何鳴宇，楊海艷，鄧 佳，鄭志鋒，楊 靜，史正軍，石 純

(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，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學(xué)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，云南 昆明 650224)

基于過氧化氫預(yù)處理的巨龍竹木質(zhì)素提取及結(jié)構(gòu)解析

何鳴宇1，楊海艷1，鄧 佳2，鄭志鋒1，楊 靜1，史正軍1，石 純1

(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，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學(xué)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，云南 昆明 650224)

巨龍竹屬禾本科竹亞科牡竹屬竹種，是世界上已知最粗大的巨型叢生竹種，具有極高的開發(fā)利用價(jià)值。本研究采用堿性過氧化氫預(yù)處理結(jié)合堿抽提的方法提取巨龍竹稈材中的木質(zhì)素，通過核磁共振、紅外光譜以及熱穩(wěn)定性分析等方法，對(duì)所得的木質(zhì)素樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征與解析。結(jié)果表明：巨龍竹木質(zhì)素是典型的禾草類(HGS型)木質(zhì)素，其大分子結(jié)構(gòu)由對(duì)羥基苯丙烷單元、愈創(chuàng)木基單元和紫丁香基單元構(gòu)成；木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)中的聯(lián)接結(jié)構(gòu)以β-O-4′聯(lián)接鍵居多，β-β′和β-5′聯(lián)接鍵較少；巨龍竹木質(zhì)素有部分在側(cè)鏈的γ位上與對(duì)香豆酸發(fā)生酯化反應(yīng)，形成穩(wěn)定的對(duì)香豆酸酯結(jié)構(gòu)；本研究分離得到的3個(gè)巨龍竹木質(zhì)素樣品起始分解溫度分別為194.8、195.4、197.9 ℃，熱穩(wěn)定性良好。

巨龍竹；木質(zhì)素；堿性過氧化氫；提取分離；結(jié)構(gòu)解析

隨著石油等化石資源儲(chǔ)量的逐漸減少，從農(nóng)林生物質(zhì)等可再生資源中轉(zhuǎn)化利用獲得新材料、化工原料、能源和功能食品及藥物，補(bǔ)充化石等不可再生資源的缺口，正成為一種新的發(fā)展趨勢[1]。木質(zhì)素是農(nóng)林生物質(zhì)中總量僅次于纖維素的重要可再生天然高分子資源。但是，由于木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)及在細(xì)胞壁中與其他組分的構(gòu)效關(guān)系特別復(fù)雜，工業(yè)生產(chǎn)中每年都有大量的木質(zhì)素被任意排放或者隨意焚燒，資源浪費(fèi)和環(huán)境污染十分嚴(yán)重[2]。因此，合理開發(fā)和利用木質(zhì)素資源，不僅可以緩解當(dāng)前化石資源不足的問題，還能在一定程度上緩解生態(tài)環(huán)境的惡化。

木質(zhì)素的分離是實(shí)現(xiàn)其有效地利用的關(guān)鍵。有效的預(yù)處理能夠提高木質(zhì)素的提取效率，對(duì)預(yù)處理原料木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究能在揭示預(yù)處理機(jī)制的同時(shí)促進(jìn)預(yù)處理技術(shù)的改進(jìn)。因此，闡述預(yù)處理后木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)成為國內(nèi)外木質(zhì)素基礎(chǔ)化學(xué)研究的熱點(diǎn)[3]。預(yù)處理方法中以化學(xué)法應(yīng)用最為廣泛，其中，堿性過氧化氫法作為一種優(yōu)良的預(yù)處理方法，常常用于分離植物原料中的木質(zhì)素。高濃度條件下，過氧化氫脫木質(zhì)素主要依靠其在堿性條件下分解生成的過氧氫根離子(HOO-)對(duì)木質(zhì)素的氧化降解作用[4]。Kerley等[5]用pH值為11.5，濃度為1%的過氧化氫溶液處理水稻秸稈，常溫?cái)嚢?6 h后樣品中的木質(zhì)素含量顯著減少。張勇等[6]用堿性過氧化氫處理玉米秸稈，發(fā)現(xiàn)當(dāng)過氧化氫濃度在8%～12.5%范圍時(shí)，樣品中殘留的木質(zhì)素含量會(huì)隨著過氧化氫濃度的增加呈下降趨勢。白楊木經(jīng)pH 11的過氧化氫處理后，再用堿液提取，可以溶出36%的原本木質(zhì)素[7]。Sun等[7]研究證明，堿性條件下的低濃度過氧化氫預(yù)處理，不僅能提高麥草木質(zhì)素的溶出率，而且所得木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯變化。因此，基于堿性過氧化氫預(yù)處理的木質(zhì)生物質(zhì)組分拆分方法的機(jī)理機(jī)制仍然具有深入研究的必要。

