酶解和堿處理對半乳糖醛酸-木素脫氫聚合物復(fù)合體結(jié)構(gòu)的影響

孫 雪 謝益民 楊海濤 姚 蘭 王 鵬 范建云

(湖北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢，430068)

化學(xué)法制漿過程中，化學(xué)藥品在高溫高壓的條件下能使植物纖維原料中木素-碳水化合物連接鍵(LC鍵)發(fā)生斷裂，從而使木素-碳水化合物復(fù)合體(LCC)中的部分木素溶出。化學(xué)法制漿技術(shù)已非常成熟，但是在節(jié)能環(huán)保方面還需改進(jìn)［1］。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，清潔生產(chǎn)成為制漿造紙工業(yè)發(fā)展的最終方向，因此生物法制漿和漂白越來越受人們青睞。由于生物酶的專一性，生物酶主要起縮短LCC結(jié)構(gòu)中多糖鏈長度作用，而不能切斷LC鍵，單獨(dú)采用生物法制漿和漂白的效果并不理想，生物法制漿和漂白技術(shù)的發(fā)展受到制約，但采用生物法對植物原料進(jìn)行預(yù)處理并與化學(xué)法制漿相結(jié)合可達(dá)到很好的制漿效果［2］。

果膠是一類具有共同特性的寡糖和多聚糖的混合物，相對分子質(zhì)量50000～3000000，主要存在于植物相鄰細(xì)胞壁的復(fù)合胞間層，是細(xì)胞間的黏結(jié)物質(zhì)［3］，主要成分是 D-半乳糖醛酸［4］。植物纖維細(xì)胞初生壁中含有大量果膠，能形成果膠-木素復(fù)合體(PLC)。研究證明，果膠和聚半乳糖醛酸能在果膠酶的作用下發(fā)生水解，利用果膠酶對植物纖維原料進(jìn)行預(yù)處理，然后采用化學(xué)法制漿，所得漿料的性能好于直接用化學(xué)法制漿所得漿料的性能，且能耗低［5］。

為探討植物纖維細(xì)胞壁中木素和果膠之間化學(xué)鍵的連接及其化學(xué)和生化降解機(jī)理，本實(shí)驗(yàn)首先利用果膠結(jié)構(gòu)單元D-半乳糖醛酸和木素前驅(qū)物松柏醇-β-D-葡萄糖苷來模擬植物體內(nèi)果膠-木素復(fù)合體的形成過程，合成半乳糖醛酸-木素脫氫聚合物復(fù)合體(GDHPC)，再用酶解(果膠酶)和堿法(1 mol/L的NaOH)分別對GDHPC進(jìn)行處理。利用FT-IR和13C-NMR分析這2種方法處理前后GDHPC中LC鍵的變化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 GDHPC的酶催化合成

將3 g松柏醇-β-D-葡萄糖苷(實(shí)驗(yàn)室條件下制得)溶解在200 mL醋酸鈉/醋酸緩沖溶液(pH值5.0，0.2 mol/L，下同)中，備用。將3 g D-半乳糖醛酸溶解在200 mL醋酸鈉/醋酸緩沖溶液中，在無菌條件下將D-半乳糖醛酸溶液加入到6 mL溶有漆酶1731 IU(諾維信)、葡萄糖氧化酶2465 IU(Ⅱ型:源自Aspergilus niger，Sigma)、辣根過氧化物酶573 IU(Ⅱ型:源自Horseradish，Sigma)、β-葡萄糖苷酶916 IU(源自almonds，F(xiàn)luka)的水溶液中，均勻混合后，用恒流泵(24 h，4 mL/h)將松柏醇-β-D-葡萄糖苷溶液加入到含各種生物酶和D-半乳糖醛酸的溶液中，將體系保持在30℃下反應(yīng)10 d，反應(yīng)期間不斷通入無菌空氣。反應(yīng)結(jié)束后，離心分離得到沉淀物，用蒸餾水洗滌沉淀物10次以去除各種酶、剩余的松柏醇-β-D-葡萄糖苷和D-半乳糖醛酸、醋酸鈉和醋酸。將產(chǎn)物冷凍干燥后再加入到60 mL二氯乙烷/乙醇(體積比2∶1)溶液中，室溫下攪拌0.5 h后再離心分離［6］。用二氯乙烷/乙醇溶液洗滌沉淀物3次以徹底去除沒有與D-半乳糖醛酸連接的木素脫氫聚合物(DHP)，將沉淀物冷凍干燥得產(chǎn)物 GDHPC(300 mg)。

1.2 GDHPC的果膠酶酶解處理［7］

將150 mg GDHPC加入到30 mL溶有果膠酶450 IU(Sigma)的醋酸鈉/醋酸緩沖溶液(pH值4.6)中，并加入數(shù)滴甲苯作保護(hù)劑。在50℃條件下水浴振蕩2 d。反應(yīng)完畢后，離心分離，并用蒸餾水洗滌沉淀物數(shù)遍后，冷凍干燥，得129 mg酶解后的半乳糖醛酸-木素脫氫化合物復(fù)合體(EDGDHPC)。

1.3 GDHPC 的堿法處理［7］

將150 mg GDHPC溶于1 mol/L的NaOH溶液中，在25℃條件下遮光攪拌12 h，期間用N2作保護(hù)劑。反應(yīng)完成后，用稀鹽酸調(diào)pH值至酸性，析出沉淀后離心分離，并用蒸餾水洗滌沉淀物3次，冷凍干燥，得121 mg堿處理后的半乳糖醛酸-木素脫氫化合物復(fù)合體(ADGDHPC)。

