库 松, 谭雪松, 李润东, 庄新姝*, 袁振宏,3

(1.沈阳航空航天大学 能源与环境学院, 辽宁省清洁能源重点实验室, 辽宁 沈阳 110136；2.中国科学院 广州能源研究所，中科院可再生能源重点实验室，广东 广州 510640；3.生物质能源河南省协同创新中心，河南 郑州 450002)

木质纤维素类生物质是地球上储量最为丰富的一种生物质资源[1]，包括农林废弃物(玉米秸秆、稻秆、木屑等)及能源作物(狼尾草、柳枝稷等)等，其主要组分包括纤维素、半纤维素和木质素。因化石能源的不可持续性和环保要求，利用可再生的木质纤维素类生物质生产高附加值平台化合物已经成为研究热点。杂交狼尾草是一种高秆暖季型多年生草本植物，具有产量高、抗逆性强、品质优良、对土壤要求较低、耐高温和供草期长的特点，近年来被用作能源类作物广泛种植[2-6]。糠醛(FF)是一种重要的化学品，广泛应用于合成橡胶、树脂、医药和农药等领域。乙酰丙酸(LA)是美国能源部认定的12种最具竞争力的生物质基平台化合物之一，能进一步转化为γ-戊内酯、2-甲基-四氢呋喃等[7]。

木质纤维素类生物质原料中的纤维素可先水解为己糖(主要为葡萄糖)，然后继续降解为5-羟甲基糠醛(HMF),在酸存在条件下，HMF开环分解为甲酸和乙酰丙酸[8]；而半纤维素则先水解为戊糖(主要为木糖)，然后戊糖经催化脱水得到糠醛[9]。然而，糠醛和乙酰丙酸如同时制备则难以分离。而由有机相和水相构成的两相体系可实现2种产物在反应时的高效分离，从而解决糠醛和乙酰丙酸同时制备时难以同时高效分离的难题。Choudhary等[10]在水/甲苯体系中以HCl和CrCl3共催化木糖水解，获得了76%的糠醛得率。Zuo等[11]研究了用磺化氯甲基聚苯乙烯固体酸催化纤维素转化为乙酰丙酸，以γ-戊内酯和水(质量比9 ∶1)作为溶剂，温度170 ℃，反应10 h，乙酰丙酸最高得率达到65.5%。Lappalainen等[12]采用水-甲苯两相体系催化硫酸预处理后的松木屑转化为糠醛和乙酰丙酸，AlCl3为附加催化剂，松木屑研磨6 h、微波加热180 ℃、30 min可获得乙酰丙酸最高得率为38%；研磨4 h、微波180 ℃、20 min可得到最高糠醛得率85%。另外，两相体系还可以有效提升产物产率、缩短工艺流程，节约生产成本。

水合熔盐作为一种新型的类离子液体绿色溶剂，具备一定的路易斯酸特性，在高浓度金属盐和无机酸催化剂协同作用下，可以有效降低反应所需能量和酸添加量[13]。选择一种高沸点有机溶剂作为萃取相，可以在反应进行时不断分离且保护糠醛，使糠醛在更高温度下溶解于萃取相而不被降解，同时乙酰丙酸在高温下生成，保证糠醛和乙酰丙酸的同时合成与积累。反应完成后，糖类和酸类产物溶解在水相中，醛类产物主要在有机相中，有机相、水相、木质素残渣较易实现有效分离；醛、酸产物进一步分离后的水相和有机相回收再利用，可减少溶剂成本。因此，为减少色素、油脂等提取物对反应的影响，本研究以抽提后的杂交狼尾草为原料，选取高糠醛、低乙酰丙酸萃取率的高沸点邻苯二甲酸二乙酯为溶剂，构建两相溴化锂水合熔盐体系，考察温度、酸浓度、反应时间、有机相体积等条件对糠醛、乙酰丙酸得率的影响，以期为同步制备醛、酸提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

杂交狼尾草，2019年6月采自广东省广州市增城试验基地，经自然干燥后将其切割成3～4 cm的小段，在粉碎机中粉碎约2 min，置于105 ℃烘箱中烘干至质量恒定，筛取250～425 μm原料放在自封袋中保存备用。