竹林在我國被譽(yù)為“第二森林”，其因具有生長速度快、培育周期短、單株產(chǎn)量高、一次栽培管理得當(dāng)便可永續(xù)經(jīng)營利用等優(yōu)點(diǎn)，被視為極具培育和開發(fā)利用價(jià)值的木質(zhì)生物質(zhì)資源[8]。在竹材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中，木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜的，其結(jié)構(gòu)規(guī)律至今仍未完全探究清楚。早在1952年Leopold等[9]就發(fā)現(xiàn)竹子木質(zhì)素與木材不同，它由3種基本單元構(gòu)成，即紫丁香基(S)、愈創(chuàng)木基(G)和對(duì)-羥基苯基(H)。Yang等[10]發(fā)現(xiàn)金竹(Phyllostachyssulphurea)離子液體可溶性木質(zhì)素的G/S/H比例為100∶85∶1，測出木質(zhì)素大分子基本單元間化學(xué)連接鍵中β-O-4′、β-β′和β-5′鏈接分別占43.2%、4.3%和5.1%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)金竹木質(zhì)素大分子苯丙烷基本結(jié)構(gòu)單元側(cè)鏈的γ位碳與對(duì)香豆酸和阿魏酸形成酯化物。最近，郭思勤等[3]從經(jīng)酸催化離子液體預(yù)處理的蘆竹中提取酶木質(zhì)素，結(jié)構(gòu)解析表明證明蘆竹木質(zhì)素大分子中S /G比例為1.08，有較高的S 單元比例，其木質(zhì)素主要的連接鍵型為β-O-4′單元，其次是β-5′單元，而β-β′單元的相對(duì)含量最低。

巨龍竹(Dendrocalamussinicus)系禾本科竹亞科牡竹屬的叢生竹種，是世界上已知最粗大的巨型叢生竹種，研究和開發(fā)利用價(jià)值高。本實(shí)驗(yàn)以巨龍竹為研究對(duì)象，采用堿性過氧化氫預(yù)處理結(jié)合堿提取的方法，從巨龍竹竹粉中提取分離木質(zhì)素，并對(duì)其化學(xué)結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性能進(jìn)行研究，旨在為實(shí)現(xiàn)巨龍竹資源的高值化轉(zhuǎn)化利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以采自云南省普洱市孟連縣景信鄉(xiāng)3年生健康成材的巨龍竹為原料。竹材風(fēng)干后，取基部竹材切碎，再用粉碎機(jī)將原料粉碎并篩選出0.25～0.42 mm的竹粉。合格竹粉用V(甲苯)∶V(乙醇)=2∶1溶液在索氏提取器中連續(xù)抽提10 h后，于60 ℃條件下烘干10 h，備分析測試用。本研究所用巨龍竹木質(zhì)素含量為26.12%，按中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[11-13]進(jìn)行測定。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

粉碎機(jī)、索氏抽提器、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、恒溫水浴鍋、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、磁力攪拌器、離心機(jī)、冷凍干燥儀、BRUKER AVANCE III 500MHz核磁共振波譜儀、BRUKER Tensor-27 傅立葉變換紅外光譜儀、熱重分析儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

