纤维素组分对氨基酸热解的影响

宫梦，方阳，陈伟，陈应泉，陆强，杨海平，陈汉平，2

（1 华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉430074； 2 华中科技大学能源与动力工程学院新能源科学与工程系，湖北武汉430074； 3 华北电力大学可再生能源学院生物质发电成套设备国家工程实验室，北京102206）

引 言

生物质是自然界唯一含碳的可再生资源，生物质制备高值化产品是生物质利用的重要发展方向[1-4]，而生物质热解作为一种可以方便、快速地将生物质大分子转化为气、液、固三态产品的重要转化技术，得到广泛的关注[5-8]。氮是造成煤炭等化石燃料产生严重环境污染的重要因素之一，煤炭氮化学已有深入研究[9-12]。而相对于煤炭，生物质中的氮含量可以达到1%～10%（质量）[13]，并且与煤中N 的形式不同，其60%～80%的氮以蛋白质形式存在[14]，在热解过程中会发生迁移转化，进而影响热解产品的品质，目前逐渐引起了人们的关注。

氨基酸是生物质中氮的基本存在形式[15]，黎新[16]采用热重（TG）、差热分析（DTA）和红外光谱分析（IR）方法测试了谷氨酸的热分解过程，发现主要反应是先发生脱羧反应，同时也可能先发生脱氨反应生成环氧中间产物。Li 等[17]通过热重-傅里叶红外光谱分析联用（TG-FTIR）研究苯丙氨酸热分解的反应过程，发现其主要的分解有两条相互竞争的路径：直接脱羧反应和C—C 键的协同破裂。生物质的主要有机组分纤维素对氨基酸的热解也有一定的影响。郝菊芳等[18]发现葡萄糖的存在使得天冬氨酸热解的HCN 的生成量增加，而降低了NH3和HNCO 的生成。Hao 等[19]采用甘氨酸作为含氮模型与葡萄糖/果糖进行混合热解，结果表明，葡萄糖/果糖的存在降低了HCN 的产量以及对氮分布也有一定的影响。然而，当前研究对于氨基酸单独的热解机理仍不清楚，且在生物质纤维组分对氨基酸热解的影响过程中仅关注HCN 等气相产物的热解机理，而对液体产物反应机理还鲜少研究，特别是在热解过程中纤维组分对氨基酸裂解路径的影响还不清楚。

近年来，密度泛函理论（DFT）作为一种有效的量子化学计算方法，在研究含氮组分热解机理、生物质反应机理中受到了广泛应用[20-26]。龚千代等[24]在B3LYP/6-31G 的计算水平上，对甘氨酸热解反应可能发生的路径进行计算，提出甘氨酸的主要反应路径是脱水成环反应和脱氨反应。Wang 等[25]通过DFT 计算纤维素单体D-吡喃葡萄糖热解反应路径，发现相比左旋葡聚糖（LG）更容易生成5-羟甲基糠醛（5-HMF）。Kang 等[27]采用密度泛函理论分析了天冬氨酸分解对生物质热解过程中NH3和HCN 生成的影响，提出Hα从Cα转移到Cβ是HCN 生成的一个关键途径，而Hα从Cα转移到天冬氨酸的N 原子则是NH3生成的关键途径。因此，结合密度泛函理论计算可以更好地从分子层面理解纤维素单元对氨基酸热解影响的机理。

为了深入了解生物质热解氮的迁移转化过程中，纤维组成对生物质含氮组分的影响，本研究将通过Py-GC/MS 实验与密度泛函理论计算相结合，研究纤维素单元葡萄糖对氨基酸热解的作用机理，为系统揭示生物质热解过程中含氮产物的生成途径奠定基础，对生物质的清洁高效利用有重要的意义。

1 实验材料和方法

1.1 材料

在生物质的氨基酸组成中，苯丙氨酸和谷氨酸的相对含氮比例分别在芳香族氨基酸与极性氨基酸中较高[28]，因此选取氨基酸苯丙氨酸和谷氨酸用于研究，氨基酸样品均购自国药集团化学试剂有限公司，纯度均为99% 以上。葡萄糖购自TCI 公司，纯度85%以上，所有样品结构如图1所示。

