1. 引言

为了缓解能源危机与控制全球变暖，关于生物替代燃料的研究受到广泛关注。作为第三代生物燃料原料的藻类被认为是一种最有前景的生物质原料[1] [2]，因其含油量高，油脂产率高，且无需占用耕地。但微藻的含水率高达80%~90%，使得无需原料干燥的水热液化技术成为实现微藻能源化利用的重要技术之一[3]。

水热液化是在相对温和的反应温度(240℃~374℃)、较高的压力(5~25 MPa)和一段反应时长(5~60 min)内，利用水作为反应介质将生物质转化为生物原油(简称生物油)、水溶液、气体和残渣等四相水热产物[4] [5]。水热液化技术可将微藻原料中的油脂、蛋白质、碳水化合物等有机成分高效地转化为生物油(得油率高达40%~83%)，且其热值(30~40 MJ/kg)与原油平均热值(41.8 MJ/kg)相当[4]-[7]，这使得微藻水热液化产油研究逐渐成为近年来的研究热点。

目前，微藻水热液化技术面临着生物油品质较差这一研究难点[8]-[10]。由于微藻中的有机组成都参与了水热液化反应，导致所得生物油除了碳、氢目标元素外，还含有一定量的氧、氮、硫等杂元素。其中氧元素含量一般为8%~19% (以下均为质量百分比，W/W)、氮含量为5%~11%、硫含量为0%~1%。这些杂原子的存在使得生物油性质较差，如热值低、酸度高、黏性大、热和化学稳定性差、点火燃烧性能差等[5]-[7]。

生物油中氮元素含量的控制研究已成为该领域的研究前沿，这主要有两个原因。一方面，生物油中的氮是氮氧化物的前体物，燃烧后会污染环境[5] [7]。另一方面，在对生物油进行升级和脱氮处理时，发现C-N键断裂比C-O和C-S键断裂更困难，尤其含氮杂环化合物的环状结构相对稳定，且容易使催化剂中毒、失活[11]-[13]。由此可知，若想实现微藻的能源化利用，必须解决水热油中氮含量问题，即在微藻水热液化产油过程中如何有效控制进入到生物油中的氮元素含量。

因此，本文重点关注氮元素含量和含氮化合物的文献报道，综述了微藻水热液化过程中氮元素的来源、迁移转化以及水热产物中的氮元素分布特性，以求为解决生物油中氮元素含量问题提供一些理论和技术建议。

2. 水热反应过程中氮元素的来源

水热液化过程反应物为生物质原料和反应溶剂水，因此生物油中的氮元素全部来自于生物质原料。微藻原料的元素组成直接决定了水热液化过程中氮元素的总输入量。现有研究表明，微藻的碳元素含量为35%~67%，氧元素含量为10%~35%，氢元素含量为6%~10%，氮元素含量为2%~12%，硫元素含量约为1.5% [14]。

微藻的三大生化组成是蛋白质(10%~60%)、油脂(2%~90%)和碳水化合物(5%~50%) [15] [16]。不同藻类的生化组成差异较大，其主要组成成分不同。如螺旋藻的蛋白质含量高达60%~71%，二形栅藻的脂质含量超过40%，而紫球藻的碳水化合物含量高达40%~57% [12]。此外，微藻中还含有一定量的色素、维生素和矿物质等。从物质的结构组成来看，微藻原料的氮元素主要来自于蛋白质(氨基酸)、脂质中的磷脂以及色素。

2.1. 蛋白质/氨基酸

蛋白质是微藻中的主要成分，也是生物油中主要的氮元素来源。有学者认为微藻中的氮元素含量与蛋白质含量密切相关，其蛋白质含量基本决定了生物油中的氮元素含量[12]。自然界中的微藻种类丰富，比较常见的有红藻、绿藻、蓝藻、硅藻、褐藻等。不同藻类的蛋白质含量(干燥基)差异较大，如钝顶螺旋藻蛋白质含量可高达61.20%，盐藻蛋白质含量为58.56%，四鞭片藻为33.06%，亚心形扁藻为32.16%。硅藻的蛋白质含量一般较低，如中肋骨条藻为29.96%，三角褐指藻为27.90%，牟氏角毛藻为25.26% [16] [17]。

