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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)煉制與合成重點實驗室 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實驗室 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)煉制與合成重點實驗室 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實驗室 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)，對巨龍竹木質(zhì)素樣品進行檢測。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

中國是世界竹類資源最豐富的國家，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30 m以上，徑粗可達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發(fā)利用價值的特大型經(jīng)濟用材竹種之一[4]。由于巨龍竹被發(fā)現(xiàn)的時間較晚，且分布區(qū)科技文化相對落后，目前對其基本化學(xué)性質(zhì)的研究還遠遠不夠，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　實驗材料及方法

1.1實驗材料制備

實驗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、無病蟲害的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，備實驗用。巨龍竹原料化學(xué)組分按美國國家可再生能源國家實驗室標準方法測定[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實驗步驟

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%乙醇進行沉淀。通過離心分離，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，過濾。將濾液按照上述方法進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，備分析測試用。

1.3分析測試方法

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行計算。木質(zhì)素純度采用高效離子交換色譜法（HPAEC）測定，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，將水解液過濾后稀釋一定倍數(shù)（約50倍），再用戴安高效陰離子色譜進行單糖分析。

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）進行測定。稱取4 mg樣品，溶解于2 mL四氫呋喃中，將溶液過濾進色譜柱進行分析，采用分子量為435 500、66 000、9 200和1 320 g/mol 4種聚苯乙烯標樣作為測定標準。

1.3.3木質(zhì)素紅外光譜分析

采用KBr壓片法測定木質(zhì)素紅外光譜特征。按1%比例將待測木質(zhì)素樣品均勻分散于KBr中，波長范圍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下進行信號采集，選取DMSO的化學(xué)位移（39.5×10-6）進行校標。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1木質(zhì)素得率及純度

木質(zhì)素的得率及純度測定結(jié)果見表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。此外，樣品中的殘留糖均以木聚糖為主，說明木質(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）通過凝膠滲透色譜測定。由于在測定時以聚苯乙烯標樣作為標準，測定出的木質(zhì)素分子量并非絕對值，而是相對值，測定結(jié)果見表2。木質(zhì)素的分子量大小能夠反映不同的分離方法對木質(zhì)素大分子降解的程度。分子量越大，說明分離過程對木質(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)上更接近原本細胞中的木質(zhì)素。本實驗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)素利用價值的重要因素，木質(zhì)素分子量分布越均一，其利用價值越高，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，只在吸收強度上略有不同。紅外光譜圖中各個吸收峰參照相關(guān)文獻進行歸屬[7-9]。3 398 cm-1處強吸收峰來自O(shè)-H的伸縮振動，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；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)骨架振動的特征吸收峰，說明分離過程中木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)沒有被破壞。1 458 cm-1處的吸收峰代表苯環(huán)C-H及甲氧基C-H的變形振動峰。1 122 cm-1、833 cm-1、1 162 cm-13處吸收峰說明2個樣品都屬于禾草類木質(zhì)素（GSH型），其大分子由對羥基苯丙烷、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

為進一步研究木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，對MAL和MWL進行了核磁共振分析，其13C-NMR圖譜見圖2。木質(zhì)素核磁共振碳譜圖中相關(guān)信號峰對照文獻進行歸屬[10-13]，歸屬結(jié)果參見表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信號歸屬

對于木質(zhì)素樣品MAL，信號166.3×10-6、159.8×10-6、130.2×10-6、125.0×10-6、115.8×10-6、115.3×10-6分別代表對香豆酸酯（ρCA）的C-γ、C-4、C-2/C-6、C-1、C-β、C-β，這些信號峰的出現(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）以及對羥基苯基單元（H）信號峰。其中，S型結(jié)構(gòu)單元信號峰有：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)單元信號峰有：130.2×10-6。這些信號峰的出現(xiàn)再次證實了巨龍竹木質(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)接鍵的信號峰，β-O-4′信號出現(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，說明木質(zhì)素樣品中存在少量糖組分，此結(jié)果與紅外光譜檢測結(jié)果相符。

在木質(zhì)素樣品MWL的核磁共振碳譜圖中，信號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。通過對比可知，MWL 碳譜中對香豆酸酯的信號峰多于MAL，說明中性有機溶劑抽提可以更好地保留木質(zhì)素中C-γ位的對香豆酸酯。在MWL樣品中，S型結(jié)構(gòu)單元信號峰有：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)信號峰。13.9×10-6～31.3×10-6范圍內(nèi)的信號峰代表木質(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的信號峰說明樣品中含有糖類雜質(zhì)，此結(jié)果與樣品純度檢測及紅外光譜分析結(jié)果一致。

3　結(jié)論

通過得率、化學(xué)純度、分子量、紅外光譜、核磁共振等分析，對巨龍竹木質(zhì)素進行結(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，說明弱酸性的二氧六環(huán)溶液能夠有效地斷開木質(zhì)素與半纖維素之間的化學(xué)鏈接，促進木質(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位存在對香豆酸酯結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在中性有機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

國家自然科學(xué)基金項目（31260165、31160154）；林業(yè)科技成果國家級推廣項目([2012]66)；國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目（2012GB2F300417）；云南省竹藤科學(xué)創(chuàng)新團隊建設(shè)項目；云南省教育廳基金項目（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，研究方向為森林培育與利用。E-mail: dengjia1983@163.com。