水热液化制备5-羟甲基糠醛的碳稳定同位素分馏研究_程琴.pdf

第 43 卷第 1 期2023 年 2 月林产化学与工业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol 43 No 1Feb 2023收稿日期:2021-12-16基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFB1501500)作者简介:程 琴(1997)，女，贵州贵阳人，硕士生，研究方向:生物质化学与工程*通讯作者:谭卫红，副研究员，博士，从事天然产物分离、精制与鉴别研究;E-mail:tanweihong71163 com。doi:10 3969/j issn 0253-2417 2023 01 008水热液化制备 5-羟甲基糠醛的碳稳定同位素分馏研究CHENG Qin程 琴1，2，沈娟章1，蔡燕燕1，叶 俊1，午紫阳1，谭卫红1*(1中国林业科学研究院 林产化学工业研究所;江苏省生物质能源与材料重点实验室;国家林业和草原局林产化学工程重点实验室;林木生物质低碳高效利用国家工程研究中心，江苏 南京 210042;2南京林业大学 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037)摘要:对比了不同碳稳定同位素组成原料在水热液化制备 5-羟甲基糠醛(5-HMF)过程中碳稳定同位素分馏特征，研究原料的碳稳定同位素组成对 5-HMF 产率的影响。结果表明:木薯淀粉水热液化制备的 5-HMF 的最大产率为 33 90%，高于玉米淀粉的 29 93%，杨木纤维素(P-C)最大产率为 31 00%，高于玉米秸秆纤维素(CS-C)的30 76%，竹粉和杨木的最大产率分别为 13 00%和 13 80%，高于玉米秸秆和玉米芯(分别为11 60%和 12 53%)。在反应时间为 15 min 时，不同原料的反应速率如下:木薯淀粉 0 301 g/(Lmin)大于玉米淀粉0128 g/(L min)，P-C 为0513 g/(L min)大于 CS-C 的0386 g/(L min)，竹粉0133 g/(L min)大于杨木0124 g/(L min)，大于玉米芯 0 117 g/(L min)，大于玉米秸秆 0 097 g/(L min)。13C值较小的原料(木薯淀粉、P-C、杨木、竹粉)反应过程中的 13C值在反应初期的变化速率大于 13C较大的原料(玉米淀粉、CS-C、玉米秸秆和与玉米芯)。水热过程中存在稳定同位素动力学效应，13C 同位素较富集的原料参与反应需要的能量更多，反应速率慢，5-HMF 的产率低。液化过程中结构简单的原料稳定同位素分馏影响较大;液化程度越大，13C的变化程度越大。关键词:水热液化;木质纤维素生物质;碳同位素分馏;5-羟甲基糠醛;单体同位素分析中图分类号:TQ35;TK6文献标志码:A文章编号:0253-2417(2023)01-0063-09引文格式:程琴，沈娟章，蔡燕燕，等 水热液化制备 5-羟甲基糠醛的碳稳定同位素分馏研究 J 林产化学与工业，2023，43(1):6371Carbon Stable Isotope Fractionation of 5-Hydroxymethylfurfural fromHydrothermal LiquefactionCHENG Qin1，2，SHEN Juanzhang1，CAI Yanyan1，YE Jun1，WU Ziyang1，TAN Weihong1(1Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF;Key Lab of Biomass Energy and Material，Jiangsu Province;Key Labof Chemical Engineering of Forest Products，National Forestry and Grassland Administration;National Engineering esearchCenter of Low-Carbon Processing and Utilization of Forest Biomass，Nanjing 210042，China;2Jiangsu Co-InnovationCenter of Efficient Processing and