蛋白质由氨基酸组成，生物质中的氨基酸主要以蛋白质的形式存在，很少含有游离的氨基酸[18] [19]。不同种微藻中氨基酸的组成种类相似，但含量和相对比例不同。刘慧慧[20]表明螺旋藻中含量较多的氨基酸是亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、精氨酸。Matricon等人[15]检测出螺旋藻中含量丰富的氨基酸是赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸，而索氏小球藻中相对含量占比超过10%的氨基酸是天冬氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸和亮氨酸。微藻中最常见的含量较多的氨基酸类型是天冬氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸和精氨酸。

2.2. 磷脂

微藻中油脂是生成生物油的重要前体物，其主要形式是甘油三酯、游离脂肪酸、极性油脂和胆固醇。在水热反应中，甘油三酯很容易水解成游离脂肪酸和甘油，脂肪酸的热稳定性较高，这与生物油中普遍检出高含量脂肪酸的结论相一致；而甘油在310℃开始分解为甲醇、乙醛、丙烯醛、甲醛和气态产物。极性磷脂水解成油酸和含磷的中间产物，当水热温度为175℃~350℃时磷酸是其最终产物。生物油中可检出胆固醇及其衍生物[16]。

微藻中含有氮元素的脂类主要是磷脂。磷脂在总油脂中的占比可达10%~50% [15]。磷脂分子中既含有脂酰基疏水基团，又含有磷酸、含氮碱基或羟基等亲水基团。主要的磷脂类型有磷脂酰胆碱(C₄₀H₈₀NO₈P)、磷脂酰乙醇胺(C₃₈H₈₀NO₈P)、磷脂酰甘油(C₃₄H₆₆NaO₁₀P)、磷脂酰肌醇(C₄₇H₉₂O₁₆P)等，由此可知，磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰甘油中含有氮元素。

2.3. 色素

色素如叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素等对于维持微藻生长代谢是必不可少的。其中叶绿素和藻胆蛋白含有四吡咯形式的氮元素。叶绿素具有金属稳定的环状四吡咯结构，包括叶绿素a (C₅₅H₇₂O₅N₄Mg)、叶绿素b (C₅₅H₇₀O₆N₄Mg)、叶绿素c (C₃₅H₃₀O₅N₄Mg、C₃₅H₂₈O₅N₄Mg)、叶绿素d (C₅₄H₇₀O₆N₄Mg)等四种结构。叶绿素a存在于所有具有光合作用的生物质中，而叶绿素b、c、d仅存在于特定物种中。

藻胆素中的四个吡咯环通过甲烯基连接成直链，而非环状，且不含金属原子。藻胆素包括藻红素和藻蓝素，分别是由蛋白质和红色生色团(C₃₃H₄₀N₄O₆)或蓝色生色团(C₃₃H₃₈N₄O₆)所组成的复合蛋白质。藻胆素中的辅基和蛋白质结合牢固，只有在强酸条件下才发生水解。藻胆素在体内与可溶性蛋白质结合形成藻蓝蛋白，藻红蛋白和别藻蓝蛋白等藻胆蛋白。

