魯 南 沈 鋒 王勝丹 楊桂花 陳嘉川,*

(1.天津科技大學造紙學院,天津,300457；2.齊魯工業(yè)大學制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

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·巨菌草·

巨菌草的木素及半纖維素分析

魯 南1,2沈 鋒2王勝丹2楊桂花2陳嘉川2,*

(1.天津科技大學造紙學院,天津,300457；2.齊魯工業(yè)大學制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

通過堿性硝基苯氧化法測定巨菌草原料中木素結構單元的比例,采用透射電子顯微鏡(TEM)研究了巨菌草纖維的超微結構和木素分布情況；采用紅外光譜研究了巨菌草原料中木素的結構,并與常規(guī)的硫酸鹽漿和燒堿-蒽醌漿中殘余木素結構進行了對比；使用離子色譜法分析了巨菌草原料半纖維素的組成。結果顯示,巨菌草原料中愈創(chuàng)木酚基木素結構單元含量較高,達75.63%,對羥苯基木素結構單元和紫丁香基木素結構單元含量較少,分別為10.52%和13.85%。通過TEM觀察巨菌草纖維超微切片,巨菌草纖維次生壁外層(S1)較薄；纖維細胞次生壁中層(S2)較厚,占據(jù)了細胞壁厚度的大部分,約為S1層的4倍左右,占細胞壁的80%以上；而次生壁內(nèi)層(S3)最薄。離子色譜分析結果表明,木糖是巨菌草原料半纖維素中最主要的單糖,其含量為56.84%,其次為葡萄糖,其含量為42.48%,阿拉伯糖極少,僅為0.66%；未檢測到甘露糖和半乳糖,說明巨菌草原料半纖維素中含痕量或不含甘露糖和半乳糖。

巨菌草；超微結構；木素分布；半纖維素

(*E-mail: chenjc@qlu.edu.cn)

巨菌草(Pennisetumsinesegrasses)隸屬被子植物門,原產(chǎn)于北非,由福建農(nóng)林大學林占熺研究員引進中國,是一種適應性強,繁殖快的多年生禾本科植物,生長快、產(chǎn)量高、光合作用效率高,一年內(nèi)株高最高可達7 m,年產(chǎn)量最高可達525 t/hm2鮮草[1-3]。

木素是裸子植物和被子植物木質部細胞壁的主要組分之一,在細胞壁中以物理或化學的方式使纖維素纖維之間黏結和加固,具有增加木材的機械強度和抵抗微生物侵蝕的作用,使木化植物直立挺拔和不易腐朽[4]。木素是自然形成的芳香族聚合物,幾乎存在于所有的維管束植物中,是自然界中存量第二位的天然生物聚合物,僅次于纖維素。木素的含量是影響紙漿質量的重要因素,研究巨菌草原料及紙漿中的木素結構,對于研究巨菌草木素在制漿和漂白過程中的降解機理具有重要的作用,為下一步巨菌草應用于制漿造紙?zhí)峁├碚撘罁?jù)[5- 6]。

半纖維素是植物原料中的主要成分之一,植物原料中半纖維素的利用越來越受到人們的重視,不同原料中半纖維素的組成有很大差別,因此確定原料中各種糖基構成及其含量具有重要意義[7-9]。

目前對巨菌草制漿造紙性能的研究較少,尤其是對其木素結構的研究更少。而制漿與漂白主要在于脫除紙漿中的木素。本研究采用堿性硝基苯氧化法來測定木素中結構單元的比例,重點探討了巨菌草的超微結構和木素分布,研究巨菌草原料木素、硫酸鹽漿殘余木素、燒堿-蒽醌漿殘余木素的紅外光譜結構,并使用離子色譜法分析了巨菌草原料的半纖維素組成。

1 實 驗

1.1 原料

巨菌草,一年生,2013年9月采自廣東省。取有代表性的試樣,風干后切成3 cm長的小段備用。

1.2 實驗儀器

LC-20ATvp高效液相色譜儀(HPLC), Shimadzu公司;H-7650透射電子顯微鏡(TEM),日立高新技術公司；IR Pretige-21傅里葉紅外光譜儀,日本島津公司；DIOONEX-5000離子色譜儀,美國賽默飛公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 巨菌草木素結構單元分析

本研究使用謝益民教授于1994年提出的堿性硝基苯氧化木素改良方法測定巨菌草原料中木素的結構單元[10]。使用高效液相色譜法(HPLC)對木素氧化產(chǎn)物進行分析檢測。

1.3.2 巨菌草超微結構分析

選取有代表性的巨菌草試樣經(jīng)排氣、軟化、戊二醛固定、高錳酸鉀染色、脫水、浸透及包埋后,在LEICA-UC6超薄切片機上切片(厚度90 nm),將切片撈在覆有一層Formvar膜的銅網(wǎng)上,脫水后噴碳[11-12]。

