巨龍竹木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)研究

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（1 西南林業(yè)大學(xué) 云南省高校生物質(zhì)化學(xué)煉制與合成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 昆明 650224 2 教育部省部共建西南山地森林資源保育與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 昆明 650224）

巨龍竹木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)研究

成聃睿1史正軍1楊海艷1繆正調(diào)1劉蔚漪2鄭志鋒1輝朝茂2鄧 佳2

（1 西南林業(yè)大學(xué) 云南省高校生物質(zhì)化學(xué)煉制與合成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 昆明 650224 2 教育部省部共建西南山地森林資源保育與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 昆明 650224）

為解析巨龍竹木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，采用高效陰離子交換色譜、凝膠色譜、傅里葉變換紅外光譜、核磁共振等現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，對(duì)巨龍竹木質(zhì)素樣品進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：弱酸性環(huán)境有利于打斷巨龍竹木質(zhì)素與半纖維素之間的化學(xué)聯(lián)接而使木質(zhì)素更易于分離，且對(duì)木質(zhì)素中的主要聯(lián)接鍵破壞較??；巨龍竹木質(zhì)素含有紫丁香基（S）、愈創(chuàng)木基（G）以及對(duì)羥基苯基（H）3種基本結(jié)構(gòu)單元，屬于禾草類木質(zhì)素；巨龍竹木質(zhì)素基本單元間化學(xué)聯(lián)接鍵以β-O-4′結(jié)構(gòu)為主，并存在一定量的β-β′、β-5′、β-1′化學(xué)聯(lián)接。

巨龍竹；木質(zhì)素；化學(xué)結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)表征；核磁共振

中國(guó)是世界竹類資源最豐富的國(guó)家，竹子種類和竹林面積居世界首位，具有發(fā)展竹產(chǎn)業(yè)的優(yōu)越資源條件[1]。巨龍竹（Dendrocalamus sinicus）屬禾本科（Gramineae）竹亞科（Bambusoideae）牡竹屬（Dendrocalamus）竹種，原產(chǎn)于云南南部西雙版納、德宏、普洱、保山等地區(qū)，1982年首次在云南西雙版納被發(fā)現(xiàn)并命名[2]。巨龍竹稈高可達(dá)30 m以上，徑粗可達(dá)34 cm，是世界上迄今為止所發(fā)現(xiàn)稈型最高大的竹種[3]。據(jù)研究，巨龍竹單位面積產(chǎn)材量比毛竹高5～8倍，堪稱“竹中極品、世界之最”，被視為極具研究和開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的特大型經(jīng)濟(jì)用材竹種之一[4]。由于巨龍竹被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間較晚，且分布區(qū)科技文化相對(duì)落后，目前對(duì)其基本化學(xué)性質(zhì)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，其高值化轉(zhuǎn)化利用缺乏可靠的科學(xué)理論指導(dǎo)。因此，本研究選用有機(jī)溶劑從巨龍竹稈材提取得到木質(zhì)素組分，并采用現(xiàn)代儀器分析手段解析其化學(xué)結(jié)構(gòu)，意在通過(guò)本研究為巨龍竹資源的化學(xué)轉(zhuǎn)化利用提供必要的理論基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料制備

實(shí)驗(yàn)所用巨龍竹采自云南省臨滄市滄源佤族自治縣。選取正常生長(zhǎng)、無(wú)病蟲(chóng)害的3年生巨龍竹，經(jīng)風(fēng)干、粉碎后，篩選245～350 μm的竹粉，保存于廣口瓶中，備實(shí)驗(yàn)用。巨龍竹原料化學(xué)組分按美國(guó)國(guó)家可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[5]，其中纖維素含量為44.5%，半纖維素含量為17.6%，木質(zhì)素含量為28.6%。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

將制備好的40～60目巨龍竹竹粉用體積比2:1的苯醇溶液抽提6 h，抽提后的脫蠟竹粉行星球磨8 h，再用96%二氧六環(huán)溶液抽提48 h，然后過(guò)濾。將所得濾液pH調(diào)至5.5，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器濃縮到30 mL，然后用3倍體積的95%乙醇進(jìn)行沉淀。通過(guò)離心分離，去除半纖維素沉淀。將離心所得液體繼續(xù)濃縮至15 mL，調(diào)節(jié)pH值為2.0，最后離心得到磨木木質(zhì)素（MWL）。用含有0.05 M鹽酸的85%二氧六環(huán)溶液，在85 ℃下抽提第一步所得濾渣5 h，過(guò)濾。將濾液按照上述方法進(jìn)行分離純化得到酸解木質(zhì)素（MAL）。將MWL和MAL冷凍干燥后保存，備分析測(cè)試用。