巨龍竹預(yù)處理及木質(zhì)素提取分離流程如圖1所示。首先，稀釋過氧化氫溶液濃度(H2O2，30%)至5.0%，并用4.0 mol·L-1氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH 11[14-15]。然后，取脫蠟竹粉30 g，在60 ℃、固液比1∶20(g·mL-1)條件下，依次用堿性過氧化氫溶液、5.0%和8.0%氫氧化鈉溶液連續(xù)抽提巨龍竹竹粉，每階段抽提4 h。將每一步抽提得到的殘?jiān)蜑V液過濾分離，濾液酸堿度用6 mol·L-1氯化氫調(diào)至pH 5.5，并減壓濃縮到約30 mL，攪拌狀態(tài)下緩慢倒至3倍體積95%乙醇中，靜置半小時(shí)，析出半纖維素沉淀。接著，用離心機(jī)固液分離去除半纖維素組分，將含木質(zhì)素的濾液繼續(xù)減壓濃縮到約15 mL，調(diào)節(jié)pH 2.0，析出木質(zhì)素，離心分離、冷凍干燥后得到巨龍竹木質(zhì)素樣品(L1、L2、L3)(圖1)。

圖1 巨龍竹木質(zhì)素提取流程圖Fig.1 Scheme for extraction of lignin fractions from D. sinicus

1.4 紅外光譜分析條件

木質(zhì)素樣品的紅外光譜分析在傅立葉變換紅外光譜儀上進(jìn)行。采用溴化鉀壓片方法，將樣品均勻地分散在溴化鉀中，試樣與溴化鉀的質(zhì)量比約為1∶100～200。掃描波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為16次，分辨率4 cm-1，在透視模式下采集紅外光譜數(shù)據(jù)。

1.5 核磁共振分析條件

核磁共振圖譜分析采用布魯克AVANCE III 500 MHz核磁共振波譜儀進(jìn)行測定。碳譜測樣時(shí)，采集時(shí)間1.1 s，弛豫時(shí)間3 s，掃描2 048次；HSQC測樣時(shí)，采樣時(shí)間0.07 s，弛豫時(shí)間1.2 s，采樣24次。

1.6 熱穩(wěn)定性分析條件

熱穩(wěn)定性分析采用日本Shimadzu公司DTG-60熱重分析儀進(jìn)行。木質(zhì)素樣品先在105 ℃烘箱中烘干2 h，取10 mg樣品置于坩堝中，氮?dú)饬魉?0 mL·min-1，加熱速率10 ℃·min-1，測試從室溫加熱至600 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 木質(zhì)素得率分析

堿處理機(jī)制在于氫氧根離子能夠削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵及皂化半纖維素和木質(zhì)素分子之間的酯鍵[16]。而過氧化氫作為一種弱氧化劑，它與木質(zhì)素反應(yīng)主要是與木質(zhì)素側(cè)鏈上的羰基和雙鍵反應(yīng)進(jìn)而氧化降解木質(zhì)素[17]，氧化反應(yīng)發(fā)生過程中會(huì)發(fā)生一系列的側(cè)鏈取代、親電取代以及烷基芳醚鍵的斷裂等[4]。本實(shí)驗(yàn)采用堿性過氧化氫對(duì)巨龍竹竹粉進(jìn)行預(yù)處理的方法，從原料中提取得到木質(zhì)素樣品L1、L2和L3。按照所得木質(zhì)素占總木質(zhì)素百分比得出木質(zhì)素得率，見表1。由表1可知，堿性過氧化氫預(yù)處理結(jié)合堿液提取木質(zhì)素的得率為65.64%。本課題組前期研究表明：采用2%氫氧化鈉溶液結(jié)合超聲處理抽提巨龍竹竹粉，木質(zhì)素單步抽提最高得率為22.9%[18]；在溫和條件下連續(xù)采用二氧六環(huán)和二甲基亞砜抽提巨龍竹原料，木質(zhì)素總得率為52.1%[19]；用96% 二氧六環(huán)溶液和含有0.05 mol·L-1鹽酸的85% 二氧六環(huán)溶液連續(xù)抽提巨龍竹竹粉，木質(zhì)素總得率為54.2%[20]。對(duì)比分析可以看出，基于堿性過氧化氫預(yù)處理的堿抽提是一種竹材木質(zhì)素的有效分離方法。

表1 巨龍竹木質(zhì)素樣品的得率

注：a基于樣品的Klason木質(zhì)素含量計(jì)算abase on sample′s content calculation of Klason lignin

2.2 木質(zhì)素紅外光譜分析

本實(shí)驗(yàn)中得到的3個(gè)巨龍竹木質(zhì)素樣品的紅外光譜見圖2，紅外光譜中特征吸收峰位的歸屬參照文獻(xiàn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)[21-23]。

