玉米秸秆苞叶与茎皮中磨木木质素和木素-碳水化合物复合体

1、玉米秸秆苞叶与茎皮中磨木木质素和木素-碳水化合物复合体的傅里叶红外光谱分析李猛，张亚茹，高梦亚，李术娜，王树香，李明，李红亚*收稿日期：2019-00-00；改回日期：基金项目：河北省科技支撑计划项目（12226605），河北农业大学教改项目（2015JM04）和河北省大学生创新创业训练计划（20161866）资助。作者简介：李猛（1995-），男，河北唐山人，制药工程专业14级，本科。E-mail: 1842387701 * 通信作者Corresponding athuor. E-mail: lihy77（河北农业大学生命科学学院 河北 保定 071000）摘要：通过傅立叶红外光谱（FT-I

2、R）对玉米秸秆苞叶和茎皮中的磨木木质素（MWL）和木素-碳水化合物复合体（LCC）的结构进行表征，旨在明确玉米秸秆不同部位木质纤维素的结构。采用改良的Björkman方法，分别从玉米秸秆苞叶与茎皮部位提取分离到MWL和LCC，并通过FT-IR对其结构进行了表征和分析。结果表明：两个部位中的MWL组成明显不同。其中茎皮木质素中的苯丙烷侧链上的支链结构以及苯环结构比重均高于苞叶木质素，而羟基、甲基和共轭羰基结构则低于苞叶木质素。并且茎皮木质素结构中以紫丁香基结构单元为主，而苞叶木质素中则主要以愈创木基结构单元为主。两个部位的LCC结构也存在差异：苞叶LCC中的羟基含量高于茎皮LCC，而甲

3、基、亚甲基含量较茎皮LCC低；而茎皮LCC中木质素与半纤维素连接强度明显高于苞叶LCC，因此可推断茎皮中木质素与纤维素的分离难度大于苞叶。研究结果为开发高效木质纤维素降解技术，提高玉米秸秆利用率奠定了基础。关键词：玉米秸秆；磨木木质素；木素-碳水化合物复合体；傅立叶红外光谱FT-IR Analysis of MWL and LCC in Different Parts of Corn StalkLI Meng，ZHANG Ya-ru，GAO Meng-ya，LI Shu-na，WANG Shu-xiang，LI Ming，LI Hong-ya*(College of Life Science，

4、Hebei Agriculture University，Baoding 071000, China)Abstract: The structures of milled wood lignin (MWL) and lignin carbohydrate complex (LCC) in corn stalk ear husk and stem bark were characterized by FT-IR spectroscopy in order to clarify the difference of lignocellulosic structure in different sec

5、tions of corn stalks. MWL and LCC were first extracted and separated from the corn stalk ear husk and stem bark by the improved method of Björkman, and then were identified and analyzed by FT-IR. The results showed that the structure of MWL in the two sections was distinctly different. The conc

6、entration of branched chain structure and benzene ring structure of phenylpropane side chains in stem bark lignin were higher than those in ear husk, while the concentration of hydroxyl, methyl and conjugated carbonyl groups were lower than those of stem bark. The lignin in the stem bark was mainly

7、composed by the syringyl structure units and the lignin in the ear husk was mainly composed by guaiacyl structure units. There are also differences between the LCC structure of two sections: the hydroxyl content of LCC in ear husk was higher and the methyl and methylene content was lower than those

8、of LCC in the stem bark. In addition, the strength of the bond connecting the lignin and hemicellulose in stem bark LCC was significantly higher than that of ear husk LCC, which indicates that it is more difficult to separate lignin from the lignocellulose in stem bark than in the ear husk. The resu

9、lts have laid a foundation for the efficient degradation and effective utilization of corn stalk lignocellulose. The results laid the basis for the development of efficient lignocellulose degradation technology and the improvement of utilization rate of corn stalk.Key words: Corn stalk; MWL; LCC; FT