微藻原料中的氮元素经水热处理后，主要进入到生物油、水溶液和固体残渣中。生物油和固体残渣中的氮含量一般通过元素分析仪测定。水溶液中的氮元素根据其存在形式，将其分为有机氮和无机氮，其中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等无机氮和总氮浓度通常采用光谱法测定，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮也可采用离子色谱法测定；有机氮总量通过差值法计算，而具体有机含氮化合物的组成普遍通过气质联用仪进行定性分析，通过相对峰面积比较含氮化合物的浓度变化。低温水热后水相产物中的氮元素主要以有机氮形式存在，而高温水相产物以无机氨氮为主。如Martinez-Fernandez和Chen [21]比较了三种红藻和两种小球藻(原料中的氮元素含量为10.4%~12.2%)的水热液化过程，发现低温水热(160℃)后水相中总氮含量为2.2~3.7 g/L，其中有机氮占比超过85%，氨氮占比约10%；而350℃高温水热时总氮浓度为16.2 g/L，氨氮占比超过78%。袁松等[22]发现微藻经200℃水热处理后，进入到水溶液中的氮元素占比高达51%，此时氮元素主要以有机氮为主，氨氮占比为14%。分离低温段水相产物后再进行高温水热时，所得生物油中氮含量比直接低温水热生物油低55%。这进一步表明水溶液中的氮元素和生物油中的氮元素之间存在明显的迁移转化，因此，详细研究氮元素在微藻水热过程中的迁移转化具有十分重要的意义。

3. 氮元素迁移转化机理

微藻在水热液化过程中的反应过程非常复杂，图1所示为简化的反应路径。将其简单概括为三个步骤[5] [7]：(1) 在水热条件下，微藻原料中的有机组分水解或溶解在水中并解聚成低聚物或单体，如蛋白质转化为氨基酸，碳水化合物转化为单糖，油脂转化为脂肪酸和甘油；(2) 低聚物或单体进一步分解或断裂为小分子中间产物，如单糖转化为醛、酮或有机酸，氨基酸转化为有机酸、氨氮或胺类；(3) 中间产物通过缩合、缩聚、重排或环化反应进一步聚合成最终产物，最终产物根据其理化性质分布于气相、油相、水相和固相水热产物中。

Figure 1. The simplified reaction pathway of hydrothermal liquefaction of microalgae

图1. 微藻在水热液化中的简化反应路径

从图1可知，微藻的三大生化组成在水热液化过程中要经历一系列复杂的化学反应，导致生物油中检出的化学物质超过上百种。现有研究显示脂质、蛋白质、碳水化合物之间会进行相互反应，如在280℃以上蛋白质与碳水化合物之间存在显著的美拉德反应，此反应被视为生物油中含氮杂环化合物的主要生成机理[23]。因此，详细研究微藻在水热过程中含氮化合物之间的迁移转化具有十分重要的意义。

3.1. 蛋白质/氨基酸在水热过程中发生的一般反应

基于现有研究总结了微藻水热过程中蛋白质的常见水热反应类型，如图2所示(没有涉及列出反应过程中生成的烃类和含氧化合物，仅列出含氮反应产物，下同)。一般来说，蛋白质中的肽键比糖苷键稳定，蛋白质发生水解的温度高于碳水化合物，不过报道的起始水解温度不同。Toor等人[24]发现碳水化合物的水解起始温度通常低于180℃，而蛋白质在230℃发生少量水解。Gai等人[25]认为碳水化合物和蛋白质在100℃~200℃内发生水解，而Ravber等人[19]发现碳水化合物水解温度为130℃而蛋白质在190℃时表现出剧烈的水解。

当水热温度略低于200℃，氨基酸发生慢速水解反应。值得注意的是，氨基酸在水热条件下的分解速度较快，当温度高于240℃~250℃时，氨基酸的分解速度大于蛋白质的水解速度，此外氨基酸的分解速度也大于单糖、脂肪酸等其他单体的分解速度，致使水热产物中较少检出氨基酸[24] [25]。

当水热温度位于200℃~240℃时，仅少量氨基酸发生分解反应，此时氨基酸优先发生分子内或分子间的二聚反应，生成环二肽(哌嗪二酮类)，如亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸脱水缩合形成的哌嗪二酮，以及由精氨酸分解的2-氨基戊酸与亮氨酸和苯丙氨酸脱水缩合形成的吡咯并吡嗪二酮等，哌嗪二酮类可进一步转化为吡咯烷酮、吡咯烷等[18] [20]。