圖2 巨龍竹中木質(zhì)素的紅外光譜Fig.2 FT-IR spectra of lignin fractions isolated from D. sinicus

由圖2可知，巨龍竹木質(zhì)素L1、L2和L3的紅外光譜圖相似性很高，僅在吸收強(qiáng)度上稍有不同。表明了巨龍竹木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的一致性，也表明堿性過氧化氫預(yù)處理并不會(huì)對(duì)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)造成很大的破壞。其中3 433 cm-1處的吸收峰源自羥基的O-H伸縮振動(dòng)峰；2 938 cm-1和2 843 cm-1處的吸收峰分別是來自甲基和亞甲基的C-H伸縮振動(dòng)峰；1 708 cm-1處的吸收峰是源自非共軛酮基、羰基和酯鍵的C=O振動(dòng)吸收峰，這個(gè)信號(hào)峰在L1和L2中較為明顯，在L3中較為微弱，可能是因?yàn)榻?jīng)多步堿處理后使C=O鍵被破壞；1 599 cm-1、1 503 cm-1和1 418 cm-1處的吸收峰是木質(zhì)素芳環(huán)的主要特征峰，這3個(gè)峰較為明顯，說明所提木質(zhì)素特征結(jié)構(gòu)明顯、完整。除此之外，1 458 cm-1處的吸收峰是苯環(huán)C-H的變形振動(dòng)；1 326 cm-1處的吸收峰是紫丁香基(S)和縮合愈創(chuàng)木基(G)的振動(dòng)吸收峰；1 263 cm-1處的吸收峰是愈創(chuàng)木基環(huán)(G)加C=O的伸縮振動(dòng)峰；1 222 cm-1處的吸收峰是C-C、C-O、C=O的振動(dòng)吸收峰；1 127 cm-1處的強(qiáng)吸收峰是C-H面內(nèi)變形振動(dòng)(主要是S型單元)。最后，1 032 cm-1和836 cm-1處的吸收峰是木質(zhì)素的C-H面內(nèi)振動(dòng)和C-H面內(nèi)變形振動(dòng)。綜上所述，基本可以判斷所得3個(gè)巨龍竹木質(zhì)素樣品均為HGS型木質(zhì)素。

2.3 木質(zhì)素核磁共振分析

木質(zhì)素是一種天然無定形的、分子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的芳香性高分子化合物。在核磁共振分析中，氫譜的譜寬只有10 ppm，而碳譜的譜寬有200 ppm，為避免信號(hào)峰重疊導(dǎo)致不易分析的情況，本研究選擇利用碳譜和二維HSQC對(duì)巨龍竹木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

2.3.1 核磁共振碳譜分析 本研究對(duì)3個(gè)木質(zhì)素樣品進(jìn)行了核磁共振碳譜分析，并參照文獻(xiàn)對(duì)核磁共振中的信號(hào)峰進(jìn)行標(biāo)識(shí)[21,24-25]，見圖3。具體信號(hào)歸屬見表2。由圖3可知，104～168 ppm為木質(zhì)素特征峰區(qū)域，在這一區(qū)域中，信號(hào)168.0 ppm、159.8 ppm、144.2 ppm、130.1 ppm、125.1 ppm、115.8 ppm和115.3 ppm分別代表對(duì)香豆酸酯(pCA)的C-γ、C-4、C-α、C-2/C-6、C-1、C-3/C-5和C-β，這是由于大量對(duì)香豆酸都酯化在木質(zhì)素側(cè)鏈的γ位置，這些對(duì)香豆酸酯的信號(hào)都非常強(qiáng)，表明了巨龍竹木質(zhì)素中含有大量的對(duì)香豆酸酯，同時(shí)也說明了堿性過氧化氫預(yù)處理結(jié)合堿抽提的方法對(duì)對(duì)香豆酸酯的結(jié)構(gòu)沒有較大破壞。

圖3 巨龍竹木質(zhì)素組分(L1和L3)的核磁共振碳譜圖Fig.3 13C-NMR spectra of lignin fractions (L1 and L3) isolated from D.sinicus