Utilization of Forest esources，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)Abstract:In this work，the carbon isotopic fractionation characteristics of feedstocks with different stable carbon isotopiccompositions during hydrothermal liquefaction for preparation of 5-hydroxymethylfurfural(5-HMF)were compared，and the effectof carbon stable isotope composition of raw materials on the yield of 5-HMF was studied The results showed that the maximumyield of tapioca starch was 33 90%，which is higher than those of corn starch(29 93%)，poplar cellulose(P-C，31 00%)，andcorn straw cellulose(CS-C，30 76%)，respectively The maximum yields of bamboo flour and poplar were 1300%and 1380%，which were higher than those of corn straw(11 6%)and corn cob(12 53%)，respectively At the reaction time of 15 min，thereaction rate of different raw materials:tapioca starch 0301 g/(L min)was greater than corn starch 0 128 g/(L min)，poplarcellulose 0 513 g/(L min)was greater than corn straw cellulose 0 386 g/(L min)，and bamboo powder 0 133 g/(L min)was64林产化学与工业第 43 卷greater than poplar 0 124 g/(Lmin)，which was greater than corn cob 0 117 g/(Lmin)and greater than corn straw0 097 g/(L min)In the reaction process，the change rate of 13Cvalue of raw materials with smaller 13Cvalue(cassavastarch，poplar cellulose，poplar and bamboo powder)in the initial stage of reaction was greater than that of raw materials withlarger 13Cvalue(corn starch，corn straw cellulose，corn straw and corn cob)There was a stable isotope kinetic effect in thehydrothermal liquefaction process The13C isotope required more energy to participate than the enriched raw materials in thereaction，the reaction rate was slow，and the yield of 5-HMF was low In the process of liquefaction，the stable isotopefractionation of raw material with a simple structure has a great influence The greater degree of liquefaction，the greater degree ofchange of 13CKey word:hydrothermal liquefaction;lignocellulose biomass;carbon isotope fractionation;5-hydroxymethylfurfural;compoundspecific isotope analysis水热液化(HTL)是一种以水为溶剂将生物质转换成高附加值化学品的热化学转化方法，通常处理温度在 150 400 之间，压力在 0 5 25 MPa 之间1。