图1 苯丙氨酸、谷氨酸和葡萄糖组成结构Fig.1 Molecular structure of phenylalanine,glutamic acid and glucose

1.2 实验方法

氨基酸、葡萄糖的热解以及混合热解实验采用快速裂解-色谱与质谱联用系统（Py-GC/MS）。实验所用Py-GC/MS 是由CDS5250 自动裂解反应器与安捷伦公司的色谱-质谱联用仪（GC/MS，HP7890/5975）组成。实验过程如下：将0.3 mg 样品（单独热解时，样品为氨基酸、葡萄糖；共热解时，样品为氨基酸和葡萄糖混合样品，总质量为0.6 mg，其中氨基酸与葡萄糖的质量比为1∶1）放置到微型石英管中（石英管内径2 mm、长度38 mm）。样品两端采用石英棉进行固定，防止其被载气吹出反应区域。微型石英管在自动进样器的作用下进入裂解器，在裂解器中样品从室温以10℃/ms 升温速率快速升温至热解温度550℃并保温15 s。热解挥发分在氦气的携带下经传输管线进入GC/MS。为了避免热解挥发分在进入GC/MS 前冷凝，保温阀和传输管线均保持较高温度，分别为290℃和280℃。气相色谱-质谱联用仪设定参数如下：进样口温度为280℃，色谱柱载气（He）流量为1.0 ml/min，分流比为80∶1。所用色谱柱为HP-5 弱极性色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），色谱柱升温程序如下：40℃保温2 min,以5℃/min 升温速率升到200℃，然后以10℃/min 升温速率升到280℃并保持2 min。实验所获得的大部分峰值与NIST 谱库、Wiley 谱库一致，每种热解产物的绝对峰面积和峰面积百分比是通过与安捷伦化学工作站在同一标准下自动整合获得的。绝对峰面积代表产率，峰面积百分比表示每种产物的选择性。为保证实验数据的准确性，实验至少重复三次以验证其准确性。

1.3 密度泛函理论计算

对于葡萄糖对氨基酸作用路径的计算由Gaussian 09 软件包[29]完成，采用B3LYP 方法和6-31++G(d，p)基组。在计算过程中的反应物、中间体、过渡态和产物均经过几何结构的完全优化和频率计算；在频率分析过程中，确保反应物、中间体以及产物没有虚频，确认过渡态有唯一虚频。对于过渡态，采用TS方法计算，并通过IRC[30]计算验证过渡态是否连接正确的反应物和产物。所有物质的能量均采用298.15 K 和0.1 MPa 下的气相吉布斯自由能值，反应活化能（反应能垒）为过渡态与反应物或中间体之间的能量差，均考虑了零点能校正。

2 实验结果与讨论

2.1 葡萄糖对氨基酸热解特性的影响

在快速热解550℃条件下，苯丙氨酸的主要热解产物为苯乙胺，相对含量高达79.48%；同时产生了一定量的小分子CO2，这说明苯丙氨酸受热主要发生了脱羧反应。而谷氨酸热解不同，其主要产物为L-焦谷氨酸，相对含量高达85.78%，这主要是因为其酸性官能团（—COOH）和碱性官能团（—NH2）很容易反应，发生分子内脱水形成含氮杂环[31]。然而其产率较低，主要是因为谷氨酸发生了升华[32]或部分谷氨酸发生分子间脱水缩合生成聚谷氨酸（PGA）[33]。同时产生了少量的CO2，主要是由于谷氨酸受热发生了脱羧反应[34]。而葡萄糖的主要热解产物为糠醛（FF）、5-HMF 和LG，相对含量分别为11.54%、28.39%和26.92%，这主要是因为葡萄糖热解主要发生了开环、脱水以及环化等反应[35-36]。从相对含量来看，5-HMF 的相对含量比FF 高，说明热解过程中5-HMF 的生成更有优势[37]，且三种产物的生成都存在着竞争关系。

