《Vibrational Spectroscopy》：Green non-destructive approach for quantifying hydroxyl groups in lignin using ATR-FTIR spectroscopy and chemometric methods
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本研究利用ATR-FTIR光谱结合化学计量学模型，成功替代传统31P-NMR方法，高效、环保地定量分析木质素羟基官能团，预测精度达R2>0.95，显著提升可持续性。
奥利维亚-斯特拉·萨尔姆（Olivia-Stella Salm）|玛丽娜·库德里亚绍娃（Marina Kudrjashova）|玛丽亚·库尔普（Maria Kulp）
塔林理工大学化学与生物技术系，Akadeemia tee 15，12618 塔林，爱沙尼亚
摘要
准确高效地表征木质素的羟基对于理解其在生物精炼应用中的反应性和价值化潜力至关重要。本研究探讨了将衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱与化学计量建模相结合的方法，作为传统磷核磁共振（31P-NMR）光谱的可持续替代方案，用于木质素羟基功能的定量分析。使用ATR-FTIR分析了有机溶剂提取的木质素数据集，并开发了多元模型（包括偏最小二乘法（PLS）、区间PLS（iPLS）、支持向量机（SVM）和iPLS-SVM），以预测烷基、桂酰基和对羟基苯基羟基的含量。除了桂酰基外，所有模型的预测性能均较高，烷基、桂酰基和对羟基苯基羟基的R2_P值均超过0.95，残差预测偏差（RPD）值超过4。iPLS-SVM模型在预测总芳香羟基含量方面表现最佳。与31P-NMR相比，所提出的方法显著缩短了分析时间，消除了有害溶剂的使用，提高了环境可持续性，其AGREE绿色评分分别为0.88和0.39。这些结果表明，基于FTIR的机器学习模型为木质素的常规分析和基于木质素产品的质量控制提供了一种稳健、快速且环保的方法。
引言
用更可持续的替代品取代化石资源是21世纪最大的挑战之一[1]、[2]。作为一种可再生且广泛可获得的原料，木质纤维素生物质在生产生物燃料和化学品方面具有巨大潜力[3]、[4]、[5]。基于生物质的生物精炼技术的进步主要推动了评估生物精炼原料、工艺中间体和最终产品特性的方法的发展[6]、[7]。
木质素占植物生物量的15%至35%[8]，通过与纤维素和半纤维素形成共价交联来防止生物和化学降解。其主链主要由三种单木质素组成，具有不同的甲氧基化程度：对羟基苯基（H）、桂酰基（G）和桂酰基（S）单元[9]。这些单木质素通过三种主要单体（对香豆醇、松油醇和芥子醇）的自由基偶联机制聚合而成。木质素大分子还含有多种官能团，如羟基、羰基、甲氧基和羧基，这些官能团影响其反应性并决定了木质素化学改性和升级的途径[10]。
木质素的-OH基团，特别是酚类-OH基团，是其物理和化学性质的关键决定因素。因此，定量测定木质素中的羟基至关重要，可以为各种生物精炼过程中木质素的化学和生物反应性提供重要见解。磷核磁共振（31P-NMR）光谱已成为检测和定量木质素羟基的强大分析技术。在该过程中，使用2-氯-4,4,5,5-四甲基-1,3-2-二氧杂磷烷（TMDP）试剂对底物中的羟基进行磷酸化处理，随后进行定量NMR光谱分析、数据处理并计算各种羟基的含量。尽管31P-NMR分析结果与其他方法的结果吻合良好，能够可靠地定量羟基，但这种多步骤技术耗时较长，需要昂贵的试剂、高纯度样品和专业的设备支持。此外，衍生化样品和某些内标在长时间储存后不稳定，需要及时进行31P-NMR测量[11]、[12]。
相比之下，振动光谱技术（如衰减全反射傅里叶变换中红外光谱（ATR-FTIR）具有使用少量样品评估木质纤维素组成的优势，同时能够开发出非破坏性、简单、快速和直接的测定方法[13]。这种技术符合当前生物聚合物分析的趋势，通过采用绿色方法快速获得结果，无需使用试剂或溶剂，从而减少了对环境的影响[14]。然而，由于木质素结构的复杂性[15]，FTIR光谱提供的信息难以解读，因此使用振动光谱技术的探索性和定量方法需要结合化学计量工具。