与其他生物质热转化方法相比，水热液化具有原料处理成本低、不使用有机溶剂、工作温度低、能源效率高等优点2 4。水热液化转化纤维素和半纤维素已被报道，并已应用于选择性生产有机酸和呋喃化合物5 7，如 5-羟甲基糠醛(5-HMF)。5-HMF是重要的平台化合物之一8 10，可以转化为多种衍生物，如乙氧基甲基糠醛、2，5-呋喃二甲酸、糠醇、二甲基呋喃等。纤维素和淀粉在水热液化条件下通过一系列化学反应转化为 5-HMF，主要反应步骤有:1)纤维素和淀粉水解成葡萄糖;2)葡萄糖异构化为果糖;3)果糖脱水成 5-HMF。纤维素和淀粉制备5-HMF已有不少研究11 13，然而木质纤维原料组分之间相互缠结，使其转化为 5-HMF 的降解反应比模型碳水化合物更复杂。同位素的组成通常采用同位素比值(13C)来表示，指某一元素的两种轻重同位素在某物质中的比值。在自然界中，一般轻同位素的相对丰度高，重同位素的相对丰度低，以 C 元素为例，自然界中12C 丰度为总丰度的 98 89%，13C 为 1 11%。在植物光合作用过 程 中，有 两 种 不 同 的 碳 同 化 途 径，一 种 是 通 过 核 酮 糖 二 磷 酸 羧 化 酶(uBPCase)催化的核酮糖-1，5-二磷酸羧化成 C3 化合物磷酸甘油酸来固定 CO2，该途径称为卡尔文循环，也称 C3 途径14;另一种是通过磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPCase)固定 CO2形成 C4 化合物草酰乙酸(OAA)，该途径称为 C4 途径15。只通过 C3 途径固定碳的植物为 C3 植物，有杨木、大豆、花生、水稻以及竹等。碳同化途径既有 C3 途径又有 C4 途径的植物为 C4 植物，主要有桑树、桦木、玉米等。受不同碳同化途径的影响，使得不同类型植物之间的碳稳定同位素比值不同，C3 植物的 13C值为 35 20，而 C4 植物的13C 丰度较高，其 13C值为 15 7。同位素动力学分馏是指在化学或物理过程中由于同一元素的轻重同位素的活化能和反应速率不同，轻同位素断键通常反应更快。C4 植物比 C3 植物富集更多的13C，使重同位素 13C值较高，而 C3 植物的13C 则相对少一点。在稳定同位素动力学分馏研究中所采用的技术是单体同位素分析技术(CSIA)，该分析技术采用气相色谱-同位素质谱(GC-C-IMS)仪精确测量分析物中稳定同位素比值。稳定同位素比值的微小变化可以为复杂样品中目标化合物化学反应变化提供一个“标识”16，即通过研究稳定同位素的组成特征、变化机理和分馏原理，可以探明化合物在化学反应中的转化过程17 19。郭康等20 将碳-单体同位素分析技术用于葡萄糖的液化研究，成功地分析了复杂样品中目标化合物的碳同位素分馏及反应历程。本研究基于 C3 和 C4 植物的碳稳定同位素比值差异，结合 CSIA 分析碳稳定同位素分馏对水热液化反应的影响。为了排除木质素与半纤维素的影响，先选择淀粉和纤维素作为研究对象进行碳同位素分馏探索，再对木质纤维原料进行研究。利用 CSIA 分析不同碳稳定同位素组成生物质原料在水热液化制备5-HMF 过程中的差异，比较不同区间碳稳定同位素比值生物质原料在水热液化中碳稳定同位素分馏效应及对产物产率的影响，以期从微观角度观察不同原料之间的液化差异，从而为液化原料的优化选择提供参考。第 1 期程 琴，等:水热液化制备 5-羟甲基糠醛的碳稳定同位素分馏研究651实 验1 1材料与仪器玉米淀粉、木薯淀粉，购自超市;无水乙醇、98%硫酸，分析纯;丙酮，色谱纯。5-羟甲基糠醛(纯度97%)，标准品，上海麦克林生化科技公司。杨木屑、玉米秸秆、竹粉、玉米芯均经粉碎、过 178 m 筛，105 干燥 6 h。实验所用的杨木纤维素(P-C)和玉米秸秆纤维素(CS-C)均按文献21 的方法分离得到，分离后采用 NEL 方法测定其中纤维素的含量。