糠醛(FF)、乙酰丙酸(LA)、环戊基甲醚(CPME)、5-羟甲基糠醛(HMF)、甲苯(TL)、甲基异丁基甲酮(MIBK)、邻苯二甲酸二乙酯(DPA)和溴化锂，均为分析纯，购于上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 杂交狼尾草的抽提预处理

为减少反应副产物的生成，采用索氏抽提法去除杂交狼尾草中的色素、油脂和部分水溶性物质，具体如下：将5 g绝干杂交狼尾草用滤纸包裹放入索氏抽提器，依次用甲苯-乙醇、无水乙醇、去离子水抽提24 h以上至回流管中液体无色为止，得到抽提后的杂交狼尾草，置于真空干燥箱中烘干至质量恒定后备用。

1.3 糠醛和乙酰丙酸在有机溶剂中的分配系数分析

配制糠醛和乙酰丙酸的1.5 g/mL溴化锂溶液(糠醛0.005 g/mL，乙酰丙酸0.005 g/mL)，向配制好的标准溶液中分别加入与溴化锂水合熔盐溶液等体积的萃取剂(环戊基甲醚、甲苯、甲基异丁基甲酮、邻苯二甲酸二乙酯)，在室温下加入磁力转子搅拌60 min混合，静置分层24 h后得到萃取相(富含糠醛)和萃余相(富含乙酰丙酸)；萃取相和萃余相分别用无水乙醇和去离子水稀释至体积为原体积6倍后进入高效液相色谱(HPLC)仪分析，计算得到萃取相和萃余相中的糠醛和乙酰丙酸质量，二者在两相系统中的分配系数计算公式如下：

1.4 糠醛和乙酰丙酸的制备

分别在100 mL质量浓度1.5 g/mL溴化锂溶液中加入质量分数98%硫酸0.5、 1.0、 1.5和2.0 g，制得硫酸浓度为0.05、 0.10、 0.15和0.20 mol/L的酸性溴化锂溶液。

分别取1 g抽提后的杂交狼尾草置于150 mL耐压瓶中，加入不同浓度的酸性溴化锂溶液20 mL，然后按照酸性溴化锂溶液与有机溶剂的不同体积比(即水油体积比)向耐压瓶中加入有机溶剂DPA，耐压瓶中加入磁力转子并拧紧瓶盖。油浴锅设定转速为600 r/min，升温至指定温度后将密封耐压瓶放入，开始计时，到达120 min取出耐压瓶，置于冰水中快速冷却至室温后取出。将耐压瓶中的反应物置于100 mL G3漏斗中真空抽滤，滤液分离至离心管，滤渣被截留在砂芯漏斗中。滤液经高速离心机4 500 r/min离心10 min后分别得到上层有机相和下层溴化锂水合熔盐相；滤渣先后用50 mL无水乙醇和50 mL 60 ℃去离子水抽滤清洗，重复操作3次，清洗后的滤渣于105 ℃烘干至质量恒定后进行成分分析，每组反应重复3次。

实验过程中研究了硫酸浓度(0～0.20 mol/L)，酸性溴化锂溶液与有机溶剂的体积比即水油体积比(4 ∶0、 3 ∶1、 2 ∶2和1 ∶3)，反应温度(100～180 ℃)和反应时间(0～240 min)对产物得率的影响。

1.5 产物的分析

1.5.1化学组分分析 原料及抽提预处理后的杂交狼尾草的化学组成均参考美国可再生能源实验室标准[14]测定。

1.5.2HPLC分析 采用Waters 2498高效液相色谱仪进行测定。将上层有机相用无水乙醇稀释、下层水合熔盐相用去离子水分别稀释至体积为原体积的6倍后测定并计算葡萄糖、木糖、糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸的含量。测定条件为：Shodex sugar SH-1011色谱柱(300 mm×8 mm，6 μm)，柱温50 ℃，以 0.005 mol/L H2SO4为流动相，流量 0.5 mL/min，UV-RI和RI 检测器，温度为 50 ℃。

