玉米秸稈木質(zhì)素降解過程的CP／MAS 13CNMR和SEM表征

陳 琳，張 全，孟雪松，凌鳳香

（中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧 撫順113001）

我國秸稈資源非常豐富，每年達(dá)到7億t以上，但除少量用于造紙、紡織等行業(yè)或用作粗飼料、薪柴外，大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環(huán)境，造成極大的污染和浪費(fèi)[1，2］。利用微生物將其降解，轉(zhuǎn)化為能源，是使其資源化、環(huán)境化的有效途徑。玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，并共存于植物纖維原料中，形成非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，特別是木質(zhì)素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)嚴(yán)重阻礙了酶解的進(jìn)行[3］。因此，木質(zhì)素的降解是玉米秸稈資源化利用的關(guān)鍵。目前報(bào)道能降解木質(zhì)素的微生物多是白腐真菌，其中研究最多的是黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）[4］。利用黃孢原毛平革菌降解木質(zhì)素，對(duì)于高效利用和轉(zhuǎn)化秸稈資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

木質(zhì)素是一種三維立體結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，以苯丙烷結(jié)構(gòu)單元作為基本骨架，其苯環(huán)和支鏈上的官能團(tuán)包括甲氧基、羥基、羧基和羰基等，同時(shí)不同結(jié)構(gòu)單元以醚鍵和碳碳單鍵相連接[5］。圖1是木質(zhì)素的3種基本結(jié)構(gòu)（非縮合型結(jié)構(gòu)），即愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)、紫丁香基結(jié)構(gòu)和對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)。在微生物的降解作用下，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的這些官能團(tuán)和連接方式有可能會(huì)發(fā)生一些變化。

固體核磁（CP／MAS13CNMR）[6－9］不必將樣品制成溶液，而保持未被破壞的狀態(tài)，可以獲得其微觀結(jié)構(gòu)更全面、準(zhǔn)確的信息。因此，作者在此采用CP／MAS13CNMR和SEM表征玉米秸稈木質(zhì)素降解前后的結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果對(duì)降解過程中玉米秸稈木質(zhì)素的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了討論。

圖1 木質(zhì)素的3種基本結(jié)構(gòu)單元Fig.1 Three basic structural units of lignin

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

玉米秸稈木質(zhì)素原料：取自肇東，將玉米秸稈蒸汽爆破后，再蒸煮，利用纖維素酶將其酶解，經(jīng)過濾、105℃烘干，即得到玉米秸稈木質(zhì)素原料。

降解后樣品：利用黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）FS－19對(duì)玉米秸稈木質(zhì)素原料進(jìn)行搖瓶降解處理，抽濾，105℃烘干，分別得到降解6d、12d及18d的樣品。

1.2 儀器

固體核磁（CP／MAS13CNMR）：Bruker AvanceⅢ500型核磁共振波譜儀（瑞士Bruker公司），4mm魔角探頭，轉(zhuǎn)速5kHz，脈沖寬度90，交叉極化時(shí)間0.05s，采樣間隔時(shí)間10μs，接觸時(shí)間2000μs，弛豫時(shí)間1s，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)8192，內(nèi)標(biāo)參考物為四甲基硅烷。

JSM－7500F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本），加速電壓5.0～10.0kV。

1.3 方法

分別取玉米秸稈木質(zhì)素原料及降解6d、12d、18d的樣品進(jìn)行 CP／MAS13CNMR表征。參照文獻(xiàn)[10］，根據(jù)圖譜中的各信號(hào)化學(xué)位移進(jìn)行歸屬，找出相應(yīng)的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，比較降解前后木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)變化情況。

同樣，分別取玉米秸稈木質(zhì)素原料及降解6d、12d、18d的樣品進(jìn)行SEM分析，比較降解前后木質(zhì)素的微觀結(jié)構(gòu)變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 CP／MAS 13CNMR分析

2.1.1 定性分析

圖2是玉米秸稈木質(zhì)素原料及降解6d、12d、18d的樣品的CP／MAS13CNMR譜圖，圖2中各吸收信號(hào)對(duì)應(yīng)的碳原子歸屬見表1 。

圖2 玉米秸稈木質(zhì)素降解前后的CP／MAS 13CNMR圖譜Fig.2 CP／MAS 13CNMR Spectra of corn stover lignin before and after degradation

由圖2和表1 可知，各樣品中同時(shí)存在愈創(chuàng)木基、紫丁香基和對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)，由于受到其它大分子結(jié)構(gòu)的影響，譜峰較寬。圖2中，化學(xué)位移60～110ppm譜峰很強(qiáng)，一般來講，固體CP／MAS13CNMR中，纖維素的信號(hào)主要集中在這個(gè)化學(xué)位移區(qū)間；此外還有少量的半纖維素存在，這一帶雖然也有木質(zhì)素側(cè)鏈的信號(hào)，但即使在純的木質(zhì)素中，這一帶的信號(hào)也較弱，因

表1 玉米秸稈木質(zhì)素CP／MAS 13CNMR譜的化學(xué)位移與歸屬Tab.1 Chemical shift assignments of CP／MAS 13CNMR for corn stover lignin

