漆酶處理對堿木素熱塑加工過程中VOCs揮發量的抑制作用

裴繼誠，張 穎，王嵌嵌，李 靜，余成華

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

揮發性有機物(VOCs)是指沸點在50～260,℃內，室溫下飽和蒸氣壓超過133.3,Pa，以蒸氣形式存在于空氣中的一類有機物[1].VOCs 種類多樣，主要有苯系物、有機氯化物、石油烴化合物、有機酮、胺、醇、醚、酯、酸等.長期處于高濃度VOCs 的環境中，對人體健康有巨大影響；VOCs 排放到大氣中，則會引起大氣的溫室效應、臭氧層空洞和空氣污染等問題.現今，VOCs 作為室內及大氣污染物的主要成分，引起了越來越多研究者的重視[2].

在眾多資源中，生物質能源因其來源豐富、價格低廉而備受人們關注.木素(lingin)和纖維素(cellulose)作為植物生物質的主要成分，正以每年約1,640 億噸的速度不斷再生，如與石油進行能量換算，相當于現今石油年產量的15～20 倍[3].木素作為制漿造紙的副產品從制漿廢液中分離出來，基于其可再生性和反應活性等特點，在建筑工程、石油工業、農業及高分子材料等方面的應用已經受到了人們的關注[4].但是，無論是木素本身還是在其熱塑加工生產過程中都會產生VOCs，這就限制了木素資源的應用領域，尤其是在室內材料上的應用.硫酸鹽木素中的VOCs 主要成分為木素蒸煮過程中降解形成的小分子酚類物質(愈創木酚、紫丁香酚、對羥基苯酚等)和硫化產物，它們易揮發到空氣中，對人體及環境產生危害[5].

漆酶是一種含銅氧化酶，可以催化氧化多酚、氨基苯酚、多胺、芳香胺等多種物質，也可以催化木質纖維表面的木素底物氧化[6]，被認為是最有應用前景的木素氧化酶.有研究[7]表明，漆酶催化氧化木素過程中，氧化木素中酚型單元成為酚氧自由基，生成的酚氧自由基再進一步誘導木素大分子發生縮合或降解反應.本文利用漆酶催化氧化原理處理楊木硫酸鹽木素，考察漆酶對木素熱塑加工過程中VOCs 揮發量的作用效果，同時對漆酶在該過程中的作用方式進行了研究.

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

漆酶(酶活 1,070,U/mL)，商品號 Novozyme 51003，諾維信公司(Novozyme A/S)；楊木堿木素，實驗室自制.

頂空氣相色譜儀(HS-GC，7890A 型氣相色譜儀、G1888 型頂空進樣器)，安捷倫儀器技術有限公司；MS4000 型氣相色譜–質譜儀(GC-MS)，美國瓦里安技術有限公司；TG/DTA 6200 型熱失重分析儀，精工電子納米科技有限公司；LGJ–12 型冷凍干燥器，北京松源華興科技發展有限公司；VISCOTEK GPC max 型凝膠滲透色譜儀，美國威斯克泰公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 堿木素漆酶處理

稱取1.00,g 堿木素于燒杯中，用10,mL 質量分數0.5%的NaOH 溶液溶解后加入100,mL 醋酸–醋酸銨緩沖液(pH＝4～5)，漆酶用量(相對于木素質量)50,U/g，在不斷鼓入空氣的條件下置于45,℃水浴裝置中恒溫處理2,h.反應結束后，用硫酸溶液調節漿料的pH 為3，使木素析出，過濾.濾液裝瓶待用，木素經洗滌后冷凍干燥.

1.2.2 木素HS-GC 分析

準確稱取0.010,0,g 冷凍干燥的木素于頂空瓶中，采用HS-GC 對木素中VOCs 揮發量進行檢測.

頂空進樣器條件：樣品平衡溫度150,℃；定量環溫度 160,℃；傳輸線溫度 165,℃；樣品平衡時間25,min.

氣相色譜條件：HP-5 毛細管色譜柱(30,m×0.32,mm×0.25,μm)；進樣口溫度250,℃；分流比1∶1；色譜柱流量4,mL/min；柱箱起始溫度40,℃，保持5,min，以20,℃/min 升溫到250,℃，保持5,min；FID檢測器.

1.2.3 木素反應濾液中酚類物質GC-MS 檢測

取木素反應后濾液50,mL 于分液漏斗中，用二氯甲烷以體積比1∶1 的比例進行萃取.待分相完全，接取有機相，水相再用同等體積比的乙酸乙酯萃取，萃取完畢接取有機相，并與二氯甲烷萃取液混合，用旋轉蒸發器將有機相濃縮，干燥.用正己烷溶解萃取物，進氣相色譜質譜聯用儀檢測[8–9].

GC-MS 檢測條件：VF-5,ms 毛細管色譜柱(30,m×0.25,mm×0.25,μm)；進樣口溫度320,℃；程序升溫過程起始溫度80,℃，保持5,min，8,℃/min 升溫至320,℃，保持2,min；采用高純氦氣作為載氣，流量為1,mL/min；分流比5∶1；掃描方式：全掃描/離子掃描；掃描相對分子質量范圍50～500.