P-C 的纤维素质量分数为 93 83%，CS-C 的纤维素质量分数为 94 36%。碳稳定同位素标准物质:咖啡因(IAEA-600)，广州济科仪器科技有限公司，13C值为(27 771 0 3)。稳定同位素比值质谱仪、FLASH2000HT 元素分析仪、TACE GC ULTA 气相色谱仪，美国 ThermoFisher 公司;GC-MS-TQ8040 气相色谱三重四级杆质谱联用(GC-MS-QQQ)仪，日本岛津公司;7890-7200B 气相色谱-四级杆飞行时间质谱联用(GC/Q-TOF MS)仪，美国 Agilent 公司。1 2液化样品的制备将 1 00 g 原料放入反应釜中，按固液比 115(gmL)，加入蒸馏水和无水乙醇混合溶剂(体积比为11)，加入原料质量50%的3 mol/L 的硫酸作为催化剂。实验中反应时间为加热到170 后开始计时，反应完毕后冷却到室温，过滤，将滤液在 50 下旋蒸除水，放入冷冻箱(20)保存备用。1 3液化产物中 5-HMF 的定量及定性测定13 1测试方法用 GC/Q-TOF MS 对液化后液相产物中的 5-HMF 准确定性并确定出峰时间，每个样品连续进样 3 次。同时在 GC-MS-QQQ 上利用外标法对 5-HMF 进行定量分析，每个样品重复进样 3 次，取平均值。GC/Q-TOF MS 的色谱条件为:HP-5MS 色谱柱(30 m 0 25 mm 0 25 m)，进样量 0 2 L，分流比 1001，载气为高纯氦气，载气流速为 175 42 mL/min。进样口温度为 300;柱箱温度:在50 保持3 min，以10 /min 升至280，保持15 min。质谱条件为:电子轰击离子源(EI)，电子轰击能量70 eV，离子源温度 260，质量扫描范围 20 600 u，采集延迟时间 3 min。GC-MS-QQQ 的色谱条件为:tx-5M5 色谱柱(30 m 025 mm 025 m)，进样量1 L，分流比101，载气为高纯氦气，柱流量 1 4 mL/min。进样口温度 300;柱箱温度:50 保持 3 min，以 10 /min 升至260，保持10 min。质谱条件为:离子源温度200，接口温度280，质量扫描范围33 400 u，采集延迟时间 2 min。1 3 2产率计算根据 GC-MS-QQQ 所测产物质量浓度，计算 5-HMF 的产率，计算方法见式(1):y=(Ci V0)/m0100%(1)式中:y5-HMF 的产率，%;Ci目标物质量浓度，g/L;V0溶剂总体积，mL;m0原料质量，g。1 3 3反应速率计算根据定量浓度，根据式(2)计算生成 5-HMF 的反应速率。v=Ct/t(2)式中:v生成 5-HMF 的反应速率，g/(L min);Ct反应时间 t 的目标物质量浓度，g/L;t水热液化反应时间，min。1 4碳稳定同位素比值测定1 4 1原料碳稳定同位素比值采用稳定同位素比值质谱仪中的元素分析-同位素质谱仪(EA-IMS)模式测定原料玉米淀粉、木薯淀粉、玉米秸秆、杨木屑、玉米芯、竹粉、CS-C 和 P-C 的碳稳定同位素比值。载气为高纯氦气(99 999%)，测试时采用碳/氮(C/N)燃烧炉，温度升至 960。为了检测和确保仪器的稳定性和测量结果的准确性，每次进样测量开始前，以脉冲形式打入 CO2参考气体，自动引入同位素比值，样品出峰前设置三段参考气，每个样品至少重复进样 3 次，标准偏差为 0 3。14 2液化产物中 5-HMF 的碳稳定同位素比值配制咖啡因标准溶液:称取 20 mg 咖啡因标准物质，用丙酮溶解并定容至 10 mL 容量瓶中，0 4 保存备用。咖啡因标准样品至少分析 5 个平行样品，保66林产化学与工业第 43 卷证标准偏差在 0 3之内。配制 5-HMF 标准溶液:称取 12 mg 标准样品，用乙醇定容在 10 mL 容量瓶中，0 4 保存备用。将冷冻的水热液化液相产物解冻涡旋，利用气相色谱-同位素质谱仪(GC-IMS)测定产物中的5-HMF的碳稳定同位素比值。采用 HP-5MS 色谱柱(15 m 0 25 mm 0 25 m)，载气为高纯氦气(99 999%)，流速 1 5 mL/min。进样口温度 250，氧化炉温度设定在 1 000，不分流进样，进样量为 0 5 L。气相色谱升温程序为:50 保持 2 min，以 5 /min 升至 260，保持 10 min。所有液化样品至少分析 3 个平行样品，标准偏差在 0 4之内。