1.3分析測(cè)試方法

1.3.1木質(zhì)素得率及純度

木質(zhì)素的得率按照產(chǎn)物占原料干重的百分比進(jìn)行計(jì)算。木質(zhì)素純度采用高效離子交換色譜法（HPAEC）測(cè)定，先在2 mL水解瓶中放入5 mg樣品和1.475 mL的10% H2SO4溶液，在105 ℃條件下水解2.5 h，將水解液過(guò)濾后稀釋一定倍數(shù)（約50倍），再用戴安高效陰離子色譜進(jìn)行單糖分析。

1.3.2木質(zhì)素分子量

木質(zhì)素分子量采用安捷倫1200工作站（凝膠色譜）進(jìn)行測(cè)定。稱取4 mg樣品，溶解于2 mL四氫呋喃中，將溶液過(guò)濾進(jìn)色譜柱進(jìn)行分析，采用分子量為435 500、66 000、9 200和1 320 g/mol 4種聚苯乙烯標(biāo)樣作為測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.3木質(zhì)素紅外光譜分析

采用KBr壓片法測(cè)定木質(zhì)素紅外光譜特征。按1%比例將待測(cè)木質(zhì)素樣品均勻分散于KBr中，波長(zhǎng)范圍4 000～400 cm-1，用Tensor 27型紅外吸收光譜儀在透射模式下測(cè)定木質(zhì)素紅外光譜。

1.3.4木質(zhì)素核磁共振分析

采用布魯克400 M超導(dǎo)核磁共振儀測(cè)定木質(zhì)素的核磁共振碳譜。溶劑采用氘代DMSO，在FT模式100.6 MHz下進(jìn)行信號(hào)采集，選取DMSO的化學(xué)位移（39.5×10-6）進(jìn)行校標(biāo)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1木質(zhì)素得率及純度

木質(zhì)素的得率及純度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可知，樣品MWL和MAL的得率分別為6.8%和8.7%，其中木質(zhì)素含量分別為82.3%和88.4%，聚糖組分含量分別為16.6%和8.5%。通過(guò)比較，弱酸性環(huán)境下分離出的木質(zhì)素樣品（MAL）得率更高，且該樣品中糖含量只有MAL的一半左右，說(shuō)明弱酸性環(huán)境有利于破壞木質(zhì)素與半纖維素之間的相互作用，將木質(zhì)素更好的分離出來(lái)。此外，樣品中的殘留糖均以木聚糖為主，說(shuō)明木質(zhì)素與木聚糖可能存在交聯(lián)[6]。

表1　巨龍竹木質(zhì)素組分的得率及糖含量

2.2分子量及其分布

MWL和MAL的重均分子量（Mw）及數(shù)均分子量（Mn）通過(guò)凝膠滲透色譜測(cè)定。由于在測(cè)定時(shí)以聚苯乙烯標(biāo)樣作為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定出的木質(zhì)素分子量并非絕對(duì)值，而是相對(duì)值，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。木質(zhì)素的分子量大小能夠反映不同的分離方法對(duì)木質(zhì)素大分子降解的程度。分子量越大，說(shuō)明分離過(guò)程對(duì)木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)的破壞越小，所分離出的木質(zhì)素在結(jié)構(gòu)上更接近原本細(xì)胞中的木質(zhì)素。本實(shí)驗(yàn)MWL和MAL的木質(zhì)素分子量分別是4 750 g/mol和3 790 g/mol，相比之下MAL的木質(zhì)素分子量略小，其原因是MAL樣品中含糖量比MWL少，導(dǎo)致MAL測(cè)得的分子量低。木質(zhì)素分子量的多分散性是衡量木質(zhì)素利用價(jià)值的重要因素，木質(zhì)素分子量分布越均一，其利用價(jià)值越高，所用分離方法越有效。MWL和MAL的多分散系數(shù)分別為1.6和1.8，分離出的木質(zhì)素分子量分布范圍較窄，木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)比較均一。