1.5.3产物得率的计算 以抽提后的杂交狼尾草中半纤维素水解所得戊糖理论物质的量为基准计算木糖(戊糖)和糠醛得率，以纤维素水解所得己糖理论量为基准计算葡萄糖(己糖)、5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸的得率，产物得率计算公式如下：

Y=n/n0× 100%

(1)

式中：Y—产物得率，%；n—HPLC检测到的两相中某种产物的物质的量，mol；n0—抽提后的杂交狼尾草中半纤维素(纤维素)水解所得戊糖(己糖)理论物质的量，mol。

2 结果与讨论

2.1 化学组分分析

杂交狼尾草原料组成：纤维素42.31%、半纤维素25.52%、酸不溶木质素18.31%和灰分3.83%。经甲苯-乙醇(体积比2 ∶1)抽提后，杂交狼尾草质量减少8.37%，组成为纤维素45.28%、半纤维素27.52%、酸不溶木质素19.58%和灰分2.65%，由数据可知抽提处理使杂交狼尾草中纤维素、半纤维素、酸不溶木质素三要素组分在原料中相对含量增加，可有效减少后续反应中副产物的生成。

2.2 两相中有机溶剂的选择

为选择合适的有机溶剂，比较邻苯二甲酸二乙酯等常见有机溶剂在两相体系中对糠醛和乙酰丙酸的萃取性能，结果见表1。由表1可知，MIBK对糠醛和乙酰丙酸都具有较好的萃取性能，因而对二者的分离不利。DPA的糠醛萃取性能优于CPME和TL，对乙酰丙酸的萃取率高于CPME和TL，但其安全性和经济性均好于二者，因此选择DPA作为两相萃取溶剂。

表1 糠醛和乙酰丙酸在不同有机溶剂中的分配系数

2.3 反应条件对糠醛和乙酰丙酸产率的影响

2.3.1反应温度 在1 g抽提后的杂交狼尾草中加入20 mL酸性溴化锂溶液，反应时间60 min、硫酸浓度为0.05 mol/L，水油体积比为1 ∶1条件下，按1.4节操作，考察反应温度对产物糠醛和乙酰丙酸得率的影响，结果如图1(a)所示。

由图可知，杂交狼尾草中纤维素和半纤维素的转化过程可分为3个阶段：1) 100～120 ℃，体系中木糖水解为糠醛并迅速积累至44.11%，此时乙酰丙酸没有生成；2) 120～140 ℃，木聚糖浓度的降低导致糠醛生成速度放缓，糠醛得率为54.90%，此阶段乙酰丙酸开始生成，得率为3.60%；3) 140～180 ℃，糠醛得率逐步趋于稳定且有开始下降的趋势，160 ℃时糠醛得率达到最高点为59.29%，而乙酰丙酸则随着温度的增加不断积累，180 ℃时得率为11.87%，在整个升温过程中，5-羟甲基糠醛作为中间产物未出现明显积累，而葡萄糖和木糖得率不断降低，逐渐水解完全产生乙酰丙酸和糠醛等产物。

由此可见,第一阶段，100～120 ℃，大部分的半纤维素已经完全水解糖化成木糖，并继续脱水生成糠醛，糠醛在这一阶段迅速积累；第二阶段，120～140 ℃，由于第一阶段木糖的大量消耗，导致糠醛生成速度逐渐放缓，160 ℃时糠醛得率达到最高值；第三阶段，140～180 ℃，大部分可转化的木糖消耗殆尽，温度的升高导致糠醛继续分解，使糠醛得率下降。由本研究结果可知，在两相水合熔盐体系中，水解抽提后的杂交狼尾草160 ℃时可取得较高的糠醛得率。而乙酰丙酸生成和积累所需的能量高于糠醛，在逐渐升温至180 ℃的过程中，乙酰丙酸得率均体现出正相关的趋势。考虑到产物得率及能耗的影响，选择160 ℃作为同步产糠醛和乙酰丙酸的较佳温度。