每 8 10 个样品间隔测定一次咖啡因标准样品，以检查仪器的准确性。1 5碳同位素富集因子()计算同位素富集因子()用来表征反应过程中的稳定同位素分馏程度。在稳定同位素分馏研究中，利用瑞利方程(式(3)来计算，其不确定度为 95%置信区间的统计误差。ln(t+1)/(Cmax+1)=lnf(3)式中:碳同位素富集因子;t反应时间为 t 时 5-HMF 的碳稳定同位素比值;Cmax5-HMF 最大质量浓度反应时间下 5-HMF 的碳稳定同位素比值;f5-HMF 的转化因子。转化因子计算方法见式(4):f=Ct/Cmax(4)式中:Ct反应时间 t 时的 5-HMF 的质量浓度，g/L;Cmax水热液化过程中 5-HMF 的最大质量浓度，g/L。2结果与讨论2 1液化产物组成情况淀粉、纤维素、杨木、玉米秸秆、竹粉和玉米芯液化产物的气质联用总离子流图见图 1。由图 1 可知，含量较高的是乙酰丙酸乙酯和 5-HMF。本实验选择重要的中间产物 5-HMF 作为研究对象，5-HMF在 GC/Q-TOF MS 的保留时间为 11 812 min。图 1液化产物的 GC/Q-TOF MS 的总离子流Fig 1GC/Q-TOF MS total ion current chromatogram of liquefied products2 2液化生成 5-HMF 差异分析为了更好地了解液化过程差异，将由式(1)得到的产率作图，见图 2，曲线斜率的变化是有阶段性的，说明它们在生成 5-HMF 时的反应速率存在差异。由图 2(a)可知，淀粉在反应时间 15 min 时，5-HMF的产率达到峰值，随后出现下降，木薯淀粉和玉米淀粉的 5-HMF 最大产率分别为 33 90%和29 93%。在 0 15 min 内，木薯淀粉生成 5-HMF 的反应速率大于玉米淀粉;值得注意的是，5-HMF 产率下降阶段木薯淀粉的减少速率也大于玉米淀粉，推测这与木薯淀粉和玉米淀粉之间的碳稳定同位素组成差异相关。纤维素生成5-HMF 的产率在反应时间30 min 时达到最大，P-C 的最大产率为31 00%，略高于 CS-C 的30 76%;而后开始下降，产率下降是由于水热液化生成的5-HMF 会发生脱水、脱羧等反第 1 期程 琴，等:水热液化制备 5-羟甲基糠醛的碳稳定同位素分馏研究67应生成乙酰丙酸或其他衍生物。反应时间 0 15 min 内 P-C 的反应速率大于 CS-C，而在反应时间 15 30 min 内P-C的反应速率开始减小，这是由于 P-C 生成5-HMF 的速率快，同时其降解生成乙酰丙酸乙酯等物质的速率也快，两个反应之间发生竞争使 5-HMF 的生成速率下降。此外，在 5-HMF 产率减小阶段P-C 的反应速率大于 CS-C。淀粉液化生成 5-HMF 达到最高产率所需要的时间比纤维素短，这是由于淀粉中的-1，6-糖苷键比纤维素中的-1，4-糖苷键更容易水解，淀粉在水热液化中的降解速率更快22。此外，纤维素的密集三维氢键网络，使其较淀粉更难降解生成 5-HMF23。从图 2(b)可以看出，4 种木质纤维原料水热液化所得 5-HMF 的产率在反应时间 0 60 min 持续增大，在反应时间 0 60 min 内的反应速率大小:杨木 竹粉 玉米芯 玉米秸秆。杨木、竹粉、玉米芯、玉米秸秆的最大产率分别为 13 80%、13 00%、12 53%和 11 60%。在该反应条件下，以木质纤维为原料时 5-HMF 的产率较低。事实上，由于木质纤维原料中木质素、纤维素、半纤维素的复杂网络结构，木质纤维原料比纤维素和淀粉更难液化24。显然，从结构简单的纤维素和淀粉到木质纤维原料，不同碳稳定同位素比值的原料水热液化生成 5-HMF 的反应速率存在差异。图 2纤维素和淀粉(a)以及木质纤维原料(b)液化生成 5-HMF 的产率Fig 25-HMF yield of liquefaction of cellulose，starch(a)and lignocellulose(b)2 35-HMF 的碳同位素分馏特征2 3 1原料的 13C测定利用 EA-IMS 对 8 种水热液化原料进行碳稳定同位素比值测定，木薯淀粉、杨木、竹粉、P-C 的 13C值分别为(26 771 0 12)、(27 628 0 14)、(29 184 0 03)、(26 352 0 05)，玉米淀粉、玉米秸秆、玉米芯、CS-C 的 13C分别为(11 750 0 05)、(13 279 0 04)、(13 650 014)和(12 049 0 01)。