1.2.4 木素TGA 分析

樣品檢測用量為5,mg，以高純度氮氣作為載氣，流量為220,mL/min，檢驗過程以10,℃/min 的升溫速率從30,℃升溫至600,℃.

1.2.5 木素相對分子質量檢測

木素經乙?；幚砗?，采用凝膠滲透色譜儀對其相對分子質量進行檢測.以四氫呋喃作為流動相，使用多角度靜態光散射器檢測其相對分子質量.

2 結果與討論

2.1 堿木素熱塑過程中VOCs揮發量HS-GC分析

堿木素色度深，氣味大，成分含量十分復雜.頂空氣相色譜是根據封閉容器(樣品瓶)中非揮發性母體內揮發性樣品的氣液平衡變化而開發出來的一門新的檢測技術.頂空氣相色譜能對復雜樣品中各種揮發性組分進行檢測分析，對于產品的質量控制、環境污染物的預測和操作過程的監測具有重要意義[10].實驗采用頂空氣相色譜對木素VOCs 的揮發量進行定量分析.圖1、圖2 分別為木素空白樣與漆酶處理樣的氣相色譜圖.

圖1 空白樣木素VOCs氣相檢測色譜圖Fig.1 VOCs gas chromatogram of controlled lignin sample

圖2 漆酶處理樣木素VOCs氣相檢測色譜圖Fig.2 VOCs gas chromatogram of laccase-treated lignin sample

對比圖1 和圖2 可知，經漆酶處理后木素中揮發性物質有較明顯的減少，在出峰時間為5.513,min 位置的揮發性物質減少作用最為明顯.對所得色譜圖峰面積進行積分處理，數據見表1.

表1 木素VOCs含量(峰面積)Tab.1 The content of VOCs in lignin(peak area)

木素在漆酶處理后，其 VOCs 揮發量減少35.7%，其中出峰時間為5.513,min 的物質其揮發量減少78.2%.Kalliola 等[5]曾用漆酶在微酸性條件下處理硫酸鹽木素，結果表明，經漆酶處理的硫酸鹽木素中的低相對分子質量揮發性酚類物質含量減少.由此推斷，出峰時間為5.513,min 的物質與酚類物質有密切的關聯.

2.2 木素反應濾液中酚類物質GC-MS檢測

木素HS-GC 分析結果推測，木素熱塑過程中VOCs 的減少與木素中酚類物質有關.為此，實驗對木素濾液中的酚類物質進行定量檢測及定性分析，驗證漆酶處理木素的方式.圖3 和圖4 分別為空白樣和漆酶處理樣木素反應濾液GC-MS 檢測的總離子流色譜圖.兩圖對比可知：經漆酶處理后，木素反應液中的酚類物質的量及種類都有一定的減少.尤其是對木素中的香草醛(a)、4–乙?；鷦撃痉?b)、4–羥基苯甲酸(c)、丁香醛(d)、乙酰丁香酮(e)等酚類物質去除作用最為明顯.

圖3 空白樣木素反應液中酚類物質檢測離子流色譜圖Fig.3 Ion chromatogram of phenolic compounds in the filtrate of controlled lignin sample

圖4 漆酶處理樣木素反應液中酚類物質檢測離子流色譜圖Fig.4 Ion chromatogram of phenolic compounds in the filtrate of lignin treated with laccace

對GC-MS 檢測出的酚類物質進行峰面積積分統計，得到表2 數據.由表中數據可以看出：楊木堿木素反應液中的小分子酚類物質主要是紫丁香基型，占總檢測物的 48.2%；愈創木基型，占總檢測物的13.7%；對羥基苯酚型，占總檢測物的10.5%.經漆酶處理后，紫丁香基型酚類物質減少46.3%，對愈創木基型酚類物質減少70.1%，對羥基苯酚型的酚類物質減少89.5%，總的酚類物質去除率為57.0%.說明漆酶對酚類物質有較好的去除作用.

表2 木素反應液中酚類物質檢測結果Tab.2 GC-MS test results of phenolic compounds in the filtrate

2.3 木素TGA分析

熱重分析法能對木素樣品的熱分解性能進行研究，通過熱失重比例的大小和熱失重的速率可間接地反映出木素在熱塑過程中揮發性物質的揮發量及揮發的速率.圖5 是木素空白樣及漆酶處理樣的TG 和DTG 曲線圖.

圖5 木素TG和DTG分析圖Fig.5 TG and DTG analysis of lignin

由TG 曲線可以看出，木素熱失重過程主要分為3個階段：第1 階段，200,℃以下，木素的熱失重現象不明顯，揮發成分主要是木素中易揮發的小分子物質；第2 階段，200～500,℃，木素熱重曲線有一個很大的失重峰，可知木素在200～500,℃，揮發性物質的揮發量最大，在這個溫度范圍內，木素中的有機物發生熱解，產生大量的揮發性物質，這是造成木素失重的主要原因；第3 階段，500～600,℃，木素失重現象趨于平緩，此時木素中的有機物裂解幾近完全，失重現象不明顯，溫度到達600,℃時，木素熱重基本穩定，主要殘留物是碳化過程形成的炭和木素中的堿金屬鹽，有機物已分解完全[11].