10、-IR玉米是中国北方极其重要的粮食作物，种植广泛，其秸秆产量也十分巨大。每年秋季玉米收获后，残留的秸秆如何处理成为农业生产中亟需解决的难题之一。青贮饲草化是实现玉米秸秆资源化利用的有效途径之一。但是玉米秸秆的木质纤维化程度高，导致其消化率低，在一定程度上限制了秸秆饲草在畜牧业中的应用1。已有研究证实，作物秸秆不同部位的木质纤维素的组成不同，其营养价值也不同2。闫贵龙等人3通过对玉米秸秆不同部位的木质纤维素含量和体外消化率进行测定比较，发现酸性洗涤纤维（ADF）、中性洗涤纤维（NDF）和木质素（DM）等含量在玉米秸秆各部位间的含量存在显著差异；通过对NDF和ADF体外消化率的比较，得出不同部位秸

11、秆的营养价值有显著不同。既然作物秸秆的木质纤维化程度直接影响着秸秆饲草的营养价值，那么明确木质纤维素的结构和组成则是秸秆饲草化利用过程中要解决的首要问题。木质纤维素作为植物细胞壁的主要成分，主要由木质素、纤维素和半纤维素组成。其中木质素是由紫丁香基、愈创木基以及对羟基苯基三种苯丙烷结构单元组成的复杂高分子聚合物，通过相互交织形成三维网状结构来强化细胞壁，支撑植物生长。经过多年的研究，人们发现木质素并不是简单地沉积在碳水化合物（植物细胞壁聚糖）中，而是以共价键和氢键等作用形式与半纤维素形成木素-碳水化合物复合体（LCC），再与纤维素相包裹共同构成结构复杂的植物细胞壁4。针对这种结构复杂的大分子物

12、质，其结构分析方法大致分为两种：化学降解法和波谱法。化学降解法中主要有氧化法、水解法和衍生化还原降解法（Derivatization Followed by Reductive Cleavage，DFRC）等5,6。化学降解法会破坏掉木质纤维素中的部分结构，不能如实反映其结构全貌。相比之下，波谱法属于非破坏性方法，在木质纤维素结构表征上更具优势。目前波谱技术中的紫外吸收光谱（UV）7、红外吸收光谱（IR）8及核磁共振（1H-NMR，13C-NMR，31P-NMR，2D13C-1HNMR）9-12等技术在木质纤维素结构研究方面的应用均有报道。其中红外光谱在研究木素及木素-碳水化合物的结构及变化的

13、分析中，是应用较多的一种仪器分析方法，具有分析时间短、灵敏度高、稳定性好、使用方便和数据处理方便等优点13。当前研究中对玉米秸秆中化学组成的报道较多，而针对玉米秸秆不同部位木质纤维素的结构研究鲜少报道。本文选取玉米秸秆中的苞叶和茎皮部分，分别提取其中的磨木木质素和木素-碳水化合物复合体，并利用傅立叶红外光谱对其结构进行表征，旨在明确玉米秸秆不同部位的木质纤维素结构特点，为寻求木质纤维素的高效降解技术，提高玉米秸秆消化率奠定基础。1 材料与方法1.1 材料1.1.1玉米秸秆材料 干玉米秸秆取自河北农业大学教学试验场第二分厂，品种为郑单958。采集时间为2014年10月，玉米收获籽实后田间留置1个

14、月后收集。随机选取10株玉米秸秆，分别取其苞叶和茎皮部位粉粹至12 mm左右，干燥备用。1.1.2 试剂 试验中所用到的化学试剂均为分析纯。1.2 方法1.2.1 磨木木质素（MWL）和木素-碳水化合物（LCC）的提取分离 采取沈艳尼14报道的改良的Björkman方法提取MWL和LCC。步骤如下：取6g玉米秸秆粉分散于经金属钠处理后的甲苯中，球磨机研磨48h后，抽滤。将抽滤后的秸秆粉放入通风橱中，自然风干。将秸秆粉加入到100 mL 1，4-二氧六环（含水量10%）中，超声处理24 h后，10000 r/min离心，重复提取、离心3次。合并上清液（秸秆残渣则用于木素-碳水化合物复合