使用TEM進行觀察。工作條件為加速電壓80 kV,自動聚焦、自動成像[13]。

1.3.3 木素在纖維細胞壁中的分布

巨菌草樣品與甲苯胺藍顯示正反應,顏色變綠；與高錳酸鉀反應顏色變紅褐色；與間苯三酚-鹽酸反應顏色變紫紅,這些現(xiàn)象均表明巨菌草中木素的存在。本研究選用質量分數(shù)為1%的高錳酸鉀進行染色實驗[14]。

1.3.4 巨菌草制漿工藝

巨菌草硫酸鹽法制漿工藝條件為：液比1∶5,用堿量15%,硫化度12.5%,最高溫度160℃,蒸煮時間150 min(升溫時間90 min,保溫時間60 min)。在此條件測得的細漿得率為46.2%,高錳酸鉀值為10.3。

巨菌草燒堿-蒽醌法制漿的工藝條件為：NaOH用量15%,液比1∶5,蒽醌用量0.05%,蒸煮最高溫度160℃,蒸煮時間150 min(升溫時間90 min,保溫時間60 min)。在此條件測得的細漿得率為45.5%,高錳酸鉀值為10.5。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析

使用溴化鉀壓片法制得透明的木素待測樣品,在4000～400 cm-1掃描范圍內(nèi)在傅里葉紅外光譜儀上測定待測樣品。

1.3.6 木素的分離和提取

木素的分離和提取采用酶解和酸解兩段法。

將經(jīng)過球磨的原料粉放入索式抽提器中抽提8 h(以丙酮為抽提液),風干后加入醋酸-醋酸鈉緩沖溶液,調(diào)節(jié)試樣濃度為5%,加入纖維素酶,密封后放入恒溫水浴振蕩搖床中,溫度保持在45℃,持續(xù)反應48 h。反應結束后,混合物離心分離,然后用pH值為2的鹽酸溶液進行沖洗,將得到的沉淀物進行冷凍干燥,得到粗木素。將粗木素經(jīng)與二氧六環(huán)水溶液反應,反應液進行旋轉蒸發(fā),將蒸發(fā)濃縮后的溶液用滴管緩慢地滴入到過量的鹽酸溶液中,得到沉淀,把沉淀進行離心分離,將固體冷凍干燥24 h,得到粉末狀物質即為木素樣品。

1.3.7 半纖維素分析[15-16]

葡萄糖,木糖,半乳糖,阿拉伯糖,甘露糖,純度均為色譜純。

分別精確稱量上述5種標準樣品0.1 g,倒入100 mL容量瓶中,定容搖勻作為儲備液。用該溶液配置一系列濃度的標準儲備溶液。

2 結果與討論

2.1 巨菌草木素結構單元分析

精確稱量香草醛、對羥基苯醛和紫丁香醛,并配成溶液作為標樣,使用離子色譜進行定性和定量測定,得到此色譜條件下3種標樣的標準色譜圖。再在同樣的條件下對巨菌草木素的硝基苯氧化產(chǎn)物進行測定,得到巨菌草原料木素硝基苯氧化產(chǎn)物的色譜圖,見圖1。

圖1 巨菌草堿性硝基苯氧化產(chǎn)物的HPLC譜圖

如圖1所示,出峰時間9.2 min左右的為對羥基苯醛,出峰時間11.6 min左右的為香草醛,出峰時間在14 min左右的為紫丁香醛。其余各峰為木素氧化后形成的酸、二聚體或多聚體的峰,由于所占的比例不大,對結構單元的分析不會有太大的影響。

根據(jù)氧化產(chǎn)物的峰值和加入標樣的量,即可計算出各產(chǎn)物的含量,最終計算出巨菌草原料中各木素結構單元的百分含量見表1。

表1 巨菌草原料中各木素結構單元所占比例 %

從表1可以看出,巨菌草原料木素中含有對羥苯基(H型)木素結構單元、愈創(chuàng)木酚基(G型)木素結構單元和紫丁香基(S型)木素結構單元,其中G型木素結構單元含量較高,達75.63%,H型木素結構單元和S型木素結構單元含量較少,分別為10.52%和13.85%。巨菌草原料各類型木素結構單元的含量具有典型的禾本科植物的特征。

2.2 巨菌草纖維超微結構和木素分布

使用TEM觀察巨菌草纖維原料的超薄切片,結果如圖2和圖3所示。

圖2 巨菌草莖稈橫切面TEM照片(×5000)

圖3 巨菌草纖維細胞角隅橫切面TEM照片(×40000)

如圖2及圖3所示,巨菌草纖維細胞壁為層狀結構,分層非常明顯,具有典型的禾本科植物細胞壁結構,即胞間層(ML)、初生壁(P)、次生壁外層(S1)、次生壁中層(S2)、次生壁內(nèi)層(S3)及細胞角隅(CC)。