木素的玻璃轉化點在105～190,℃，也就是木素作為應用材料進行熱塑加工過程的溫度[12].實驗選用木素熱塑加工過程中相對較高的190,℃，考察在此溫度下木素VOCs 的揮發量.同時，用600,℃高溫下木素的熱重分析結果間接表征木素中有機物含量.實驗數據列于表3.

表3 木素熱重分析數據Tab.3 TG data analysis of lignin

由表3數據可知：在加熱溫度為190,℃時，漆酶處理后木素比空白樣木素殘余物質量分數高出0.9%.也即經漆酶處理后，木素在190,℃下揮發出物質的量要比未經處理的木素在此溫度下揮發出物質的量少0.9%.而在加熱溫度為600,℃時，經漆酶處理后，木素的殘余物質量分數要比木素空白樣低0.7%.也即經漆酶處理后，木素中的有機物含量要高出空白樣0.7%.

結合GC-MS 分析結果與TGA 數據可以推斷，經漆酶處理后，黑液中的小分子酚類物質與大分子木素發生了聚合反應，木素中游離小分子酚類物質減少，從而導致木素在熱塑溫度下產生的揮發性物質減少.同時，由于小分子酚類物質的引入，導致黑液中有機物含量進一步增加.

2.4 木素相對分子質量GPC檢測

為驗證酚類物質是否與木素大分子發生了聚合，實驗采用凝膠滲透色譜儀對楊木堿木素進行相對分子質量檢測，檢測結果見表4.

表4 木素的相對分子質量及其多分散性Tab.4 Molecule weight and dispersity of lignin

由表4 可知，漆酶處理對木素相對分子質量有很大的影響.木素的漆酶處理樣的重均相對分子質量比空白樣的重均相對分子質量要高出24.9%，且木素漆酶處理后分散系數高于空白樣，而重均相對分子質量更能表征聚合物相對分子質量.說明木素經漆酶處理后相對分子質量分布發生了變化，且大相對分子質量的物質含量增多，即漆酶處理后導致了木素間相對分子質量的聚合，從而使木素相對分子質量增大.

3 結論

采用漆酶處理楊木堿木素能有效抑制木素熱塑過程中VOCs 的揮發量，VOCs 去除率可達35.7%，且主要是對木素中酚類物質的控制作用.在漆酶的作用下，木素中的小分子酚類物質接枝到了木素大分子上，導致木素中游離的小分子酚類物質含量減少，同時木素相對分子質量變大.由于游離的小分子酚類物質與木素大分子發生了接聚，致使木素在熱塑過程中VOCs 揮發量減少.

［1］沈迪新，胡成南.揮發性有機化合物污染的凈化技術[J].中國環保產業，2002(12)：33–35.

［2］Huang H，Haghighat F.Building materials VOC emissions：A systematic parametric study[J].Building and Environment，2003，38(8)：995–1005.

［3］陳洪章，李冬敏.生物質轉化的共性問題研究：生物質科學與工程學的建立與發展[J].纖維素科學與技術，2006，14(4)：62–66.

［4］王海洋，陳克利.木質素的綜合利用概況與分析[J].化工時刊，2004，18(4)：8–10.

［5］Anna Kalliola，Anne Savolainen，Taina Ohra-aho，et al.Reducing the content of vocs of softwood kraft lignins for material applications[C]//Proceeding of the 16th ISWFPC.Beijing：China Light Industry Press，2011：1102–1107.

［6］王國棟，陳曉亞.漆酶的性質、功能、催化機理和應用[J].植物學通報，2003，20(4)：469–475.

［7］孫媛芳.化機漿廢水中木素和多糖的酶催化聚合的研究[D].濟南：山東輕工業學院，2010.

［8］Silvestre A J D，Pereira C C L，Neto C P，et al.An easy assessment of the composition of low-molecular-weight organic components of industrial Eucalyptus globulus kraft black liquor[J].Journal of Pulp and Paper Science，2000，26(12)：421–427.

［9］汪蘋，余貽驥.麥草硫酸鹽漿黑液中酚類化合物的GC測定[J].北京輕工業學院學報，1985，3(1)：57–67.

［10］侯慶喜，柴欣生，朱俊勇.頂空氣相色譜在制漿造紙工業中的應用[J].中國造紙學報，2005，20(2)：198–202.

［11］武書彬，譚揚，郭伊麗，等.黑液的熱失重特性及其動力學分析[J].華南理工大學學報：自然科學版，2007，35(6)：59–63.

［12］Hüttermann A，Mai C，Kharazipour A.Modification of lignin for the production of new compounded materials[J].Applied Microbiology and Biotechnology，2001，55(4)：387–394.