2 3 2液化产物中 5-HMF 的 13C将 5-HMF 标准样品溶液和 P-C 水热液化 15 min 的液相产物进行GC-IMS 测试，并将其 GC-IMS 谱图进行对比，确定 5-HMF 的出峰时间为1 410 s。根据定性分析得到的5-HMF 出峰时间后，采用 GC-IMS 对8 种原料水热液化所得5-HMF 的 13C值进行了测定，反应过程中 5-HMF 的 13C值的变化曲线如图 3 所示，从图 3(a)可知，以淀粉为原料进行水热液化所得到的 5-HMF 的13C 同位素发生了显著的富集。反应时间 0 60 mim 时，木薯淀粉制备的5-HMF的 13C值从(26 449 0 22)增加到(20 603 0 10)，玉米淀粉所得 5-HMF 的 13C值从(16 059 0 10)增加到(11 503 0 17)。从曲线斜率可以看出，2 种淀粉生成的 5-HMF 的13C值随反应时间延长而增大，其增大速率存在差异，反应时间 15 min 以内木薯淀粉的 13C变化速率大于玉米淀粉。增大速率(曲线斜率)变化说明该反应时间下，5-HMF 的12C 和13C 的含量变化很大。当一个化学反应进行时，由于同位素质量不同，轻同位素12C 比重同位素13C 断键所需要的能量更少，轻同位素12C 参与反应的速率快于重同位素13C25，即动力学同位素效应。动力学同位素效应解释了木薯淀粉所得到的 5-HMF 无论在生成阶段还是在降解阶段反应速率均大于玉米淀粉，即从两种淀粉的同位素组成可知，木薯淀粉中的12C 同位素较富集。因此，木薯淀粉的12C、13C 同位素分馏快于玉米淀粉，造成反应时间 15 min 内木薯淀粉所得 5-HMF 的 13C值的增大速率较快。从图 3(a)可以看到，反应时间 15 30 min 内木薯淀粉所得 5-HMF 的 13C值增大速率变化幅度明68林产化学与工业第 43 卷显，玉米淀粉所得的5-HMF 的 13C值变化幅度不大。结合产率(图 2(a)，该时间段木薯淀粉生成 5-HMF的产率变化快于玉米淀粉，木薯淀粉反应中 5-HMF 的13C 与12C 分馏变化较快。反应时间 30 45 min内木薯淀粉生成的 5-HMF 的 13C值的增大速率趋于平缓，因此得到此时木薯淀粉液化体系中的 5-HMF生成反应和降解反应达到平衡。同一时间段，玉米淀粉的增大速率变大，这是因为此时间段玉米淀粉液化体系中 5-HMF 的降解反应趋势远大于其生成反应趋势，反应趋势平衡向降解反应倾斜，使得 5-HMF分子中的12C、13C 同位素分馏程度增大。反应时间 45 min 以后，木薯淀粉所得 5-HMF 的 13C值趋于稳定，结合图 2(a)，该时间段木薯淀粉产率变化较小，说明 45 min 以后木薯淀粉的液化体系中 5-HMF 的生成和降解反应平衡，5-HMF 分子中12C、13C 同位素分馏达到了平衡。从以上现象可以看出，木薯淀粉的分馏变化先于玉米淀粉，从增大速率分析也可以得到木薯淀粉的反应变化快于玉米淀粉。由图 3(b)可知，两种纤维素水热液化所得到的 5-HMF 的13C 同位素发生了明显的富集。反应过程中 CS-C 所生成的5-HMF 的 13C值从(18 457 0 04)增加到(13 633 0 02)，P-C 水热液化产物中 5-HMF 的 13C值从(27 096 0 19)增加到(21 445 0 17)。与淀粉相似，在反应时间 15 min 内 P-C 生成的 5-HMF 的 13C值的增大速率大于 CS-C，同时反应时间 15 min 内 P-C 的反应速率大于 CS-C。由此可知，不同原料的水热液化反应速率与原料的碳稳定同位素组成存在关系。纤维素的 13C值的增大速率未出现减小趋势，这是由于反应后期液化体系中纤维素所生成的 5-HMF 的降解反应处于优势。如图 3(c)，4 种木质纤维原料水热液化所得的 5-HMF 的 13C在反应时间 0 60 min 内逐渐增大，且13C变化值大于 2 5。同时在 0 15 min 内所生成的 5-HMF 的 13C值的增大速率大小为:杨木 竹粉 玉米芯 玉米秸秆。结合图 2(b)，木质纤维原料的产率没有减小趋势，可知木质纤维原料液化体系中 5-HMF 的生成反应在试验反应时间内占优势，5-HMF 的13C 和12C 分馏还未受到降解反应的影响，所以反应体系中 5-HMF 的 13C值变化幅度不大。