当水热温度高于250℃，氨基酸主要发生分解反应，主要包括脱羧基作用和脱氨基作用，其中脱氨基反应速率随反应温度的增加而逐渐增加，当温度从260℃增加至340℃时，螺旋藻和栅藻原料中氮元素的铵根转化率分别从31.78%和39.87%增加至51.18%和53.98% [20]。高温水热时以脱氨基反应为主，这与水溶液中检出的高浓度氨氮相一致。氨基酸通过脱氨基作用生成氨(NH₃)和不饱和的羧酸类，由于NH₃极易溶于水，一生成即可转化成氨氮，不饱和的羧酸可以聚合形成长链有机酸，或加氢生成饱和羧酸，或与水反应生成醇，生成的醇可通过C-C键断裂生成CO₂、醛或酮。氨基酸通过脱羧基作用转化为二氧化碳和胺类，胺类可进一步发生分子间的聚合反应形成二胺[26] [27]。

此外，经历第一步分解反应的氨基酸可以继续发生第二步分解反应，即继续消去第一步分解产物中的氨基或羧基，进而形成烯烃，此烯烃可以与氢加成转化为烷烃，或者与水加成转化为醇，或者二聚转化成聚合物。

当水热温度高于260℃，氨基酸和还原糖发生不可忽略的美拉德反应[28]。此外，氨基酸降解产物(氨或胺等含氨基化合物)与脂肪酸、有机酸发生氨解反应生成酰胺，不饱和有机酸在氨解的同时发生环化反应生成环酰胺，酰胺进一步转化为腈类，酰胺和腈类在高温下发生脱氮反应生成NH₃，具体见后文相应小节。

Figure 2. The general reaction pathway of protein during hydrothermal liquefaction

图2. 蛋白质在水热过程中发生的一般反应

3.2. 氨基酸在水热过程中发生的特定反应

每种氨基酸的特定结构(侧链)赋予了他们在水热过程中反应性的差异，即发生与侧链性质相关的特定反应。根据侧链的极性和组成，将20种氨基酸分为六个小类：含脂肪基氨基酸、含芳香基氨基酸、含酸性(酰胺)基氨基酸、含碱性基氨基酸、含羟基氨基酸和含硫氨基酸，如图3所示。

Figure 3. The classification of amino acids based on chemical group

图3. 氨基酸的结构分类

(1) 含脂肪基氨基酸

脂肪族氨基酸在碱性条件下较稳定，在低pH条件下易于发生脱羧基和脱氨基分解反应，其侧链上的非极性基团有利于发生α-氨基酸单元的聚合，生成哌嗪二酮类化合物[15] [29]。当存在其他类型的氨基酸时，脂肪族氨基酸的稳定性显著降低。在微藻中最丰富的脂肪族氨基酸是亮氨酸。值得注意的是脯氨酸具有吡咯烷结构，在脯氨酸和碳水化合物的共水热中检测到了几种吡咯烷酮[30]，认为脯氨酸在水热过程可能发生缩合而不是降解反应[18]。刘慧慧[20]认为脯氨酸经过脱羧基生成吡咯烷，吡咯烷进一步脱氢成吡咯。

(2) 含芳香基氨基酸

由于侧链上苯基或苯酚基呈非极性或弱极性，芳香族氨基酸和脂肪族氨基酸一样容易发生二聚反应，生成哌嗪二酮类产物。苯丙氨酸是微藻中含量最丰富的芳香族氨基酸[15]，在水热条件下会转化成二苯甲基哌嗪二酮、肉桂酸、苯乙胺，其中苯乙胺进一步脱氨基成苯乙烯，继而聚合成高分子量的化合物[18]。同样值得注意的是，具有吲哚结构的色氨酸经水热处理后转化为吲哚、3-甲基吲哚、2,3-二甲基吲哚和色氨醇，检出高浓度的吲哚类物质，并且在295℃下大多数产物的吲哚结构得以保留[28]。酪氨酸和苯丙氨酸也可能产生喹啉或吲哚，因为它们已经具有苯结构[13]。