15、体的提取），浓缩至干，即为粗制的MWL。将粗制的MWL溶于30mL含水量10%的醋酸中，离心。向离心后的上清液中加入300 mL蒸馏水，充分搅拌，10000 r/min离心。取离心得到的不溶物溶解于40 mL 1，2-二氯乙烷和乙醇混合液（2：1，V:V）中，10000 r/min离心。将离心后的上清液加入到经金属钠干燥过的乙醚中，10000 r/min离心，得沉淀。沉淀经乙醚多次洗涤后，再用低沸点的石油醚洗涤干燥，即精制的MWL。将制备MWL过程中，经二氧六环提取后的残渣用100 mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）搅拌分散，经超声波处理24h后，10000 r/min离心，上清液减压蒸干。

16、将蒸干后的固体溶于20 mL醋酸水溶液（1：1，V:V）中，10000 r/min离心，上清液蒸发至干。将蒸干后的残留物溶于100 mL DMF中，边搅拌边滴入1000 mL的二氯乙烷-乙醇（2：1，V:V）的混合液中，离心。将离心得到的固体用二氯乙烷-乙醇（2：1，V:V）的混合液洗涤1次，干燥后溶于醋酸水溶液（1：1，V:V）中。向醋酸水溶液中滴加丙酮进行沉淀，沉淀物用丙酮醋酸混合液（99：1，V:V）洗涤1次，乙醚洗涤4次，石油醚洗涤干燥后得到LCC。流程如图1所示。1.2.2 红外光谱（FTIR）分析 用四分法采样，分别称取MWL和LCC样品2 mg，加入干燥后的200 mg KBr中

17、，充分研磨、混匀，压制成直径为10 mm左右的薄片。利用SPECTRUM-ONE红外光谱仪进行测定。图1 磨木木质素和木素-碳水化合物的提取流程图Fig. 1 Extraction of MWL and LCC2 结果与分析2.1 MWL和LCC的FT-IR 特征频率 秸秆不同部位MWL和LCC的FTIR表征结果如图2和图3所示。根据图中各吸收峰的特征频率，对其进行归属，结果见表1。表1 秸秆MWL和LCC红外光谱特征吸收解析Tab. 1 The assignment of the FTIR spectrum of MWL and LCC in the corn stalk MWL波数/cm-

18、1LCC波数/cm-1吸收峰带的归属5345034003422羟基O-H伸缩振动294029202923C-H伸缩振动（CH3、CH2和CH）285528402850C-H伸缩振动（OCH3）1735非共轭羰基（木质素）及酯基中C=O的伸缩振动（半纤维素）17151700非共轭羰基（木质素）167516601637共轭羰基中C=O伸缩振动（木质素）161015951614CO伸缩振动和芳香族骨架振动（木质素）；S>G；缩合G>醚化G15151505 1510芳香族骨架振动（木质素）；G>S14301420 1430芳香族骨架振动；CH2剪切振动（纤维素）；CH3弯曲振动（木质

19、素）1384C-H弯曲振动（CH3、纤维素和半纤维素）13301325紫丁香基环中C-O伸缩振动12701260愈创木基环中C-O伸缩振动1248半纤维素的酰氧键CO-OR伸缩振动；苯环-氧键伸缩振动（木素酚醚键）1228C-OH伸缩振动（木质素酚羟基的C-O伸缩）；缩合G>醚化G11681161C-O-C反对称伸展振动（木糖），半纤维素不对称，木素侧链醚键11261125 紫丁香基环中C-H平面内变形振动频率1055C-O伸缩振动（纤维素和半纤维素）；乙酰基中的烷氧键伸缩振动；伯醇10331030愈创木基环中C-H 平面内变形振动引起来的900异头碳（C1）振动频率（多糖）835C-H