化学计量学领域有助于从复杂数据集中提取有意义的信息，并加深对木质素结构的理解，从而推动可持续材料和生物能源研究的发展[16]。化学计量技术常处理多变量数据，有助于在保留数据集信息的同时降低数据的维度。偏最小二乘法（PLS）回归、支持向量机（SVM）回归、人工神经网络（ANN）等方法是建模化学测量与系统属性之间关系的有力工具[17]。
傅里叶变换红外（FTIR）光谱与化学计量工具结合使用，已成为快速可靠的生物量定量分析方法，尤其是木质素性质和组成的分析。特别是，这种组合方法能够在无需化学提取的情况下非破坏性地预测生物质中的木质素含量，交叉验证的R2值超过0.80[18]。此外，它还利用基于FTIR光谱模式的多元校准模型（CMs）预测木质素的热行为，如玻璃化转变温度（Tg）和功能化程度（例如烯丙基含量）[19]。通过PCA和PLS回归处理的ATR-FTIR光谱可用于实时监测Kraft木质素的解聚过程，将变化的红外特征与重量平均分子量（Mw）和分散度相关联，后者通过分子量分布进行量化[20]，并适用于还原升级的木质素[21]，同时生成可转移的校准模型，预测不同技术木质素的官能团数量、分子量和热行为[22]。总体而言，这些结果表明，通过稳健的化学计量模型解释的单一FTIR光谱可以快速、非破坏性地提供关于木质素组成、结构和性能的定量信息，从而实现高通量的原料筛选、过程控制和材料设计。
在本研究中，首次使用ATR-FTIR光谱快速、非破坏性地定量不同有机溶剂提取的木质素中特定的酚类羟基，准确度很高（R2 > 0.99），通过将特定吸收带与参考化学值相关联来实现。研究采用了线性PLS和非线性SVM回归方法，并结合了变量选择技术进行建模。通过利用这些技术，旨在克服31P-NMR方法的局限性，提供一种可靠且更环保的木质素羟基定量方法。
部分内容摘录
生物质样品
有机溶剂提取的木质素来自硬木和软木、草本生物质以及两种技术纸浆：化学热机械纸浆（CTMP）和漂白化学热机械纸浆（BCTMP）。白杨木片、CTMP和BCTMP由Estonian Cell AS提供；纵向锯切的松木锯末由塔林理工大学的Jaan Kers教授提供；大麦秸秆由塔尔图爱沙尼亚生命科学大学的Timo Kikas教授提供。
使用31P NMR对木质素样品的表征
在先前的研究中，类似的木质素样品已经过表征，NMR分析的结果（表2）与先前发表的木质素羟基含量值基本一致，仅有轻微偏差[24]。在二氧烷有机溶剂（DOL）处理过程中，芳香-OH和桂酰基-OH的含量高于乙醇有机溶剂（EOL）处理过程；而对于烷基-OH基团则呈现相反的趋势。鉴于CTMP和BCTMP均来自白杨木，
结论
总之，本研究表明，ATR-FTIR光谱结合化学计量建模是传统31P-NMR分析的可行且可持续的替代方法，可用于定量木质素羟基。开发的模型，特别是那些结合了变量选择（iPLS）和非线性算法（SVM）的模型，在预测烷基、桂酰基和对羟基苯基羟基含量方面表现出高准确性，验证指标很强（R2_P > 0.95；RPD > 4）。
CRediT作者贡献声明
玛丽娜·库德里亚绍娃（Marina Kudrjashova）：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据分析。奥利维亚-斯特拉·萨尔姆（Olivia-Stella Salm）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学研究、数据分析。玛丽亚·库尔普（Maria Kulp）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法学研究、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