1.4 FT-IR分析

取1～2 mg樣品壓成KBr膜片，在Thermo Nexus 407 FT-IR紅外光譜儀上進(jìn)行檢測。

1.513C-NMR分析

分別稱取100 mg待測樣品溶解在0.5 mL DMSO-d6溶劑中，置入核磁管，在Bruker AV400雙通道全數(shù)字化傅里葉超導(dǎo)核磁共振譜儀上在100 MHz觀測頻率下進(jìn)行碳譜掃描。實(shí)驗(yàn)條件為:室溫，0.9 s接受時間，脈沖寬度60°，脈沖遲滯1.75 s，掃描次數(shù)20000 次［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR分析

圖1為GDHPC、EDGDHPC及ADGDHPC的紅外光譜圖，官能團(tuán)歸屬見表1［7-10］。。由圖1和表1可知，GDHPC在1600 cm-1附近有來自苯環(huán)的吸收峰，在1424和1030 cm-1附近有來自糖類C—O的振動吸收峰。這說明DHP和D-半乳糖醛酸形成了化學(xué)鍵結(jié)合。分別經(jīng)果膠酶酶解和堿法處理后，D-半乳糖醛酸上的羧基特征吸收峰(1732～1750 cm-1)有所減弱，特別是堿法處理后，D-半乳糖醛酸上的羧基特征吸收峰基本消失。說明酶解和堿處理都可降解GDHPC中的D-半乳糖醛酸。

圖1 GDHPC、EDGDHPC及ADGDHPC的紅外光譜圖

圖2 GDHPC、EDGDHPC及ADGDHPC的13C-NMR譜圖

表2 GDHPC、EDGDHPC及ADGDHPC的13C-NMR分析

2.213C-NMR分析

圖 2為 GDHPC、EDGDHPC及ADGDHPC的13C-NMR譜圖，化學(xué)位移所對應(yīng)的官能團(tuán)歸屬見表2［7-10］。由圖2和表2可知，GDHPC中的DHP部分主要以β-O-4(No.22 ～23)、β-β(No.17)、β-5(No.16)、β-1(No.26)結(jié)構(gòu)連接，此外，還含有大量的松柏醇/醛(No.2)和少量的香草醛結(jié)構(gòu)，以及Ar-CaH＝CH—(No.10)和 醚 化 5-5'結(jié) 構(gòu)(No.8)。No.19(δ=80.8 ～81.9)來自D-半乳糖醛酸與DHP以苯甲醚鍵連接結(jié)構(gòu)(見圖3a)的α-C共振信號，無論是果膠酶酶解還是堿法處理，該信號的強(qiáng)度均沒有明顯減弱，說明苯甲醚鍵連接結(jié)構(gòu)在果膠酶酶解和堿法處理過程中比較穩(wěn)定。No.21(δ=73.9 ～74.1)為來自DHP與D-半乳糖醛酸以酯鍵形式連接的木素-碳水化合物連接鍵(LC鍵，見圖3b)的α-C的共振信號，經(jīng)過果膠酶酶解后，該信號強(qiáng)度變化不明顯，說明果膠酶對于D-半乳糖醛酸和DHP之間的酯鍵連接很難起到切斷作用。然而，經(jīng)過堿法處理后，該信號幾乎完全消失，說明堿法處理對于切斷D-半乳糖醛酸和DHP之間以酯鍵形式連接的LC鍵非常有效。

圖3 GDHPC中愈創(chuàng)木基型結(jié)構(gòu)單元

3 結(jié)論

3.1 D-半乳糖醛酸和松柏醇β-D-葡萄糖苷在多種生物酶的作用下形成了半乳糖醛酸-木素脫氫聚合物復(fù)合體(GDHPC)。FT-IR和13C-NMR分析表明，D-半乳糖醛酸和木素脫氫聚合物(DHP)之間形成了以苯甲醚鍵和酯鍵2種形式連接的木素-碳水化合物連接鍵(LC鍵)。

3.2 堿法(1 mol/L的NaOH)處理GDHPC后，紅外光譜圖上的D-半乳糖醛酸的特征吸收峰明顯減弱;13C-NMR分析表明，堿法處理不能使苯甲醚鍵型LC鍵發(fā)生斷裂，但是可以使酯鍵型LC鍵完全斷裂。因此，在堿法處理果膠含量較高的纖維原料(樹皮、麻類等)時，制漿過程中通過降解酯鍵型LC鍵，使木素和果膠得到有效分離，漿料中木素和果膠殘留量比較少。

3.3 果膠酶酶解GDHPC后，紅外光譜圖上的D-半乳糖醛酸的特征吸收峰有所減弱;13C-NMR分析表明，果膠酶酶解對苯甲醚鍵型和酯鍵型的LC鍵都沒有明顯的切斷作用，所以單獨(dú)用果膠酶處理果膠含量較高的纖維原料時，效果不如堿法處理明顯。但果膠酶對果膠的降解，使得GDHPC的分子質(zhì)量降低，易于溶出脫除，并使纖維原料結(jié)構(gòu)變得疏松，提高了化學(xué)藥品與纖維原料的反應(yīng)性能，因此，果膠酶預(yù)處理能提高堿處理的效率。

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