20、面外变形振动，苯环上存在1,2,3,5四取代或1,4二取代 859、765C-H面外变形振动，苯环上为1,2,4三取代根据表1中特征频率的归属情况，可以看出图2中两物质的红外光谱在16101595 cm-1、15151505 cm-1及14301420 cm-1处出现芳香环骨架振动，以及在11261125 cm-1和1033 cm-1出现愈创木基与紫丁香基C-H振动等木质素的特征吸收峰，确证此二物质为磨木木质素（MWL）。图3中，除了出现了芳香环骨架振动外，在1161 cm-1处出现了半纤维素中糖类C-O-C反对称伸展振动的吸收峰，1055 cm-1处出现的纤维素和半纤维素的C-O伸缩振动等碳

21、水化合物（中性多糖）的特有吸收峰，则证实提取的是木素-碳水化合物（LCC）无疑。2.2 MWL的FT-IR分析 从图2中可以看出玉米秸秆两个部位中的MWL的红外光谱图存在一定的区别，尤其在2000 cm-1以下的双键区和指纹区差别较大。在氢键区羟基共振频率35003300 cm-1处范围内，苞叶MWL吸收峰强度大，峰形圆而钝，说明苞叶内-OH含量高于茎皮；而茎皮MWL在共振频率2939 cm-1处的吸收明显，说明其甲基、亚甲基和次甲基含量高，从而可以判断在茎皮中的木质素苯丙烷单元中侧链和支链结构较多；茎皮和苞叶两者的MWL在1701和1691 cm-1处出现的吸收峰的强度差别不大，表明茎皮和苞

22、叶木质素中均含有非共轭羰基。茎皮MWL在1656 cm-1处有一明显的小吸收峰，而在苞叶中则未出现，说明茎皮MWL中存在共轭羰基，而苞叶MWL则不含。两部位的MWL在1604 cm-1、1515 cm-1和1423 cm-1三处的苯环骨架特征吸收峰条带清晰，峰型尖锐，但苞叶MWL的吸收强度明显高于茎皮，说明在苞叶MWL中苯环含量较高，比重较大。茎皮MWL在1328 cm-1和1126 cm-1处的紫丁香基特征吸收明显，而苞叶MWL中却未出现，说明茎皮MWL中存在紫丁香基比重很大，而苞叶MWL中紫丁香基含量很少。茎皮和苞叶在1032 cm-1范围内都出现了吸收峰，说明两个部位均存在愈创木基结构单

23、元，但是苞叶的强度明显高于茎皮MWL，表明苞叶MWL中的愈创木基结构单元比重较大。从指纹区800600 cm-1处的吸收峰可以看出苯环上的取代情况。茎皮MWL在835 cm-1处有一强的单吸收峰，表明苯环上存在1，2，3，5四取代或1，4二取代，说明茎皮MWL中以紫丁香基结构为主，还含有一定量的愈创木基和少量对羟基苯结构单元相一致。而苞叶MWL在859 cm-1和765 cm-1出现一弱和一强两个吸收峰，表明苯环上为1，2，4三取代，因此推断其以愈创木基为主。2.3 LCC的FT-IR分析苞叶LCC与秸秆LCC的FTIR峰形基本相似，但在部分峰带的峰强和峰宽上存在一定的差别。首先苞叶LCC在3

24、422 cm-1的羟基吸收峰强度和峰宽均大于茎皮LCC，而在2928cm-1的甲基、亚甲基的C-H吸收峰表现为一弱肩峰，说明苞叶LCC中的缔合羟基比重较大，甲基、亚甲基含量较少。茎皮LCC在1735cm-1处出现非共轭羰基或酯基吸收峰，而苞叶LCC中却几乎没有。两者在16001590 cm-1，15101509 cm-1，14201419 cm-1范围内出现强度较小的苯环吸收峰带，说明在LCC中碳水化合物的比重较木质素大。此外，1161 cm-1和1055 cm-1处出现的中性多糖特征吸收峰处，茎皮LCC峰形较为尖锐。苞叶LCC和茎皮LCC在近900cm-1均出现一极弱吸收峰为多糖中的端基碳（