2.3.2硫酸浓度 在杂交狼尾草水解过程中，除了溴化锂水合熔盐本身电离以及水合离子极化作用形成的质子酸的酸性以外，外加无机酸作为催化剂，两者存在一定的协同作用[15]，可共同为纤维素和半纤维素的水解和脱水提供酸性环境。在溴化锂水合熔盐体系中，一方面，无外加无机酸环境下，纤维素水解效率较低，初始无机酸浓度的增加可以有效提高水解效率[16]，然而浓酸的腐蚀性较强，采用浓酸水解时必然对设备材质要求很高；另一方面，从经济性考虑浓酸必须进行回收，浓酸的分离和再浓缩也会增加工艺的复杂程度。因此，本研究在1 g抽提后的狼尾草中加入20 mL酸性溴化锂溶液，反应温度160 ℃，反应时间60 min，水油体积比为1 ∶1条件下，考察硫酸浓度对抽提后的杂交狼尾草制备糠醛和乙酰丙酸的影响，结果如图1(b)所示。

由图可知，对于糠醛而言，硫酸浓度对其产率的影响很大，当硫酸浓度为0～0.05 mol/L时糠醛迅速产生并达到最高点为59.29%；当硫酸浓度为0.05～0.15 mol/L时糠醛不断分解，导致得率不断下降，降至34.22%；而当硫酸浓度为0.15～0.2 mol/L，由于有机溶剂对糠醛的保护，糠醛得率趋向于稳定不再下降。对于乙酰丙酸而言，其得率的增加依赖于反应强度的增加，因此在此反应条件下，酸浓度增加与乙酰丙酸的得率显示出正相关的关系，但增长的趋势不明显；在无酸条件下，糖、醛、酸三类产物得率均较低，而加入0.05 mol/L硫酸后，糠醛得率大幅升高，且生成反应所需能量较高的乙酰丙酸开始积累，说明少量硫酸的加入即可大大改善体系的水解环境，而随着酸浓度逐渐升高，单糖和醛类的得率均出现下降，说明体系中聚糖已经消耗殆尽，继续升高酸浓度所提供的[H+]超出反应所需。因此，兼顾糠醛和乙酰丙酸的得率，同时考虑酸浓度对设备的腐蚀以及后续处理带来的压力，选择0.05 mol/L硫酸浓度即可满足反应要求。

2.3.3反应时间 反应产物的积累需要足够的反应时间，但过长的时间又会造成产物的降解，导致产物得率的降低且消耗多余的能量。在1 g抽提后的狼尾草中加入20 mL酸性溴化锂溶液，硫酸浓度0.05 mol/L，反应温度160 ℃，水油体积比为1 ∶1条件下，考察反应时间对抽提后的杂交狼尾草制备糠醛和乙酰丙酸的影响，结果如图1(c)所示。

由图可知，糠醛在反应15 min时就开始大量积累，得率为51.69%，反应120 min时达到最高得率65.17%。反应240 min，糠醛得率略有下降，这是因为半纤维素在酸性环境中水解较快，能在相对高温下短时间(15 min)内迅速脱水产生糠醛，并逐渐降解完全，使糠醛得率达到最大值，而后生成的糠醛随着时间延长(120 min之后)开始降解导致得率的缓慢降低。对于乙酰丙酸而言，其得率随反应时间的变化趋势同酸浓度和温度的影响类似。随着水解反应强度的增加，纤维素水解产生的葡萄糖以及后续产生的HMF逐渐脱水降解生成乙酰丙酸，直至本反应结束仍未达最高得率。而葡萄糖和木糖在120 min后得率趋向于稳定，即反应时间的延长对于体系中单糖的继续水解没有实质效果。考虑到实际工艺需要和能耗的影响，反应时间定为120 min。