(3) 含酸性基氨基酸

酸性氨基酸由于侧链酸性基团与氨基的距离更远，所以优先发生侧链上的脱羧基反应，如天冬氨酸通过侧链脱羧基作用转化成丙氨酸，谷氨酸转化为γ氨基丁酸[18]。此外，酸性氨基酸还会发生特殊的分子内环化反应。侧链上的碳原子因氧原子存在而具有亲电性，而氨基酸官能团中的胺基或羧基是亲核试剂，从而引发侧链羧基和胺基或羧基之间的分子内环化反应，生成带有环状结构的含氮化合物，如谷氨酸先经历侧链羧基和胺基的环化脱水生成焦谷氨酸，后经脱羧基转化为吡咯烷酮[20]。天冬氨酸通过侧链羧基和氨基酸官能团中羧基的环化脱水生成3-氨基二氢呋喃酮；或通过侧链羧基和胺基的环化成吡咯烷二酮，进一步加氢成吡咯烷酮[15]。

天冬酰胺和谷氨酰胺可分别视为天冬氨酸和谷氨酸的类似物，其中末端羧基被酰胺基取代。天冬酰胺和谷氨酰胺水热条件下产生的氨远多于天冬氨酸和谷氨酸，因此认为天冬酰胺和谷氨酰胺在水热过程中更倾向于先发生脱氨基反应，分别转化成天冬氨酸和谷氨酸[18]。少量谷氨酰胺可能与α-氨基发生缩合进而生成焦谷氨酸，但焦谷氨酸主要作为一种“储存形式”，后续通过温和的水解或氨解转化成谷氨酰胺或谷氨酸。

(4) 含碱性基氨基酸

赖氨酸和精氨酸含有额外的含氮官能团，即分别为末端的氨基和胍基。然而，这并不意味着它们在水热条件下能更倾向于发生脱氨基反应。从精氨酸中产生的氨虽然略高于大多数其他氨基酸，但仍然显著低于从天冬氨酸中产生的氨。同样，赖氨酸水热中生成的氨并无明显增多[31] [32]。这表明末端含氮官能团的存在促进其侧链上特殊反应的发生。

与酸性氨基酸相似，碱性氨基酸也会发生特殊的分子内环化反应。不过侧链上氨基和氨基酸官能团中的氨基环化成哌啶酸，再进一步脱羧成哌啶，如赖氨酸通过内环化反应转化成哌啶[18]；侧链上氨基和氨基酸官能团中的羧基之间的环化又被成为内酰胺化反应，如赖氨酸通过侧链氨基与羧基的内酰化成α-氨基己内酰胺，继而进一步转化成哌啶[15]。精氨酸中的胍基水解为末端的氨基基团，生成尿素和鸟氨酸，其中尿素迅速分解为二氧化碳和氨，而鸟氨酸通过末端的氨基与羧基的缩合形成3-氨基戊内酰胺[32]。值得注意的是，内含咪唑结构的组氨酸在水热环境中趋向于生成咪唑，组氨酸的咪唑环甚至可以在高达400℃的水热气化中存活[33]。

(5) 含羟基氨基酸

除了脱羧基、脱氨基和二聚反应外，由于侧链上羟基的存在，含羟基氨基酸可以发生脱水反应，生成小分子的带双键的不饱和酸，如丝氨酸脱水生成脱氢丙氨酸。脱水过程中形成的双键遵循Zaitsev规则，即倾向于形成取代最多的烯烃。含羟基氨基酸还可发生反羟醛缩合反应，生成醛和另一种氨基酸，如丝氨酸转化成甘氨酸和甲醛，苏氨酸转化为甘氨酸和乙醛[15]。

(6) 含硫氨基酸

含硫氨基酸与含羟基氨基酸的降解反应类型相似，在水热条件下会发生消去反应，不过消去的是硫化氢而不是水，进而生成不饱和氨基酸和硫化氢，不饱和酸进一步氧化成饱和酸。此外，半胱氨酸和甲硫氨酸还会发生氧化反应，生成亚磺酸和磺酸[34]。