2.1.1 葡萄糖对苯丙氨酸热解的影响 图2是苯丙氨酸、葡萄糖以及混合物热解反应离子总图。与单独热解相比，混合热解有明显不同的特性。苯丙氨酸与葡萄糖共热解反应的主要产物是苯乙烯、苯乙醛和苯乙胺，相对含量分别为6.04%、6.47% 和23.47%。而相比苯丙氨酸热解，苯乙胺的选择性降低，但产生了少量苯乙烯，这说明葡萄糖的存在对苯乙胺的生成也有一定的抑制作用，并且会促进苯乙胺发生脱氨反应生成苯乙烯[38]。而苯乙醛的产生，主要是因为苯丙氨酸与葡萄糖发生美拉德反应，产生了二羰基化合物，苯丙氨酸与二羰基化合物反应生成醛类物质[39]。氨基发生断裂，含氧官能团取代了氨基形成醛基。而与葡萄糖单独热解对比，共热解反应中没有发现FF、LG 和5-HMF，这主要是苯丙氨酸与葡萄糖发生了聚合反应形成大分子，抑制了葡萄糖开环、脱水和环化等反应[40]。

图2 苯丙氨酸、葡萄糖热解以及混合物热解反应离子总图Fig.2 Typical ion chromatograms from pyrolysis of phenylalanine,glucose and mixture

图3 谷氨酸、葡萄糖以及混合物热解反应离子总图Fig.3 Typical ion chromatograms from pyrolysis of glutamic acid,glucose and mixture

2.1.2 葡萄糖对谷氨酸热解的影响 图3 是谷氨酸、葡萄糖热解以及混合物热解反应离子总图。谷氨酸与葡萄糖共热解反应的主要产物是FF、5-甲基糠醛（5-MF）、2-吡咯烷酮、5-HMF 和LG，相对含量分别为5.43%、7.51%、10.43%、14.19%和5.07%，与谷氨酸和葡萄糖单独热解的产物分布明显不同。与谷氨酸单独热解相比，共热解时无L-焦谷氨酸产生，但生成一定量的2-吡咯烷酮，主要是因为葡萄糖促进了谷氨酸发生脱羧反应[40]，也可能是美拉德反应促进谷氨酸分子内环化反应[41-42]。而与葡萄糖单独热解相比，FF、5-HMF 以及LG 的相对含量降低，这主要是因为在共热解过程中，部分葡萄糖与谷氨酸结合发生美拉德反应，剩余的葡萄糖继续单独热解，从而导致了这些产物相对含量降低[43]；5-MF 的产生，主要是因为谷氨酸促进5-HMF 的羟基产生断裂，使5-HMF转化生成5-MF[44]。

图4 葡萄糖对苯丙氨酸热解影响的反应路径Fig.4 Pathway of pyrolysis from phenylalanine with glucose

图5 葡萄糖对谷氨酸热解影响的反应路径Fig.5 Pathway of pyrolysis from glutamic acid with glucose

2.2 葡萄糖对氨基酸热解的作用路径

2.2.1 葡萄糖对苯丙氨酸热解的作用路径 基于Py-GC/MS 实验结果，设计在苯丙氨酸脱羧产生的苯乙胺在发生脱氨反应生成苯乙烯的反应过程中，葡萄糖对该过程的作用路径，反应路径如图4所示，所有过渡态的优化几何构型如图6所示。反应路径（1）是苯乙胺通过四元环过渡态p-ts1 发生脱氨反应，C2与相连的氨基之间的键长变长，C2与C3之间的键长缩短有形成双键的趋势，C3 位上的氢与C2位上的氨基结合生成NH3和苯乙烯，其反应能垒为244.0 kJ/mol。反应路径(2)是苯乙胺在葡萄糖的作用下与其结合通过六圆环过渡态p-ts2 进行脱氨反应，苯乙胺C2 与相连的氨基之间的键长变长，葡萄糖C1 位上的羟基为苯乙胺C2 位上连接的氨基提供氢，脱掉NH3。苯乙胺C3 为葡萄糖C1 位失去氢的羟基提供氢，同时苯乙胺C2 与C3 之间形成双键生成苯乙烯，其反应能垒为200.6 kJ/mol，比苯乙胺直接脱氨的反应能垒低43.4 kJ/mol，证明葡萄糖对苯乙胺脱氨有一定的促进作用，与实验结果一致。