表2　巨龍竹木質(zhì)素的重均分子量（Mw）、數(shù)均分子量（Mn）及多分散性（Mw/Mn）

2.3紅外光譜分析

木質(zhì)素樣品MWL和MAL的紅外光譜如圖1所示。不難看出，MWL和MAL的紅外光譜特征極為相似，只在吸收強(qiáng)度上略有不同。紅外光譜圖中各個(gè)吸收峰參照相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行歸屬[7-9]。3 398 cm-1處強(qiáng)吸收峰來(lái)自O(shè)-H的伸縮振動(dòng)，2 939 cm-1和2 843 cm-1處的吸收峰代表CH3和CH2的C-H伸縮振動(dòng)峰。在1 705 cm-1處的吸收峰是非共軛酮基、羰基和酯鍵的C=O振動(dòng)；而MAL的紅外光譜中該吸收峰較弱，可以判斷出酸性溶液提取的木質(zhì)素中阿魏酸酯鍵或乙?；艿搅似茐摹Ｔ? 601 cm-1、1 512 cm-1、1 423 cm-1處的吸收峰是木質(zhì)素苯環(huán)骨架振動(dòng)的特征吸收峰，說(shuō)明分離過(guò)程中木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞。1 458 cm-1處的吸收峰代表苯環(huán)C-H及甲氧基C-H的變形振動(dòng)峰。1 122 cm-1、833 cm-1、1 162 cm-13處吸收峰說(shuō)明2個(gè)樣品都屬于禾草類木質(zhì)素（GSH型），其大分子由對(duì)羥基苯丙烷、愈創(chuàng)木基丙烷和紫丁香基丙烷3種基本結(jié)構(gòu)單元組成。

2.4核磁共振分析

為進(jìn)一步研究木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，對(duì)MAL和MWL進(jìn)行了核磁共振分析，其13C-NMR圖譜見(jiàn)圖2。木質(zhì)素核磁共振碳譜圖中相關(guān)信號(hào)峰對(duì)照文獻(xiàn)進(jìn)行歸屬[10-13]，歸屬結(jié)果參見(jiàn)表3。

圖1　巨龍竹MAL（上）和MWL（下）的紅外光譜圖

圖2　MAL（上）和MWL（下）核磁共振碳譜

表3　巨龍竹木質(zhì)素組分的13C-NMR信號(hào)歸屬

對(duì)于木質(zhì)素樣品MAL，信號(hào)166.3×10-6、159.8×10-6、130.2×10-6、125.0×10-6、115.8×10-6、115.3×10-6分別代表對(duì)香豆酸酯（ρCA）的C-γ、C-4、C-2/C-6、C-1、C-β、C-β，這些信號(hào)峰的出現(xiàn)是由于竹材木質(zhì)素苯丙烷單元側(cè)鏈的γ位置上有酯化的對(duì)香豆酸。木質(zhì)素13C-NMR圖譜中均出現(xiàn)顯著的紫丁香基單元（S）、愈創(chuàng)木基單元（G）以及對(duì)羥基苯基單元（H）信號(hào)峰。其中，S型結(jié)構(gòu)單元信號(hào)峰有：152.2×10-6（C-3/C-5，醚化）、147.2×10-6（C-3/C-5，非醚化）、134.8×10-6（C-1，醚化）、104.2×10-6（C-2/C-6，醚化）；G型結(jié)構(gòu)單元信號(hào)峰有：147.2×10-6（C-4，醚化）、111.6×10-6（C-2，醚化的和非醚化的）；H型結(jié)構(gòu)單元信號(hào)峰有：130.2×10-6。這些信號(hào)峰的出現(xiàn)再次證實(shí)了巨龍竹木質(zhì)素屬于禾草類木質(zhì)素。此外，13C-NMR圖譜中還出現(xiàn)一些木質(zhì)素各單元間聯(lián)接鍵的信號(hào)峰，β-O-4′信號(hào)出現(xiàn)在72.3×10-6、60.2×10-6，β-β′位于71.9×10-6，β-5′在62.8×10-6。愈創(chuàng)木基或紫丁香基的-OCH3的信號(hào)出現(xiàn)在55.9×10-6。在65.7×10-6～102.0×10-6發(fā)現(xiàn)少量微弱糖類信號(hào)，說(shuō)明木質(zhì)素樣品中存在少量糖組分，此結(jié)果與紅外光譜檢測(cè)結(jié)果相符。