除此之外，圖3中巨龍竹木質(zhì)素HGS 3大基本單元的信號(hào)也比較明顯，其中H單元信號(hào)為：129.7 ppm(C-2/C-6)和114.4 ppm(C-3/C-5，醚化)；G單元信號(hào)為：149.6 ppm(C-3，醚化)、147.0 ppm(C-4，醚化)、145.3 ppm(C-4，非醚化)、134.1 ppm(C-1，醚化)、119.2 ppm(C-6)、114.9 ppm(C-5)和111.1 ppm(C-2)；S單元信號(hào)為：152.3 ppm(C-3/C-5，醚化)、138.2 ppm(C-4，醚化)、134.2 ppm(C-1，醚化)、106.6 ppm、104.2 ppm(C-2/C-6)。同時(shí)，在核磁共振碳譜中能檢測到幾種常見的木質(zhì)素單元的連接鍵信號(hào)。β-O-4′的聯(lián)接信號(hào)出現(xiàn)在86.0 ppm (C-β)、72.2 ppm (C-α) 和59.9 ppm (C-γ); β-β′的聯(lián)接信號(hào)出現(xiàn)在71.3 ppm (C-γ);β-5′的聯(lián)接信號(hào)出現(xiàn)在62.8 ppm (C-γ)。愈創(chuàng)木基或紫丁香基的-OCH3信號(hào)在56.0 ppm。另外，在90.0 ppm-102.0 ppm中出現(xiàn)了少量糖信號(hào)，可能是木質(zhì)素樣品中夾雜著少量半纖維素。

2.3.2 二維HSQC核磁共振譜圖分析 為得到更多關(guān)于巨龍竹木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息，本研究對(duì)3個(gè)木質(zhì)素樣品又進(jìn)行了二維HSQC核磁共振分析，見圖4，圖4中各信號(hào)峰參照現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行歸屬[25-27]，歸屬結(jié)果見表3。

表2 巨龍竹木質(zhì)素組分(L1和L3)核磁共振碳譜圖信號(hào)歸屬

注：G,，愈創(chuàng)木基單元；S，紫丁香基單元；H，對(duì)羥基苯丙烷單元；pCA，酯化的對(duì)香豆酸。

G,guaiacyl units; S,syringyl units; H,p-hydroxylphenyl units; pCA,esterfiedp-coumaric acid.

圖4 巨龍竹木質(zhì)素組分(L1、L3)的二維HSQC核磁共振圖譜Fig.4 HSQC-NMR spectra of lignin fractions (L1 and L3) isolated from D.sinicus

由圖4可知，側(cè)鏈區(qū)(δC/δH 50-90/2.5-6.0 ppm)Aα、Aβ和Aγ的信號(hào)比較明顯，其信號(hào)分別在δC/δH 72.3/4.83 ppm (Aα)、83.9/4.32 ppm (Aβ(G))、86.0/4.11 ppm (Aβ(S))和60.1/3.73 ppm (Aγ)，表明β-O-4′結(jié)構(gòu)在巨龍竹木質(zhì)素中存在較多；樹脂醇β-β′結(jié)構(gòu)的Bα、Bβ和Bγ的信號(hào)分別在δC/δH 85.2/4.64 ppm、53.9/3.04 ppm和71.4/3.83,4.16 ppm；β-5′結(jié)構(gòu)(C)的α、β和γ位信號(hào)分別在δC/δH 86.9/5.59 ppm、53.5/3.46 ppm和62.9/3.78 ppm；螺旋二烯酮結(jié)構(gòu)(D)的α位信號(hào)在δC/δH 79.2/5.59 ppm，此結(jié)構(gòu)的信號(hào)比較弱，說明其在巨龍竹木質(zhì)素中的含量較少。

表3 巨龍竹木質(zhì)素二維HSQC譜圖信號(hào)歸屬

注：G,，愈創(chuàng)木基單元；S，紫丁香基單元；H，對(duì)羥基苯單元；pCA，酯化的對(duì)香豆酸；FA，酯化的對(duì)阿魏酸。G,guaiacyl units; S,syringyl units; H,p-hydroxylphenyl units;pCA,esterfiedp-coumaric acid; FA,esterfied ferulic acid

