和较高的经济价值，进一步开发利用可以有效提升纤维乙醇整体土艺的经济性。
3 结论 通过磷酸丙酮法对杨木粉末进行预处理，以8:1(mL:g)的磷酸原料液固比在50℃下预浸60 min时一木质素产率可达21.57%，所提取木质素颜色较浅、颗粒较小、结构松散，改性程度较小，适于进一步利用。碱法蒸煮法和有机溶剂法所提取木质素仅占9.58%和13.47%，且改性程度较大。通过红外吸收光谱表征，磷酸丙酮木质素在1608,1507和1463cm等处具有相对最强的吸收信号，在1650cm处还存有共扼拨基吸收峰;通过核磁共振氢谱表征，发现磷酸丙酮木质素在特征化学位移处均有明显的吸收，表明了低温常压预处理后的磷酸丙酮木质素具有相对较小的改性程度，利用前景优于其它木质素研究对象。从木质素产率和木质素改性程度的角度出发综合分析，磷酸丙酮预处理法可以有效提升土艺过程中木质素的附加值，进一步提高纤维乙醇土艺的整体经济性。
