木素-纤维素复合体的合成及木素结构特征

木素-纤维素复合体的合成及木素结构特征

根据文献，木素和半养分之间存在化学键连接。中野三在研究未漂硫酸盐木浆中木素-碳水化合物复合体(LCC)时也提出木素不但与半纤维素之间而且与纤维素之间也具有碱稳定的化学键连接,而且认为木素与纤维素之间的化学键连接是进一步脱木素的主要障碍。1996年,Karlsson等通过分子排阻色谱法证明松树硫酸盐浆中存在稳定的木素和纤维素化学键连接。而后,MartinLawoko对木素-聚糖复合体的网状结构做了研究,并用新方法从未漂硫酸盐针叶木浆中取得大量有代表性的LCC,经分析发现,硫酸盐浆中至少90%的残余木素与碳水化合物以化学键连接;其中,LCC连接中的大部分(约92%)是木素与木聚糖、葡甘露聚糖间连接,而小部分(8%)是木素与纤维素间连接。以上研究虽然确认了木素和纤维素之间有化学键连接,但是,它们之间到底是以什么方式连接及其是否是在木素大分子形成时产生的,至今还没有直接的证明。为了探讨木素与纤维素之间的连接情况,本文以侧链α位被13C标记的松柏醇葡萄糖甙作为木素的前驱物,在β-葡萄糖甙酶、葡萄糖氧化酶、过氧化物酶的酶体系中,向经过润胀预处理的微晶纤维素胶状液中滴加松柏醇葡萄糖甙溶液,并用FT-IR和CP/MAS13C-NMR对所得结果进行检测分析,获得木素侧链α位上各种连接键的信息,从而解析木素的化学结构及其在形成过程中与纤维素的连接情况。1实验1.1添加量的制备向8mL85%的磷酸中加入400mg微晶纤维素,边加边搅拌。待其完全溶解后,向微晶纤维素的磷酸溶液中加热水,使微晶纤维素呈蓬松状析出,过滤,并用清水洗涤至pH值呈中性为止。放入40mL0.2mol/L乙酸钠/乙酸的缓冲溶液(pH值5.0)中备用。1.2粗木素-纤维素dhpcc的制备首先配制3种溶液:①溶有400mg松柏醇葡萄糖甙的0.2mol/L乙酸钠/乙酸缓冲溶液A(pH值5.0)40mL;②溶有β-葡萄糖甙酶、葡萄糖氧化酶、过氧化物酶的水溶液B3mL;③溶有400mg微晶纤维素的0.2mol/L乙酸钠/乙酸缓冲溶液C40mL。在无菌条件下,把溶液B加入到溶液C中得混和液D,接着用恒流泵在24h内将溶液A加入到溶液D中,在30℃下继续反应5天。反应期间不断通入经棉花和活性炭过滤的空气。反应结束后离心分离,用水洗涤不溶物,真空干燥得粗木素-纤维素复合体(粗制DHPCC)。取松柏醇葡萄糖甙300mg和松柏醇葡萄糖甙-[α-13C]100mg,用上述方法合成带标记的粗木素-纤维素复合体(粗制DHPCC-13C)。1.3精制dhpcc的制备将二氯乙烷/乙醇(体积比为2∶1)溶液40mL加入到粗DHPCC中,室温搅拌0.5h后离心分离,得到去除游离木素的DHPCC固体。向该固体中加入溶有8mol/L尿素的硼酸/硼砂缓冲液24mL,室温搅拌48h后离心分离,得到去除残余酶的DHPCC固体。再向该固体中加入一定量的水,室温搅拌60h后离心分离,用水进行充分洗涤以除去残留在DHPCC上的尿素,即得不带标记的精制木素-纤维素复合体(精制DHPCC)。用与1.2相同的方法制得带标记的精制木素-纤维素复合体(精制DHPCC-13C)。1.4傅里叶变换红外光谱的测定取1～2mg样品与10倍量的无水KBr混合,混合均匀后,倒入压片模具中压片,采用美国ThermoNicolet公司NexusFT-IR型红外光谱仪用透过法测定傅里叶变换红外光谱图。1.5c-nmr谱图采用带固体探头的VarianInfinityPlus-400型核磁共振仪,并用常规交叉极化(CP)和魔角旋转(MAS)法在100.5MHz下对样品进行13C连续扫描得到13C-NMR谱图。实验条件为:温度室温,转速7.0kHz,接触时间3.0ms,接受时间50.0μs,扫描宽度25.0kHz,脉冲迟滞2.0s,扫描次数4331次。2结果与讨论2.1精制前后dhpcc中木素-纤维素的含量变化图1为木素-纤维素复合体(DHPCC)的红外光谱。由图1可知,精制前在1599.51、1601.48、1509.73、1511.15cm-1处有较强的苯环吸收峰,而精制后在1600cm-1和1500cm-1附近的吸收峰明显减弱,这说明通过二氯乙烷-乙醇混合液和尿素溶液处理后,DHPCC中游离木素大部分被洗去。另外,通过比较还可发现,精制前DHPCC在1732.52cm-1和1734.87cm-1处有明显的吸收峰,它们来自木素结构中非共轭C=ΟC==O伸缩振动,而精制后在1734cm-1附近基本上看不到吸收峰,说明DHPCC经过精制后木素含量明显降低,即一部分没有与纤维素相连接的游离木素被除去。但是,精制后在1500cm-1处还有吸收峰,表明经过洗涤处理后的木素-纤维素复合体中仍然存在一定量的苯环结构,而且这些芳香族化合物与纤维素有较强的物理结合或化学键结合。为了具体探讨精制后DHPCC中木素与纤维素的结合方式,用高分辨率固体核磁对产物进行了进一步检测。表1是对精制前后DHPCCFT-IR(图1)的红外解析。2.2共振信号的叠加图2为精制的不带标记DHPCC和侧链α位带13C标记的DHPCC的CP/MAS13C-NMR谱图,表2为其所含结构单元所对应的化学位移和官能团。DHPCC中愈创木基型结构及其与纤维素的主要连接方式如图3所示。基于化学位移δ=65处对谱图中峰的强度进行比较,通过分析比较图2中的DHPCC和DHPCC-[α-13C]谱图,可以看到在δ=131.4(№1)的低场处有一个较弱信号得到了加强,主要来自松柏醇结构(1,图3)中α-C共振信号的叠加,说明物质中含有一定量的松柏醇结构,但含量较少。信号№2(δ=105)处的峰经同位素标记后明显增强,其信号为与糖单元以缩醛键(2,图3)连接的α-C和纤维素C1的共振峰,可以推知物质结构中木素与纤维素的连接以缩醛键为主。在化学位移δ=87.9(№4)处的信号主要来自β-5结构(8,图3)中α-C的共振信号,另外,还来自纤维素中C4的共振信号。δ=84.6(№5)处的信号为β-β结构(3,图3)中的α-C、与糖类有苯甲醚键(5,图3)连接的α-C及带α-CO的β-O-4结构(7,图3)中的β-C的共振信号的叠加。在δ=75.1(№6)处有强的共振峰,由于通过13C标记后该处信号有所增强,说明该信号除了来自碳水化合物(主要是纤维素)的共轭信号以外,有一部分来自β-O-4结构中的α-C和与碳水化合物以酯键(4,图3)连接的α-C。可推知DHPCC中木素与纤维素有一部分也以酯键的方式连接为主。δ=63(№8)处有明显的增强信号,说明物质中β-1结构(9,图3)的存在。3木素-纤维素复合体的热反应3.1通过对木素侧链α