巨龍竹木質(zhì)素大分子可能存在的結(jié)構(gòu)單元如圖5所示。

2.4 木質(zhì)素?zé)岱€(wěn)定性分析

為了研究所得木質(zhì)素樣品的熱穩(wěn)定性，對(duì)3個(gè)木質(zhì)素樣品進(jìn)行了熱重分析，TGA/DTG曲線見圖6。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[28]，對(duì)圖像進(jìn)行了分析。L1、L2和L3在100 ℃附近分別失重2%、1.5%和1%，這個(gè)階段主要是脫除樣品中的自由水；在100～200℃范圍中，木質(zhì)素開始緩慢分解，到達(dá)初始熱解溫度時(shí)開始劇烈分解，L1、L2和L3的初始熱解溫度分別為194.8、195.4和197.9 ℃；在200～300 ℃范圍中，木質(zhì)素失重速率逐漸增大，生成大量分解產(chǎn)物。在木質(zhì)素樣品L2的DTG曲線(圖6 b)中，150～250 ℃范圍出現(xiàn)較明顯的峰，峰頂點(diǎn)值為209℃，這主要是由于木質(zhì)素苯環(huán)周圍的官能團(tuán)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生二氧化碳和少量的水形成的峰[29-30]，此反應(yīng)在在L1和L3中也存在，但是不夠明顯。3個(gè)樣品分別在302.3、308.7和337.4 ℃達(dá)到熱裂解速率最大值，3個(gè)樣品劇烈分解的終止溫度分別為339.3、338.6和395.7 ℃。最后階段，樣品失重速率緩慢，此時(shí)大部分木質(zhì)素已經(jīng)降解，因此失重不再明顯。結(jié)果表明巨龍竹木質(zhì)素樣品具有良好的熱穩(wěn)定性，而木質(zhì)素樣品L3的熱穩(wěn)定性比L1和L2更高，可能是由于L1和L2的分子量較小，可以通過預(yù)處理和較低濃度堿液提取得到，而L3的分子量較大，通過較高濃度堿液才能提取出來。

3 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)選用極具開發(fā)和研究潛力的大型叢生竹材巨龍竹為原料，在60 ℃條件下經(jīng)5%堿性過氧化氫溶液(pH 11)、堿性水溶液(5.0%、8.0%氫氧化鈉)連續(xù)抽提竹粉，最終得到3個(gè)木質(zhì)素樣品。該方法對(duì)竹材木質(zhì)素組分具有較高的溶出效率，木質(zhì)素總得率為65.64%。

圖5 巨龍竹木質(zhì)素組分(L1和L3)HSQC-NMR圖譜中主要聯(lián)接結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)單元(A)β-O-4′醚鍵結(jié)構(gòu)，γ位為羥基；(A′)β-O-4′醚鍵結(jié)構(gòu)，γ位為乙?；?；(A′′)β-O-4′醚鍵結(jié)構(gòu)，γ位為酯化對(duì)羥基苯甲酸酯；(pCA)酯化的對(duì)香豆酸單元；(B)樹脂醇結(jié)構(gòu)，由β-β′、α-O-γ′和γ-O-α′聯(lián)接而成；(C)苯基香豆?jié)M結(jié)構(gòu)，由β-5′和α-O-4′聯(lián)接而成；(D)螺旋二烯酮結(jié)構(gòu)，由β-1′和α-O-α′聯(lián)接而成；(FA)酯化的阿魏酸單元；(G)愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)；(S)紫丁香基結(jié)構(gòu)；(S′)氧化的紫丁香基結(jié)構(gòu)，α位為酮基；(H)對(duì)羥基苯基結(jié)構(gòu)Fig.5 Main substructures presented in the lignin fractions (L1 and L3) isolated from D. sinicus (A) β-O-4′ linkages; (A′) γ-acetylated β-O-4′ substructures; (A′′) γ-p-courmaroylated β-O-4′ linkages; (pCA) p-coumarate ester structures; (B) resinol substructures formed by β-β′,α-O-γ′ and γ-O-α′ linkages; (C) phenylcoumarane substructures formed by β-5′ and α-O-4′ linkages; (D) spirodienone structures formed by β-1′ and α-O-α′ linkages; (FA) ferulate ester structures; (G) guaiacyl units; (S) syringyl units; (S′) oxidized syringyl units with a carbonyl group at Cα (phenolic); (H) p-hydroxyphenyl units