综上所述，碳稳定同位素分馏情况与原料相关，13C值小的 C3 植物作为液化原料制备的 5-HMF 在反应过程中的分馏速率快于 13C值大的 C4 植物原料。a 淀粉 starch;b 纤维素 cellulose;c 木质纤维原料 lignocellulose图 3水热液化所得 5-HMF 的碳同位素组成变化Fig 3The change of carbon isotopic composition of 5-HMF from hydrothermal liquefaction通过比较淀粉、纤维素和木质纤维原料 13C值在反应时间 0 60 min 内的变化值，发现液化过程中木薯淀粉和 P-C 生成的5-HMF 的13C 富集程度大于杨木和竹粉;同样地，玉米淀粉和 CS-C 的 5-HMF 的13C 富集程度大于玉米芯和玉米秸秆。液化程度为:淀粉 纤维素 木质纤维原料。综合上述分析可知，从淀粉纤维素木质纤维原料所生成的 5-HMF 的碳稳定同位素比值变化是淀粉和纤维素相差不大，两者均大于木质纤维原料，说明液化程度越大，13C值变化程度越大。5-HMF 的碳同位素比值随时间延长逐渐增大，说明随着水热液化反应时间的延长13C 富集程度也逐渐增大。木薯淀粉、P-C、杨木和竹粉所得 5-HMF 的碳稳定同位素比值明显大于液化原料。玉米淀粉、CS-C、玉米秸秆和玉米芯生成的 5-HMF 的碳稳定同位素比值小于液化原料。这种情况可以解释为C4 植物中的13C 丰度高于 C3 植物，液化过程中13C 同位素参与反应的速率比12C 同位素慢(分子间13C第 1 期程 琴，等:水热液化制备 5-羟甲基糠醛的碳稳定同位素分馏研究69所组成的键断键所需的能量高)，使得 C4 植物中参与反应的速率慢，C3 植物中的13C 同位素的键比 C4植物的先断裂，反应到 5-HMF 中。23 3碳稳定同位素富集因子比较为了量化比较不同原料液化所得 5-HMF 在液化过程中碳稳定同位素的富集程度，根据瑞利方程对 5-HMF 在水热液化过程中的转化程度和相应的碳稳定同位素组成进行线性回归拟合，2越接近 1，说明反应过程中的同位素分馏越符合瑞利分馏模型26。从瑞利方程可知，拟合直线斜率为反应过程相应的碳同位素富集因子()，其不确定度为 95%置信区间的统计误差，0 表示正的动力学同位素效应，即降解反应占优势;0 表示负的动力学同位素效应，即生成反应占优势27。由于 5-HMF 是中间产物，在水热液化过程中既可作生成物也可作反应物。淀粉和纤维液化时 5-HMF 的浓度先升后降，在线性拟合时仅选择它作为生成物的浓度进行拟合。根据瑞利方程特点，线性拟合时强制曲线过原点对富集因子进行校正28。通过不同液化原料所得的 5-HMF 的碳稳定同位素的瑞利方程曲线见图 4，所得的相应碳稳定同位素富集因子和拟合曲线 2值列于表 1。图 4纤维素和淀粉(a)以及木质纤维原料(b)生成 5-HMF 的瑞利分馏特征模型曲线Fig 4ayleigh fractionation characteristic model curves of 5-HMF from cellulose，starch(a)and lignocellulose(b)表 1液化所得 5-HMF 碳稳定同位素瑞利分馏参数Table 1Carbon stable isotope rayleigh fractionation parameters of liquefied 5-HMF原料feedstock相关系数(2)correlation coefficient富集因子()/enrichment factor反应速率(v)/(g L1 min1)reaction rate玉米淀粉 corn starch0 9804036 00290 128 0 015木薯淀粉 tapioca starch0 9550012 0 0160 301 0 031杨木 poplar0 9763016 0 0130 124 0 011竹粉 bamboo0 9921008 00040 133 0 010玉米秸秆 cornstalk0 9681017 0 0150 097 0 010玉米芯 corncob0 9858020 00120 117 0 015CS-C0 9975053 00190 386 0 016P-C0 9984049 00140 513 0 013由表1 可知，拟合曲线的 2值均大于 0 95，表明5-HMF 在液化过程中单一方向的反应遵守瑞利方程。