由圖3可知,巨菌草細胞次生壁S1層較薄、顏色比較深；纖維細胞次生壁S2層較厚、顏色較淺,占據(jù)了細胞壁厚度的大部分,約為S1層的4倍左右,占整個細胞壁的80%以上；S3層最薄,這是由于巨菌草生長周期短,木素在細胞壁內(nèi)層S3層沉積相對較少、木化程度低的緣故。由圖2和圖3觀察發(fā)現(xiàn),高錳酸鉀染色最深的是細胞角隅(3個細胞交匯的位置),其次是ML層和P層。這說明在細胞角隅區(qū)木素濃度最大,其次是ML層及S1層,S2層木素的濃度最低。

2.3 巨菌草木素FT-IR分析

將提取分離的巨菌草原料木素(PSL)、巨菌草硫酸鹽漿殘余木素(KPL)、巨菌草燒堿-蒽醌漿殘余木素(APL)研磨、壓片后使用傅里葉紅外光譜儀進行測定,FT-IR圖見圖4。

由圖4可知,1512 cm-1處的吸收峰為苯環(huán)骨架的吸收振動峰,因苯環(huán)骨架的結構相對穩(wěn)定,在制漿過程中的變化較小,因此將1512 cm-1處吸收峰的吸收強度為標準,將其他的吸收峰的吸光度值與這個峰的吸光度值做比較,得出木素各個結構基團的相對吸收強度,通過吸收強度的變化來推斷巨菌草原料及漿料中殘余木素的變化情況,從而分析木素在制漿過程中發(fā)生的變化。通過紅外光譜數(shù)據(jù)計算,得出木素部分吸收峰的相對吸收強度結果,具體見表2。

圖4 巨菌草木素的FT-IR圖

波數(shù)/cm-1相對吸收強度PSLKPLAPL3430～33250900801102960～28700520840842930～28500571321332903～289504909209419000080080081731～173004908704917200601040581654～1650047050049160011107409215121111461～14600840980991426～14200700760861374～13720570630681330～132007606807013280770680701274～12500980850791223～12101031010891161～11601170890711122～112013813412410560910900951034～10291050971021031103096101870～869043032021810023025017

從圖4可以看出,巨菌草原料木素、巨菌草硫酸鹽漿殘余木素、巨菌草燒堿-蒽醌漿殘余木素的FT-IR圖都具有木素紅外光譜的典型特征。在波數(shù)1460、1500、1506和1600 cm-1左右的峰是苯環(huán)骨架的伸縮振動吸收峰,是苯環(huán)的特征吸收峰,一般用于苯環(huán)的表征[5]。

紅外光譜分析可以確定木素中重要的功能基和化學鍵有很多種,例如羰基、羥基、甲氧基等。從圖4和表2中可以看出,在3325～3430 cm-1處木素的吸收峰發(fā)生了變化,此處為O—H拉伸振動。巨菌草燒堿-蒽醌漿殘余木素此處的峰明顯比巨菌草原料的變大,木素結構在降解過程中產(chǎn)生了更多的羥基基團。2960～2870 cm-1處為甲基C—H伸縮振動吸收峰,2930～2850 cm-1為亞甲基C—H伸縮振動吸收峰,2903～2850 cm-1處為C—H伸展振動吸收峰,巨菌草硫酸鹽漿殘余木素、巨菌草燒堿-蒽醌漿殘余木素在此處的相對吸收強度變大,這可能是由于醌型結構的破壞或者部分苯環(huán)開裂引起的甲基或亞甲基的含量增加造成的。

波數(shù)1374 cm-1處為紫丁香基型木素結構單元吸收峰,漿料殘余木素在此處的吸收較強,這是由于紫丁香基作為木素的基本結構,在漿料中有較多殘余木素。1328 cm-1處為縮合型愈創(chuàng)木基型木素結構單元振動,巨菌草原料木素在此處有較強的吸收,這是由于巨菌草中G型木素結構單元含量較高,在這個位置巨菌草硫酸鹽漿殘余木素、巨菌草燒堿-蒽醌漿殘余木素的紅外吸收峰均稍微變小,這些說明了木素的結構在化學蒸煮過程中發(fā)生了較大的變化。

波數(shù)1264 cm-1處為木素酚醚鍵C—O—C伸縮振動吸收峰,從圖4可以明顯看出,巨菌草硫酸鹽漿殘余木素、巨菌草燒堿-蒽醌漿殘余木素在此處的吸收強度小于巨菌草原料木素。這是由于在蒸煮過程中,木素的酚醚鍵C—O—C破裂,從而吸收峰變小。

2.4 半纖維素分析

2.4.1 標準曲線的繪制[17-18]

