通过温和乙醇萃取提取高β-O-4含量的木质素及其对解聚产率的影响

该方法针对木质纤维素生物质的关键组分——木质素的可再生资源利用领域中的一些关键问题进行了解答。此技术的主要优势在于，能够从不同的生物质来源中获得结构质量良好的木质素。该方法特别针对β-04连接结构。

同时，该方法可防止发生再冷凝过程，这一点非常重要，因为它能够抑制焦炭的形成。通过此方法，可以建立木质素提取工艺与解聚效率之间的关系。

通常，任何刚接触这些方法的人都会在操作流程以及四种木质素和解聚产物混合物的分析方面遇到困难。为制备切碎的核桃壳，需在锤式粉碎机的出口处配备一个5毫米筛网，并将核桃壳喂入锤式粉碎机中，用一个1升的玻璃烧杯收集破碎后的核桃壳。为获得研磨所需的小型核桃壳碎片，需将已破碎的核桃壳进一步喂入一台出口配备2毫米筛网的微型锤式粉碎机中，并用一个新的1升玻璃烧杯收集研磨后的核桃壳。

为了去除粉碎的核桃壳中的提取物，将150克壳样品加入含有搅拌子的500毫米圆底烧瓶中，并向烧瓶中加入200毫升甲苯。将回流冷凝器连接至烧瓶，并在油浴中剧烈搅拌下将混合物加热至111摄氏度的回流温度。两小时后，将烧瓶从油浴中取出，使混合物冷却至室温，然后通过直径为185毫米、孔径为10微米的滤膜过滤，以去除甲苯。

在80摄氏度、50毫巴压力下于真空烘箱中过夜加热后，将40克经甲苯处理的核桃壳颗粒加入含有七个直径为20毫米的二氧化锆研磨球的250毫升二氧化锆研磨碗中。向研磨碗中加入60毫升异丙醇。将研磨碗放入旋转球磨机中。

将壳颗粒进行四次研磨循环，每次循环包括2分钟、27×g条件下的研磨，随后休息4分钟。第四次研磨循环结束后，将细磨的核桃壳转移至500毫升圆底烧瓶中，在40 °C、125毫巴压力下通过旋转蒸发去除异丙醇。然后在50 °C、50毫巴压力下将核桃壳于真空烘箱中过夜干燥。

为了获得β-O-4含量最高的乙醇酸解木质素，将25克原料加入一个新的500毫升圆底烧瓶中，再向烧瓶中加入200毫升体积比为80:20的乙醇-水溶液、4毫升37%的盐酸溶液以及一个磁力搅拌子。将回流冷凝管连接至烧瓶，并在80摄氏度的油浴中加热混合物，同时剧烈搅拌5小时。待混合物冷却至室温后，通过直径为185毫米、孔径为10微米的滤筛将溶液过滤至另一个500毫升圆底烧瓶中，并用每次25毫升的乙醇对残留物进行4次洗涤。

在40摄氏度和150毫巴压力下，通过旋转蒸发浓缩收集的液体，随后将所得固体溶解于30毫升丙酮中。为沉淀木质素，将该混合物加入600毫升水中，并使用直径为185毫米、孔径为10微米的滤筛收集沉淀的木质素，每次用25毫升水洗涤，共洗涤四次。将木质素在室温下于滤器中风干过夜，随后转移至玻璃小瓶中，在50摄氏度和50毫巴压力下真空干燥过夜。

然后在天平上测定提取木质素的产率。若需通过二维核磁共振（NMR）分析木质素结构，将60毫克干燥木质素溶解于0.7毫升氘代丙酮中，并将该混合液加入NMR管。将该NMR管放入核磁共振波谱仪中，设定所需参数，以获得合适的二维质子异核单量子相干谱。

进行木质素解聚时，将50毫克干燥的木质素加入一个配有磁力搅拌子的20毫升微波反应小瓶中，随后向小瓶中加入0.85毫升1,4-二氧六环、50微升溶于1,4-二氧六环的乙二醇以及50微升溶于1,4-二氧六环的十八烷。关闭容器后，在搅拌条件下将溶液加热至140摄氏度。当反应容器达到目标温度后，向其中加入50微升溶于1,4-二氧六环的三氟甲磺酸铁(III)，继续搅拌反应15分钟。

将反应液冷却至室温后，用硅藻土过滤液体至2毫升离心管中。然后在35摄氏度下，于旋转真空浓缩仪中将收集的液体浓缩过夜。为提取小分子量产物，将残留物用0.15毫升二氯甲烷悬浮并涡旋振荡使其溶胀，再超声处理15分钟，并在自动旋转混合仪中放置30分钟。

为了高效地提取单体，首先必须使用氯甲烷对获得的油样进行充分溶胀。然后，加入适量的甲苯以选择性沉淀下层的寡聚物。加入0.75毫升甲苯使寡聚物沉淀，随后涡旋振荡并超声处理十分钟。

将样品在5000 RPM转速下离心十秒，分离轻质有机液体与固态浓稠油状残渣，并将液体通过硅藻土柱过滤至玻璃小瓶中。然后在40摄氏度和20毫巴压力下，通过旋转蒸发浓缩合并的有机相。最后将油状残渣溶解于1毫升二氯甲烷中，用于气相色谱分析。

每次提取后得到的木质素在颜色和颗粒尺寸上表现出广泛的差异，其中通过温和处理获得的聚合物通常呈红粉色，并形成微小的片状物质。当采用更剧烈的条件时，所得木质素呈现棕色至黄褐色，且材料总产率增加，这一效应在胡桃木、山毛榉和雪松木材中比在松木中更为显著。对不同木质素进行核磁共振（NMR）分析，可确定其S/G/H比例以及提取聚合物中连接键的含量，特别是β-O-4连接键的含量。

例如，在较温和条件下提取的木质素通常会产生更多的连接结构。在乙二醇存在下，使用三氟甲磺酸铁（III）进行醋解反应，可生成三种不同的酚醛缩醛，分别对应木质素中的S、G和H单元，且在温和条件下提取的木质素其酚醛缩醛总产率更高。当考虑总β-O-4含量时，可观察到明显的趋势：β-O-4含量越高，通常缩醛产率也越高。

当木质素提取率与后续解聚率相结合时，可得到来自生物质原料的总缩醛产率，不同生物质原料之间的差异显著。在进行木质素提取时，重要的是在提取产率与所得木质素的结构质量之间取得平衡。因此，若采用文中报道的解聚方法，实际上可以获得高选择性的增值芳香族化合物。

这些技术将有助于其他研究人员以较高的产率从木质纤维素生物质的木质素组分中获取高附加值产品。