圖6 巨龍竹木質(zhì)素樣品L1(a)、L2(b)和L3(c)的TG/DTG曲線Fig.6 TGA/DTA curves of lignin fractions L1 (a),L2 (b) and L3 (c) isolated from D. sinicus

(2)紅外光譜和核磁共振波譜分析表明，巨龍竹木質(zhì)素是典型的禾草類(HGS型)木質(zhì)素，其大分子結(jié)構(gòu)由對(duì)羥基苯基單元、愈創(chuàng)木基單元和紫丁香基單元構(gòu)成。木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)中，以β-O-4′聯(lián)接鍵居多，β-β′和β-5′聯(lián)接鍵較少。此外，巨龍竹木質(zhì)素側(cè)鏈的γ位與對(duì)香豆酸存在酯化連接，形成對(duì)香豆酸酯。

(3)本研究所抽提得到的巨龍竹木質(zhì)素具有良好的熱穩(wěn)定性，其熱分解起始溫度分別為194.8、195.4和197.9 ℃，分別在302.3、308.7和337.4 ℃達(dá)到熱裂解速率最大值。

[1] 彭鋒. 農(nóng)林生物質(zhì)半纖維素分離純化、結(jié)構(gòu)表征及化學(xué)改性的研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué),2010.

[2] Hatakeyama H,Hatakeyama T. Lignin structure,properties and applications [J]. Advances in Polymer Science,2010,232:1-63.

[3] 郭思勤，游婷婷，周天，等. 酸催化離子液體預(yù)處理蘆竹酶木質(zhì)素結(jié)構(gòu)研究[J]. 林業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,1 (2):82-87.

[4] 詹懷宇. 纖維化學(xué)與物理[M] .北京:科學(xué)出版社,2005.

[5] Kerley M S,Fahey G C,Berger L L,etal. Effects of alkaline hydrogen peroxide treatment of wheat straw on site and extent of digestion in sheep [J]. Journal of Animal Science,1986,63:868-878.

[6] 張勇，朱宇旌，李笑丹，等. 堿性雙氧水處理對(duì)玉米秸稈營養(yǎng)價(jià)值的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2003,19 (6):7-9.

[7] Sun Run-cang,Tomkinson J,Wang Shi-qing,etal. Characterization of lignins from wheat straw by alkaline peroxide treatment [J]. Polymer Degradation and Stability,2000，67:101-109.

[8] 崔宇，吳良如. 我國竹醋液發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J]. 竹子研究匯刊,2010,29(1):11-16.

[9] Leopold B,Malmstrom I L. Studies on lignin. IV. Investigation on the nitrobenzene oxidation products of lignin from different woods by paper partition chromatography [J]. Acta Chemica Scandinavica,1952,6 (1):49-54.

[10] Yang Dong,Zhong Lin-xin,Yuan Tong-qi,etal. Studies on the structural characterization of lignin,hemicelluloses and cellulose fractionated by ionic liquid followed by alkaline extraction from bamboo [J]. Industrial Crops and Products,2013,43:141-149.

[11] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 742-2008,造紙?jiān)?、紙漿、紙和紙板灰分的測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[12] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 2677.8-1994,造紙?jiān)纤岵蝗苣舅睾康臏y定[S]..北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[13] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 10337-2008,造紙?jiān)虾图垵{酸溶木素的測定[S]..北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[14] 王文俠，宋春麗，張曉靜，等. 堿性過氧化氫法提取豆渣半纖維素的研究[J]. 中國糧油學(xué)報(bào),2010,25 (12):117-121.

[15] 胡彪，劉芳，全亮. 堿性過氧化氫提取蘋果木聚糖的研究[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊,2010(5):34-37.

[16] 岳建芝，李剛，張全國. 促進(jìn)木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)酶解的預(yù)處理技術(shù)綜述[J] .江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39 (3):340-343.

[17] 邢楊，卜令習(xí)，朱莉偉，等. 堿性過氧化氫預(yù)處理糠醛渣超聲波輔助酶解研究[J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2012,32 (4):47-52.