準確移取適量的已配置好的標準儲備液,用去離子水配制成濃度為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 mg/L的系列標準溶液。用離子色譜儀進行測定,以標準樣品的質量濃度(mg/L)為橫坐標,標準樣品的峰面積為縱坐標,繪制標準曲線,并得到其回歸曲線,見表3。

表3 各種單糖標準曲線

從表3可以看出,阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖在此測定條件下呈現(xiàn)良好的線性相關關系,線性相關系數(shù)都在97.8%以上。

2.4.2 樣品溶液的測定

移取0.5 mL巨菌草原料水解液定容至100 mL。取適量溶液經(jīng)微孔濾膜過濾后,按離子色譜分析條件進樣檢測。根據(jù)已繪制的標準曲線,計算出原料中各種單糖的相對含量(%),結果見表4。

表4 巨菌草原料半纖維素中主要單糖的含量

從表4可以看出,巨菌草原料半纖維素中主要含木糖和葡萄糖，含有少量阿拉伯糖。其中木糖含量最高,達到56.84%；其次為葡萄糖,其含量為42.48%；阿拉伯糖的含量為0.66%。未檢測到甘露糖和半乳糖，說明巨菌草半纖維素中不含甘露糖和半乳糖或為濾量。

3 結 論

3.1 通過堿性硝基苯氧化實驗,利用高效液相色譜(HPLC)分析方法,得出巨菌草原料木素中含有對羥苯基(H型)、愈創(chuàng)木酚基(G型)和紫丁香基(S型)3種類型木素結構單元,G型木素結構單元含量較高,達75.63%,H型木素結構單元和S型木素結構單元含量較少,分別為10.52%和13.85%。巨菌草各類型木素結構單元的含量,具有典型的禾本科植物的特征。

3.2 使用透射電子顯微鏡(TEM)觀察巨菌草超微切片得知,巨菌草纖維細胞次生壁外層(S1)較薄,次生壁中層(S2)較厚,占據(jù)了細胞壁厚度的大部分,為S1層的4倍左右,占細胞壁的80%以上,而次生壁內(nèi)層(S3)最薄。巨菌草纖維細胞壁與典型的禾本科植物細胞壁分層結構相似。

3.3 巨菌草纖維細胞角隅區(qū)木素濃度最大,其次是復合胞間層(ML)及S1層,S3層木素濃度較S2層略高。

3.4 木糖是巨菌草半纖維素中最主要的單糖,其含量為56.84%,其次為葡萄糖,其含量為42.48%,阿拉伯糖較少,僅為0.66%。未檢測到甘露糖和半乳糖,說明巨菌草半纖維素中不含甘露糖和半乳糖或為痕量。

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(責任編輯：劉振華)

Studies on Lignin and Hemicellulose ofPennisetumSineseGrasses

LU Nan1,2SHEN Feng2WANG Sheng-dan2YANG Gui-hua2CHEN Jia-chuan2,*

(1.CollegeofPapermakingScienceandTechnology,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457;2.KeyLabofPulp&PaperScienceandTechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353)

In this study, the lignin structure units ofPennisetumsinesegrasses were analyzed by HPLC. Results indicated that the content of G-lignin in the raw material was higher, at 75.63%, the contents H-lignin and S-lignin were less, at 10.52% and 13.85% respectivly. The ultrastructure of the grass’s fibers was studied by TEM, the observation confirmed that the S1 layer of the fiber’s cell wall was thin, S2layer was thick. The thickness of S2layer was about four times of S1layer, accounted for more than 80% of the cell wall. The S3layer was the thinnest. The infrared spectrum of the lignin in raw material, lignin in the kraft pulp and lignin in NaOH-AQ pulp were analyzed. The change of lignin structure in the processes of kraft pulping and NaOH-AQ pulping was studied. The monosaccharide composition ofPennisetumsinesegrasses’ hemicellulose was analyzed by ion chromatography (IC). The results showed that xylose was the main monosaccharides with the content of 56.84%, the content of glucose was 42.48%, and arabinose 0.66%. Mannose and galactose were undetected, indicating the raw materials did not contain the mannose and galactose or only contained trace content.

Pennisetumsinesegrasses; ultrastructure; lignin distribution; hemicellulose

魯 南先生,在讀博士研究生；主要從事制漿造紙環(huán)境保護與木質資源利用的研究。

2016- 01-25(修改稿)

本課題得到國家自然科學基金資助項目：氧氣/離子液體體系協(xié)同酶處理克服木質纖維素結構頑固性及其酶解分離機制的研究(31370580)；速生材高得率漿的酶精制及纖維組分中纖維聚糖結構的微觀變化機制(31270627)的資助。

TS721

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.08.001

*通信作者:陳嘉川先生,E-mail:chenjc@qlu.edu.cn。