2.2.2 葡萄糖对谷氨酸热解的作用路径 基于Py-GC/MS 实验结果，设计在谷氨酸热解生成2-吡咯烷酮的反应过程中，葡萄糖对该过程的作用路径，反应路径如图5 所示，所有过渡态的优化几何构型如图6 所示。反应路径(1)是谷氨酸C5 位羟基与氨基结合脱水成环通过四元环过渡态g-ts1 形成L-焦谷氨酸（g-i1），其通过四元环过渡态g-ts2 发生脱羧反应，生成2-吡咯烷酮（g-i2），其反应能垒为302.81 kJ/mol。

图6 反应路径中过渡态的优化几何构型（unit:nm）Fig.6 Optimized structure of transition staes in reaction pathways(unit:nm)

反应路径(2)是β-D-吡喃葡萄糖经过四元环过渡态D-ts1 开环形成链式葡萄糖g-1-i1，其C1 位的醛基与谷氨酸氨基氢结合形成羟基，C1位与亚氨基结合，通过四元环过渡态g-1-ts1 形成中间体g-1-i2。中间体g-1-i2 通过四元环过渡态g-1-ts2 进行脱羧反应，C1和C1相连的羟基之间的键长缩短，C1与C2 之间的键长变长脱掉CO2，形成中间体g-1-i3，其C5 位羟基与氨基结合脱水成环，通过四元环过渡态g-1-ts3 形成中间体g-1-i4。中间体g-1-i4通过四元环过渡态g-1-ts4，C—N 键发生断裂，C1的羟基氢转移至亚氨基，生成产物g-i2，其反应能垒为290.45 kJ/mol。

反应路径（3）是链式葡萄糖g-1-i1 通过过渡态D-ts2 发生分子内氢转移形成中间体g-2-i1，其C2位的醛基与谷氨酸氨基氢结合形成羟基，C2位与亚氨基结合，通过四元环过渡态g-2-ts1 形成中间体g-2-i2。中间体g-2-i2 通过四元环过渡态g-2-ts2进行脱羧反应，形成中间体g-2-i3，其C5 位羟基与氨基结合脱水成环，通过四元环过渡态g-2-ts3 形成中间体g-2-i4。中间体g-2-i4 通过四元环过渡态g-2-ts4，C—N 键发生断裂，生成产物g-i2，其反应能垒为285.01 kJ/mol。

从反应能垒可以看出，共热解反应生成2-吡咯烷酮的反应能垒均低于谷氨酸单独热解的反应能垒，表明葡萄糖对2-吡咯烷酮的生成有一定的促进作用，与实验结果一致，且反应路径（3）是共热解生成2-吡咯烷酮的最优路径。

3 结 论

通过Py-GC/MS 将生物质含氮组分（苯丙氨酸和谷氨酸）、纤维素单元葡萄糖以及混合物热解并结合密度泛函理论对葡萄糖对氨基酸热解作用的反应路径进行计算，揭示葡萄糖对氨基酸热分解过程的影响，得出主要结论如下。

（1）葡萄糖对苯丙氨酸和谷氨酸共热解的作用明显不同。葡萄糖与苯丙氨酸主要发生聚合反应；还会起到供氢的作用，促进苯丙氨酸/苯乙胺发生脱氨反应生成苯乙烯；而和谷氨酸主要发生聚合反应，会促进谷氨酸发生脱羧反应形成2-吡咯烷酮。

（2）葡萄糖C1 位的羟基为苯乙胺C2 位上连接的氨基提供氢，可以降低苯乙胺脱氨生成苯乙烯的反应能垒；链式葡萄糖醛基与谷氨酸氨基结合，可以降低脱羧的反应能垒，促进2-吡咯烷酮的生成。