2.3.4有机相体积 在两相体系中，有机相的存在主要是保护糠醛的持续生成，使反应朝着正向持续进行。在体系总体积不变的情况下，油相体积的增加，必然导致原料和酸性溴化锂溶液固液比的变小，抑制生物质水解糖化反应的进行，因此需要考察水油体积比的变化对反应产物得率的影响。在硫酸浓度0.05 mol/L，反应温度160 ℃，反应时间120 min条件下，两相总体积40 mL，考察了水油体积比分别为4 ∶0,3 ∶1,2 ∶2和1 ∶3(即有机相体积为0、 10、 20和30 mL)时对抽提后的杂交狼尾草制备糠醛和乙酰丙酸的影响，结果如图1(d)所示。

a.反应温度temperature; b.酸浓度acid concentration; c.反应时间reaction time; d.有机相体积organic phase volume

由图1(d)可知，有机相体积0～10 mL，糠醛得率由13.98%迅速升高至60.74%，但乙酰丙酸产率上升趋势不明显；有机相体积在10～30 mL时，糠醛得率在有机相为20 mL时达到最高65.17%，且基本维持稳定，而乙酰丙酸得率由最高41.30%迅速下降至2.97%，即水油体积比变化引起了原料和水合熔盐固液比的变化，导致原料中纤维素和半纤维素与溶液中[H+]接触几率的变化。因此，随着有机相体积的增加，葡萄糖、木糖和HMF的得率呈现明显升高的趋势，说明体系的反应强度在逐渐下降；较高的反应温度使半纤维素在很短时间内水解完全，随着反应时间延长糠醛逐渐降解，因此有限有机相体积的增加有利于糠醛生成和积累；另一方面，酸性溴化锂溶液体积的增加有利于乙酰丙酸的生成，即有机相体积较少时，LA得率较高。因此有机相体积高于10 mL(水油体积比3 ∶1)，乙酰丙酸得率迅速下降；当有机相体积为30 mL(水油体积比1 ∶3)时，在反应结束后有84.4%的糠醛溶解于有机相中，而93.70%乙酰丙酸产物溶解于水合熔盐相中。综合考虑，若选择以糠醛为主要目标产物时，有机相的体积选为20 mL(即水油体积比1 ∶1)，此时糠醛得率为65.17%，同时乙酰丙酸得率为10.48%，其中85.7%的糠醛溶解于有机相，而97.2%乙酰丙酸产物溶解于水合熔盐相；若选择以乙酰丙酸为主要目标产物时，有机相体积为10 mL(即水油体积比3 ∶1)时，糠醛得率为60.74%，乙酰丙酸得率可达41.30%。

3 结 论

3.1杂交狼尾草经甲苯-乙醇(体积比2 ∶1)抽提后，纤维素、半纤维素和酸不溶木质素三组分在原料中相对含量增加，可有效减少制备糠醛和乙酰丙酸反应中副产物的生成。比较环戊基甲醚(CPME)、甲苯(TL)、甲基异丁基甲酮(MIBK)和邻苯二甲酸二乙酯(DPA)在两相体系中对糠醛和乙酰丙酸的萃取性能，综合考虑安全性、经济性和萃取性能，选择邻苯二甲酸二乙酯作为两相体系的有机相。

3.2以甲苯-乙醇抽提后的杂交狼尾草为原料，在含硫酸浓度0.05 mol/L的酸性溴化锂水合熔盐和邻苯二甲酸二乙酯组成的两相体系中反应，考察了水解制备糠醛和乙酰丙酸的最佳工艺条件：1 g抽提后的杂交狼尾草，加入硫酸浓度0.05 mol/L的酸性溴化锂溶液，2者固液比1 ∶20(g ∶mL)，加入有机相邻苯二甲酸二乙酯20 mL，在160 ℃、120 min的条件下反应，糠醛得率最高达65.17%，同时乙酰丙酸得率10.48%，同时糠醛产品超过80%溶解于有机相中，乙酰丙酸超过90%溶解于水合熔盐相中；相同条件下，当酸性溴化锂溶液为30 mL，有机相体积为10 mL时糠醛得率60.74%，乙酰丙酸得率最高41.30%。由此可见，两相水合熔盐体系可以实现木质纤维素类生物质同时较高效制备糠醛和乙酰丙酸且实现产品的有效分离，为生物质同步制备糠醛和乙酰丙酸的进一步研究提供借鉴。