Figure 4. The special reaction pathway of protein during hydrothermal liquefaction

图4. 蛋白质在水热过程中发生的特定反应

每种特定结构的氨基酸在水热过程中的特定反应总结于图4，发现当氨基酸侧链上含有脂肪烃或芳香烃等烃类基团时，易发生分子间二聚的环化反应，促进哌嗪二酮类的生成，进而转化为含两个氮元素的杂环含氮化合物(哌嗪)；当氨基酸侧链含有另一个氨基或羧基时，易发生分子内部的环化反应，即内环化反应和内酰胺化反应，促进含一个氮元素的杂环含氮化合物(如吡咯烷、哌啶酸、己内酰胺)的生成；当氨基酸侧链易消去基团时，促进分子内部的脱水、脱硫化氢等消去反应，促进不饱和酸的形成，不饱和酸易发生聚合反应，或与胺类、氨氮通过氨解反应转化为酰胺类。色氨酸、组氨酸和脯氨酸因含有吲哚、咪唑和吡咯结构，在水热过程中因链断裂可以分别生成吲哚、咪唑和吡咯烷酮。

由此可知，特定官能团的存在导致其水热产物的种类更丰富，在环化反应和聚合反应的加持下，更易产生杂环含氮化合物和高分子量的化合物。此外，多种氨基酸降解产物与多糖或脂质中间产物之间的相互作用进一步增加了含氮化合物的多样性。

3.3. 蛋白质与碳水化合物的美拉德反应

当碳水化合物和蛋白质单独水热液化时，它们转化为生物油的产率分别低于10%和20%；当两者混合时生物油得率显著提升，最高可达40% [23]。普遍将这额外增加的生物油归功于两者之间的美拉德反应。不过碳水化合物和蛋白质需要以特定的比例混合，方可从美拉德反应中获益。Zhang等人[28]研究表明碳水化合物与蛋白质的比例为2:1时，生物油的产油率最高。在Nannochloropsis和葡萄糖/蛋白质的混合物水热过程中，含氮化合物的含量从蛋白质/碳水化合物比低于0.5时的20%增加到蛋白质时的64%，而含氮化合物的选择性比值为7时达到峰值，选择性约为23% [35]。葡萄糖自身也较易发生闭环反应生成呋喃类化合物(糠醛) [12] [13]。

美拉德反应按其本质而言是羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸或蛋白质)之间发生的缩合反应，经过复杂的历程最终生成黑褐色的类黑精，还伴随产生还原酮、醛和含氮的杂环化合物。美拉德反应历程可分为初期、中期和末期三个阶段。在反应初期，还原糖的羰基与氨基化合物的游离氨基发生缩合反应，脱除一分子水生成碳氮双键，环化生成N-葡萄糖胺。当还原糖是醛糖时，重排形成Amadori产物。若还原糖是酮糖，则会发生Heyns重排反应。随后，重排产物进一步发生降解反应。当反应体系呈酸性时，重排产物主要生成1,2-烯醇化产物，进一步反应形成醛。若还原糖为戊糖则生成糠醛，若还原糖为己糖则形成羟甲基糠醛。当反应体系呈碱性时，重拍产物发生2,3-烯醇化反应，生成还原酮类和脱氢还原酮类，再进一步分裂成含羰基及含双羰基化合物，或是与氨基进行Strecker分解反应产生Strecker醛类，进一步异构化和环化成吡嗪类化合物。在反应后期，前期生成的N-葡萄糖胺、醛、酮等活性中间体继续与体系中的羰基或氨基化合物发生复杂的环合、脱氢、重排、异构化等反应最终生成大分子的类黑精。