在木質(zhì)素樣品MWL的核磁共振碳譜圖中，信號(hào)167.9×10-6、166.4×10-6、159.8×10-6、130.1×10-6、125.3×10-6、125.0×10-6、115.8×10-6、115.3×10-6分別代表對(duì)香豆酸酯（ρCA）的C-γ、C-γ、C-4、C-2/ C-6、C-1、C-1、C-β、C-β。通過(guò)對(duì)比可知，MWL 碳譜中對(duì)香豆酸酯的信號(hào)峰多于MAL，說(shuō)明中性有機(jī)溶劑抽提可以更好地保留木質(zhì)素中C-γ位的對(duì)香豆酸酯。在MWL樣品中，S型結(jié)構(gòu)單元信號(hào)峰有：152.2×10-6（C-3/C-5，醚化）、134.9×10-6（C-1，醚化）、104.3 ×10-6（C-2/C-6，醚化），G型結(jié)構(gòu)單元信號(hào)峰有： 149.2×10-6（C-3，醚化）、147.6×10-6（C-4，醚化）、145.5×10-6（C-4，非醚化）、119.1×10-6（C-6或C-5）、111.6×10-6（C-2，醚化的和非醚化的），H型結(jié)構(gòu)單元信號(hào)峰有：130.1×10-6、114.0×10-6（C-3/C-5，醚化）。同樣，MWL中也有明顯的β-O-4′、β-β′、β-5′以及愈創(chuàng)木基或紫丁香基中-OCH3的相關(guān)信號(hào)峰。13.9×10-6～31.3×10-6范圍內(nèi)的信號(hào)峰代表木質(zhì)素丙烷側(cè)鏈的γ-甲基、α和β-亞甲基，而63.3×10-6～101.8×10-6的信號(hào)峰說(shuō)明樣品中含有糖類雜質(zhì)，此結(jié)果與樣品純度檢測(cè)及紅外光譜分析結(jié)果一致。

3　結(jié)論

通過(guò)得率、化學(xué)純度、分子量、紅外光譜、核磁共振等分析，對(duì)巨龍竹木質(zhì)素進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征研究。結(jié)果表明，木質(zhì)素MAL純度更高，其糖含量約為MWL糖含量的一半，說(shuō)明弱酸性的二氧六環(huán)溶液能夠有效地?cái)嚅_(kāi)木質(zhì)素與半纖維素之間的化學(xué)鏈接，促進(jìn)木質(zhì)素的溶出；巨龍竹木質(zhì)素屬于禾草類木質(zhì)素，木質(zhì)素大分子含有紫丁香基、愈創(chuàng)木基和對(duì)羥基苯基3種基本結(jié)構(gòu)單元；巨龍竹木質(zhì)素基本單元間聯(lián)接鍵以β-O-4′結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)存在一定量的β-β′、β-5′、β-1′聯(lián)接；此外，巨龍竹木質(zhì)素大分子C-γ位存在對(duì)香豆酸酯結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在中性有機(jī)溶劑條件下更容易完整保留。

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Chemical Structure of Lignin Isolated from Dendrocalamus sinicus

Cheng Danrui1Shi Zhengjun1Yang Haiyan1Miao Zhengdiao1Liu Weiyi2Zheng Zhifeng1Hui Chaomao2Deng jia2
(1 University Key Laboratory of Biomass Chemical Refinery & Synthesis, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China 2 Key Laboratory for Forest Resources Conservation and Use in the Southwest Mountains of China, Southwest Forestry University, Kunming650224,China)

The high performance anion exchange chromatography (HPAEC), gel permeation chromatography (GPC), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and nuclear magnetic resonance spectra (13C-NMR) were adopted to test the samples of lignin fractions isolated from Dendrocalamus sinicus in order to characterize its chemical structural features. The results indicated that the weak acid treatment could help break the chemical inter-linkages between lignin and hemicelluloses, and make lignin component easier to be isolated while impose lesser damages on its main linkage. The bamboo lignin belongs to grass lignin, containing 3 basic units including syringl (S), guaiacyl (G), and p-hydroxylphengl (H). In addition, the dominant linkages among S, G, and H units were β-O-4′ linkages, followed by a certain amount of β-β′, β-5′, and β-1′ linkages.

Dendrocalamus sinicus, lignin, structural characterization, nuclear magnetic resonance (NMR)

10.13640/j.cnki.wbr.2015.02.001

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31260165、31160154）；林業(yè)科技成果國(guó)家級(jí)推廣項(xiàng)目([2012]66)；國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目（2012GB2F300417）；云南省竹藤科學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目；云南省教育廳基金項(xiàng)目（2011Z040）。

成聃睿（1990-），男，四川成都人，在讀研究生，從事林產(chǎn)化工方面的研究工作。E-mail: chengdr@qq.com。

鄧佳，講師，博士，研究方向?yàn)樯峙嘤c利用。E-mail: dengjia1983@163.com。