[18] 鄧嘉雯，楊海艷，史正軍，等. 超聲-弱堿協(xié)同作用下巨龍竹木質(zhì)素的分離及表征[J]. 林業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,2 (2):64-69.

[19] 鄧佳，史正軍，成聃睿，等. 巨龍竹有機(jī)溶劑木質(zhì)素提取及結(jié)構(gòu)表征[J]. 廣州化工,2015,43 (12):47-49.

[20] 成聃睿，史正軍，楊海艷，等. 巨龍竹木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)研究[J].世界竹藤通訊,2015,13 (2):1-6.

[21] 文甲龍. 生物質(zhì)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)解析及其預(yù)處理解離機(jī)制研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué),2014.

[22] Faix O. Classification of lignins from different botanical origins by FT-IR spectroscopy [J]. Holzforschung-International Journal of the Biology,Chemistry,Physics and Technology of Wood,1991,45 (s1):21-28.

[23] Xu Feng,Sun Run-cang,Sun Jin-xia,etal. Determination of cell wall ferulic andρ-coumaric acids in surgarcane bagasse [J]. Analytia Chimica Acta,2005,552 (2):207-217.

[24] Capanema E A,Balakshin M Y,Kadla J F. Quantitative characterization of a hardwood milled wood lignin by nuclear magnetic resonance spectroscopy [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2005,53 (25):9639-9649.

[25] 史正軍. 甜龍竹及巨龍竹半纖維素、木質(zhì)素結(jié)構(gòu)詮釋及相互間化學(xué)鍵合機(jī)制解析[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué),2013.

[26] Martinez A T,Rencoret J,Marques G,etal. Monolignol acylation and lignin structure in some nonwoody plants:a 2D NMR study [J]. Phytochemistry,2008,69(16):2831-2843.

[27] Xiao Ling-ping,Shi Zheng-jun,Xu Feng,etal. Structural characterization of lignins isolated from Caragana sinica using FT-IR and NMR spectroscopy [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis,2011,31(9):2369-2376.

[28] 車德勇，孫亞萍，孫艷雪. 木質(zhì)素?zé)峤獾臒嶂丶t外分析儀實(shí)驗(yàn)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16 (3):225-228.

[29] 劉成. 木質(zhì)素?zé)嶂丶t外動(dòng)力學(xué)分析與乙?；男匝芯縖D]. 南京：南京林業(yè)大學(xué),2015.

[30] 車德勇，孫艷雪，孫佰仲，等. 木質(zhì)素?zé)峤鈿庀喈a(chǎn)物釋放特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35 (24):6439-6444.

Isolation and Structural Characterization of Lignin fromDendrocalamussinicusPretreated with Alkaline Hydrogen Peroxide

HE Ming-yu1,YANG Hai-yan1,DENG Jia2, ZHENG Zhi-feng1,YANG Jing1,SHI Zheng-jun1,SHI Chun1

(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,Kunming 650224,Yunnan,China)

Dendrocalamussinicus,belonging toDendrocalamusin Bambusoideae of Gramineae,has great development potential and research value,is known as the largest bamboo species of the world. In order to effectively separate lignin formD.sinicusand analyze the chemical structure more systematically,three lignin fractions (L1,L2,L3) were isolated with alkaline H2O2solution and alkaline aqueous solution. The structure and properties of the lignin fractions were characterized by nuclear magnetic resonance (NMR),Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR),and thermogravimetry (TG). The results indicated that the lignin isolated fromD.sinicusis representative HGS lignin,and the macromolecular structure consists ofp-hydroxylphenyl units,guaiacyl units and syringyl units. In the structure of the lignin,β-O-4′ linkages are in the majority,β-β′ linkages andβ-5′ linkages are less. Besides,the lignin side-chain was found to be esterfied byp-coumaric acid at theγ-carbon,and form stablep-coumarate structures. In addition,the isolated bamboo lignin fractions have good thermal stability,and the temperatures of initial decomposition are 194.8,195.4 and 197.9 ℃,respectively.

Dendrocalamussinicus; Lignin; Hydrogen peroxide; Isolation; Structural characterization

2016-11-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31260165、31560195)；云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015FD023)

何鳴宇，碩士研究生，從事生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、竹類研究等研究。通信作者：史正軍，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化研究。E-mail: shizhengjun1979@163.com