目前对该反应初中期产生低分子和中分子的反应机理比较清楚，而对后期产生高分子聚合物和氮杂环化合物的机理仍不清晰[2] [5]。美拉德反应机制比较复杂，其反应产物受参与反应的糖和氨基酸种类影响。Leng等人[13]认为糖类和氨基酸的含量和种类直接影响含氮杂环化合物的含量和种类。如乳糖参与赖氨酸和棕榈酸的共水热时有助于吡咯的生成，而赖氨酸与乳糖或麦芽糖的共水热时有利于吡啶和吡嗪的生成[36]。亮氨酸和葡萄糖共水热时产生高达84%的吡嗪[37]。现有文献中报道的美拉德反应生成的含氮杂环化合物主要有吡咯、吡唑、吡啶、嘧啶、吡嗪、哌嗪类、以及吲哚、喹啉及其衍生物等多种含氮化合物。

3.4. 氨基酸与脂质的氨解反应

在水热过程中，蛋白质水解产物氨基酸主要发生分解反应，通过脱羧基作用转化为胺类，如伯胺、仲胺、脂肪胺、芳香胺等；或通过脱氨基作用转化为氨(溶于水形成氨氮)和羧酸类。有学者研究了油脂在330℃~340℃下反应10~15 min的水热过程，发现游离脂肪酸的产率为90%~100%，表明脂肪酸的热稳定性高，一般认为脂质的水解产物主要为脂肪酸[23]。

氨基酸分解产物可与其他中间产物进一步发生氨解或酰化作用，如有机胺或氨氮可与脂肪酸、羧酸或氨基酸通过氨解反应生成酰胺类，有机胺和不饱和有机酸反应时可能同时环化，进而生成环酰胺类。氨解或酰化反应也是氨基酸与脂质的主要反应形式，在高温条件下脂肪酸可以与氨氮、胺类化合物直接氨解生成酰胺类，酰胺类可转化为腈类，酰胺类和腈类在高温下可进一步发生消去反应产生氨[38]。

3.5. 色素的水热反应

藻类生物油中的氮元素主要来源于原料中的蛋白质和色素[15]，但目前关于色素水热液化研究较少，根据其结构，叶绿素和藻胆蛋白中四吡咯形式的氮元素势必会进入到水热产物中，对生物油中的氮元素含量产生影响。

Jarvis等人[39]发现Tetraselmis水热所得生物油中存在铁卟啉，认为由金属稳定的四吡咯环结构非常稳定。Changi等人[40]发现叶绿素水热产物包括原始叶绿素、植物烯、新植二烯、植物醇、植物酮、异植物醇、植物烷、二氢植物醇和C20分子。叶绿素a和叶绿素b容易水解成叶绿醇，叶绿醇可能转化为1-乙基2-吡咯烷酮、二甲基吲哚和十六烷酸酰胺等含氮化合物，也可能转化为新植二烯、异植醇、植酮等不含氮化合物。Jiang等人[41]对含有叶绿素类似结构的血红素进行了水热研究，发现叶绿素的水热产物主要是环戊烯酮、环己酮、吲哚、酰胺、醇类、芳烃和未降解的四吡咯环。

3.6. 磷脂的水热反应

目前未见单独利用磷脂做水热液化原料的研究，学者认为含有氮元素的磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰甘油可能是水溶液中含氮化合物和部分短链酰胺的来源[15]。

此外，微藻原料中含有一定的无机氮化合物，由于无机氮的热不稳定特性，经240℃的水热处理，固相中无机氮完全溶解或水解成氨氮和硝酸盐氮，这些无机化合物在水热过程中将以铵根离子和硝酸根离子的形式进入到水溶液中[42]。

Figure 5. The transformation pathways of the nitrogen element during the hydrothermal liquefaction of microalgae