此圖2中60～110ppm強(qiáng)烈的核磁峰，正好也說明所謂的纖維素酶解木質(zhì)素，實(shí)際上有大量的碳水化合物存在。另外，各樣品在85.7ppm處都有β－O－4鍵連接的紫丁香基和愈創(chuàng)木基單元上Cβ的中等強(qiáng)度吸收峰，且此吸收峰的強(qiáng)度基本沒有變化，說明在降解過程中，作為木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元主要連接方式的β－O－4鍵基本上沒有被降解。

2.1.2 定量分析

木質(zhì)素不同類型碳相應(yīng)積分區(qū)域[11］為：羰基碳200～160ppm；芳基碳160～110ppm；烷氧基碳110～60ppm；甲氧基碳57ppm；烷基碳46～0ppm。通過各區(qū)域信號(hào)的積分可以初步定量地得到各組分的變化。表2 為木質(zhì)素CP／MAS13CNMR譜不同化學(xué)位移區(qū)間的積分面積。

表2 CP／MAS 13CNMR譜不同化學(xué)位移區(qū)間的積分面積Tab.2 Different chemical shift integral area in CP／MAS 13CNMR spectra

由表2 可知，木質(zhì)素降解后，單位苯環(huán)的甲氧基碳含量有所增加，這可能是由于降解過程中苯環(huán)側(cè)鏈上的－OH被氧化所致；化學(xué)位移110～60ppm的烷氧基碳含量有所減少，是由于降解過程中碳氧化合物被除去，與定性分析結(jié)果一致。

S／G值（S為Syringyl，紫丁香基；G為 Guaiacyl，愈創(chuàng)木基）可依據(jù)化學(xué)位移153.0ppm、148.0ppm和134.3ppm處的去卷積峰面積估算出來[12］。153.0 ppm、148.0ppm處的峰面積包括紫丁香基（S）木質(zhì)素的C3、C5以及愈創(chuàng)木基（G）木質(zhì)素的C3、C5，即含有（2S＋2G）個(gè)碳原子；134.3ppm處的峰包括了紫丁香基（S）木質(zhì)素單元的C1、C4以及愈創(chuàng)木基（G）木質(zhì)素單元的C1，即含有（2S＋G）個(gè)碳原子。因此可依據(jù)積分面積計(jì)算出S／G值。

表3 是玉米秸稈木質(zhì)素原料及降解6d、12d、18d的樣品的S／G值。

由表3 可知，木質(zhì)素降解過程中，S／G值逐漸減小。其原因可能與木質(zhì)素的降解過程有關(guān)：木質(zhì)素的降

表3 木質(zhì)素降解過程的S／G值Tab.3 S／G Values for lignin degradation

解是從外部暴露的細(xì)胞壁向內(nèi)部進(jìn)行，這種降解可能會(huì)首先移除次生細(xì)胞壁；而紫丁香基丙烷單元中次生細(xì)胞壁更豐富些，愈創(chuàng)木基丙烷單元中則含有更多的離中心較近的薄壁組織，因此，S／G值會(huì)逐漸降低；此外，在木質(zhì)素降解過程中，微生物會(huì)選擇性地移除更多的紫丁香基，這是因?yàn)橛鷦?chuàng)木基中C－C鍵和C－O－C鍵連接得很緊密的緣故。

2.2 SEM 分析

通過SEM表征[13－15］玉米秸稈木質(zhì)素原料及降解6d、12d、18d的樣品的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖3。

圖3 玉米秸稈木質(zhì)素降解過程的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM Photos of corn stover lignin degradation

由圖3可知，未被降解的玉米秸稈木質(zhì)素表面平整，結(jié)構(gòu)緊密，呈自然伸展?fàn)顟B(tài)，有明顯的顆粒物質(zhì)存在，偶有空穴可見。隨著降解時(shí)間的延長，樣品表面變得粗糙，凹凸不平，空穴增多且增大，顆粒物質(zhì)減少。經(jīng)分析，空穴增多的原因可能是由于纖維素酶解木質(zhì)素中還存在大量的碳水化合物，而碳水化合物較木質(zhì)素更易被降解；空穴增大主要是其中的高聚糖在生物降解過程中被除去所致。

3 結(jié)論

CP／MAS13CNMR結(jié)果表明，玉米秸稈木質(zhì)素降解過程中，作為木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元主要連接方式的β－O－4鍵基本上沒有被降解；生物降解后，木質(zhì)素單位苯環(huán)的甲氧基碳含量稍有增加，S／G值降低，推斷反應(yīng)過程中紫丁香基優(yōu)先參與反應(yīng)。SEM結(jié)果表明，空穴增大主要是由于碳水化合物的降解所致，而木質(zhì)素本身的結(jié)構(gòu)基本上未發(fā)生明顯的變化。

CP／MAS13CNMR為木質(zhì)纖維原料的結(jié)構(gòu)表征提供了一種先進(jìn)的手段，也可進(jìn)行初步定量，是傳統(tǒng)的定量表征手段很好的補(bǔ)充，具有一定的研究意義。

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