拟合曲线时，纤维素和淀粉选取的点是 5-HMF 浓度下降的部分，而相同反应时间下木质纤维原料的 5-HMF 的浓度逐渐上升，所以木质纤维原料的 值计算结果为负。比较富集因子发现:玉米淀粉木薯淀粉，CS-C P-C，C3 植物杨木和竹粉的富集因子小于 C4 植物玉米芯和玉米秸秆。所用原料的稳定同位素比值大小:玉米淀粉 木薯淀粉，CS-C P-C，玉米芯和玉米秸秆的稳定同位素比值大于杨木和竹粉。说明液化过程中碳稳定同位素富集程度与碳稳定同位素比值有关，稳定同位素比值越大，反应过程的碳同位素富集因子越大，即富集程度越大。为了直观地比较反应速率与富集因子的关系，由式(2)计算所得 0 15 min 内的反应速率见表 1，当反应速率较大时，碳同位素比值变化也大。由此，反应速率与碳同位素比值变化速率之间存在直接的关系，碳稳定同位素比值变化可以反映液化过程中的液化程70林产化学与工业第 43 卷度。当某物质的稳定同位素比值较大时，它的稳定同位素分馏较大，反映此时该物质的化学反应程度较大。3结 论31基于原料的碳稳定同位素组成差异，研究其对水热液化生成 5-HMF 产率的影响。分别对比了 C3和 C4 植物来源的淀粉(木薯淀粉和玉米淀粉)、纤维素(杨木纤维素和玉米秸秆纤维素)和木质纤维原料(杨木、玉米秸秆、玉米芯以及竹粉)液化生成 5-HMF 产率的差异及液化过程中碳稳定同位素分馏规律。结果表明:从结构简单的淀粉、纤维素到结构复杂的木质纤维原料，不同碳稳定同位素比值的原料水热液化生成 5-HMF 的反应速率存在差异。C3 植物生成 5-HMF 的最大产率所需要的时间比 C4 植物少。8 种原料液化生成 5-HMF 的最大产率为木薯淀粉(33 90%)玉米淀粉(29 93%)，杨木纤维素(31 00%)玉米秸秆纤维素(30 76%)，杨木(13 80%)竹粉(13 00%)玉米芯(12 53%)玉米秸秆(11 6%)。3 28 种原料所生成的 5-HMF 的13C 同位素在反应时间 0 60 min 内发生了显著的富集，富集程度为淀粉 纤维素 木质纤维原料。不同时间段，C3 植物源原料生成的 5-HMF 的稳定碳同位素比值变化速率大于 C4 植物源原料。在反应过程中由于存在碳稳定同位素动力学效应，含有12C 同位素的化学键参与化学反应需要的能量更少，使得 C3 植物源原料的液化反应速率更快，得到的 5-HMF 产率也高。结构复杂程度:淀粉 纤维素 木质纤维原料，水热液化程度:淀粉 纤维素 木质纤维原料，13C变化程度:淀粉与纤维素相差不大，均大于木质纤维原料。液化过程中结构简单的原料稳定同位素分馏影响较大，C3、C4 植物的稳定碳同位素组成差异也影响着水热液化过程。参考文献:1HIETALA D C，GODWIN C M，CADINALE B J，et al The independent and coupled effects of feedstock characteristics and reaction conditionson biocrude production by hydrothermal liquefaction J Applied Energy，2019，235:714728 2YANG L X，NAZAI L，YUAN Z S，et al Hydrothermal liquefaction of spent coffee grounds in water medium for bio-oil production J Biomassand Bioenergy，2016，89:191198 3TEKIN K，AKALIN M K，KAAGZ S The effects of water tolerant Lewis acids on the hydrothermal liquefaction of lignocellulosic biomass J Journal of the Energy Institute，2016，89(4):627635 4KIM J Y，LEE H W，LEE S M，et al Overview of the recent advances in lignocellulose liquefaction for producing biofuels，bio-based materialsand chemicals J Bioresource Technology，2019，27