图5. 微藻水热液化过程中氮元素的迁移转化路径

将上述结论结合现有微藻水热机理研究，总结出微藻水热液化过程中氮元素迁移转化的详细路径，如图5所示。在水热液化产物中，固相和气相产物中的氮元素分布较少，水热原料中20%~40%的氮元素进入生物油中，超过50%的氮元素分布在水相中[43]。检出生物油中氮元素存在形式主要是杂环氮、胺类氮和腈类氮三类，而水相氮主要是氨氮、杂环氮和酰胺类氮三类[12] [44] [45]。结合图5可知，最终产物中检出的氨氮来源于脱氨基作用，胺类氮主要源于脱羧基作用，酰胺类氮主要源于胺类、氨氮和有机酸的氨解或酰胺化反应，腈类氮主要源于酰胺类的分解反应，而杂环氮的生成来源负责，可能来自于氨基酸分子内的内环化、内酰胺、反羟醛缩合和链断裂反应，两个氨基酸分子间的二聚或聚合反应，氨基酸与还原糖的美拉德反应，不饱和中间产物之间的聚合或缩合反应以及色素的水解和分解反应。

值得注意的是，不同相中的含氮化合物之间会发生相互转化，如氨基酸脱氨基生成NH₃ (此过程将水相氮转化为气相氮)，NH₃极易溶于水形成氨氮(气相氮转化为水相氮)，氨氮与油脂水解产物脂肪酸或氨基酸分解产物有机羧酸反应生成酰胺或环酰胺类(水相氮转化为油相氮)，酰胺类发生消去反应转化为腈类，腈类进一步脱氨基生成氨氮(油相氮转化为水相氮)。在循环水热后水相的水热产油研究中发现，生物油中的氮含量增加主要是高氨氮导致，氨氮可能参与了醛糖和胺之间的Amadori重排反应，从而进入到生物油中[46]-[50]。这进一步表明水相氮和油相氮之间存在明显的迁移转化，若通过选择性地去除水相中的含氮化合物，如氨氮，能有效降低生物油的氮元素含量。

4. 结语

微藻水热液化过程中的氮元素来自于原料中的蛋白质(氨基酸)、磷脂以及色素。其中含氮磷脂主要生成酰胺，而色素水热生成吲哚、酰胺、吡咯烷和未降解的四吡咯环等含氮化合物。氨基酸在水热过程中发生复杂的化学反应，包括氨基酸分子内的脱羧基、脱氨基、脱水、脱硫化氢、内环化、内酰胺、反羟醛缩合反应，两个氨基酸分子间的二聚或聚合反应，氨基酸与还原糖的美拉德反应，氨基酸与脂肪酸的氨解反应，以及不饱和中间产物之间的聚合或缩合反应。最终产物中氮元素的存在形式包括氨氮、胺类氮、酰胺氮、环酰胺氮、腈类氮和杂环氮。其中氨氮主要来自于脱氨基反应，胺类氮主要源于氨基酸的脱羧基反应，酰胺类氮主要源于胺类、氨氮和有机酸的氨解或酰胺化反应，环酰胺类氮主要来源于不饱和酸的氨解反应，腈类氮主要源于酰胺类的分解反应，而杂环氮的生成来源复杂，可能来自于氨基酸分子内的内环化、内酰胺、反羟醛缩合和链断裂反应，两个氨基酸分子间的二聚或聚合反应，氨基酸与还原糖的美拉德反应，不饱和中间产物之间的聚合或缩合反应以及色素的水解和分解反应。

微藻原料中的氮元素主要分布在生物油和水相产物中，其中进入到生物油中氮元素存在形式主要是杂环氮、胺类氮和腈类氮三类，而水相氮主要是氨氮、杂环氮和酰胺类氮三类。水相氮和油相氮之间存在明显的迁移转化，通过调控水热液化过程中水相氮组成，能有效控制微藻水热液化所产生物油的氮元素种类和含量。

基金项目

本项目受到福建省自然科学基金青年创新项目(2020J05240)的资助。

致 谢

感谢福建技术师范学院电子与机械工程学院提供科研设备和场地支持，感谢福建省自然科学基金青年创新项目(2020J05240)的资金支持，感谢付海霞同志对本文写作提供的建议和指导。

NOTES

^*第一作者。

参考文献