25、C1），苞叶LCC在850750cm-1间出现极弱的愈创木基木素C-H面外变形振动引起的吸收峰，茎皮LCC在835cm-1出现紫丁香基木素C-H面外变形振动引起的吸收峰，均与两者MWL的FTIR谱图结果相一致。ABA：苞叶 Ear husk；B：茎皮 Stem bark图2 秸秆不同部位中磨木木质素的红外谱图Fig. 2 FT-IR spectrum of MWL in the two parts of corn straw3 讨论红外光谱是分析表征木质纤维素结构特点的有效手段，应用也最为普遍。根据红外光谱中各功能基及化学键，如羟基、羰基、苯环、甲氧基及C-H键等的特定频率，来确定木质纤维素中

26、是否存在这些基团和价键，从而表征木质纤维素的结构15。本文利用FT-IR技术对玉米秸秆中苞叶和茎皮部位的MWL和LCC进行了结构表征，发现两部位的木质纤维素结构存在着一定的差异。首先，由于大量的碳水化合物的引入，LCC中代表木质素的苯环结构的相对比重较MWL中有明显降低。因此LCC的红外谱图中在16001590 cm-1，15101509 cm-1，14201419 cm-1范围内的苯环吸收峰带变得既不明显也不尖锐。再者，茎皮MWL中的苯丙烷结构单元中的侧链和支链结构较多，苯环含量相对较少；且以紫丁香结构单元为主，并含有少量愈创木基和对羟基苯基结构。而苞叶MWL中则OH含量较高，苯环比重较大，

27、结构中则以愈创木基结构单元为主。此外，茎皮MWL中含共轭羰基或者酯基，而苞叶MWL中不含。在两部位的LCC红外谱图中，可以看出苞叶LCC中的羟基含量较茎皮LCC高，而甲基、亚甲基含量较少。在LCC的FTIR谱图中1735cm-1处的吸收峰，是由非共轭的酮、羰基和酯中的C=O伸缩振动所产生。该峰的强弱一般可以决定木质素与半纤维素连接的强弱16,17。茎皮在此处出现明显吸收，而苞叶LCC中未曾出现，说明茎皮中木质素与半纤维素的连结比较强，不利于木质纤维素降解过程中木质素与半纤维素的分离。此外，苞叶和茎皮LCC中的愈创木基和紫丁香基结构单元的分布均与两者MWL中的情况一致。本研究中玉米秸秆木质素中的

28、苯丙烷结构单元组成，与王少光等人采用木聚糖酶和酸水解相结合方法处理得到的木质素（EAL）的组成有所不同18。王少光等人的研究发现：玉米秸秆皮质部中EAL以对羟基苯基单元为主，而玉米全杆EAL中则以愈创木基和对羟苯基单元为主。分析原因，认为一方面是由于玉米品种不同而有所差别；另一方面可能与木质素的提取分离方法不同有关。ABA：苞叶 Ear husk；B：茎皮 Stem bark图3 秸秆不同部位中木质素-碳水化合物复合体的红外谱图Fig. 3 FT-IR spectrum of LCC in the two parts of corn straw4 结论玉米秸秆苞叶和茎皮部位中的MWL和LCC结

29、构存在显著差异，木质素与碳水化合物间的共价键结合程度也有所不同，因此降解难度也会不同。参考文献（共18条）：1 刁其玉，屠焰，陈群，等农作物秸秆养牛手册M北京：化学工业出版社，2013Diao Q Y, Tu Y, Chen Q, et al. Handbook of cowboying with crop straw M. Beijing: Chemical Industry Press, 2013. （in Chinese）2 Flachowsky G, Tiroke K , Schein G. Botanical fractions of straw of 51 cercel varie

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