基于全溶體系的毛竹竹材木質(zhì)素分離方法

吳文娟，閆雪晴，鄒春陽(yáng)，王博偉，何 賢

（南京林業(yè)大學(xué)江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210037）

木質(zhì)素是一種廣泛分布于植物細(xì)胞壁中無定形的芳香性高聚物，是除纖維素外自然界中儲(chǔ)量位居第2位的可再生資源。隨著木質(zhì)素化學(xué)分解方法研究的進(jìn)展以及光譜、色譜等分析技術(shù)在木質(zhì)素化學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用，對(duì)木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也越加深刻。但是，人們對(duì)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)在很大程度上是基于對(duì)分離木質(zhì)素的研究，而木質(zhì)素主要分布在植物細(xì)胞的微纖絲之間，并且與高聚糖有著復(fù)雜的化學(xué)或物理鏈接，迄今為止尚未找到一種理想的分離方法，使木質(zhì)素完全地?zé)o變化地從植物原料中分離出來[1-2]，因此，分離方法在很大程度上影響著木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)研究。一直以來都是用球磨木質(zhì)素（MWL）來分析木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)[3-4]，但因?yàn)榈寐实停琈WL是否能代表植物原料中全部原本木質(zhì)素也存有爭(zhēng)議[5]，纖維素酶解木質(zhì)素（CEL）因?yàn)榈寐矢?，且結(jié)構(gòu)與MWL相似，被認(rèn)為可代表植物中的原本木質(zhì)素[6]。CEL的一個(gè)主要缺點(diǎn)為酶水解過程中的酶不能在后期分離純化時(shí)完全除去。WU等[7]在此基礎(chǔ)上提出了一種從闊葉木、針葉木中有效分離木質(zhì)素的新方法：EMAL（enzymatic/aicdlolysis lignins）。該分離方法結(jié)合酶處理與溫和酸水解，使木質(zhì)素-碳水化合物間的化學(xué)鏈接能在溫和的化學(xué)條件下，選擇性地有效打開，為木質(zhì)素高效分離提供了保證。相對(duì)于傳統(tǒng)的球磨木質(zhì)素，該分離方法通過球磨、酶水解及溫和酸水解的協(xié)同作用，可以明顯提高木質(zhì)素的得率。但眾所周知，酸處理將導(dǎo)致木質(zhì)素α-醚鍵的斷裂。LEE等[1]和MESHITSUKA等[8]研究表明：球磨后木質(zhì)纖維原料木質(zhì)素在二氧六環(huán)-水溶液中的溶出與球磨時(shí)間有關(guān)，胞間層木質(zhì)素較易溶出，隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，次生壁木質(zhì)素的溶出逐漸增多。因此，利用傳統(tǒng)方法分離木質(zhì)素，縮短球磨時(shí)間不僅降低了分離木質(zhì)素的得率，也使得到的木質(zhì)素缺乏代表性。木質(zhì)纖維原料由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，纖維素大部分分子規(guī)律性排列形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，只有部分分子規(guī)律性差，形成無定形區(qū)。纖維素酶只能作用于植物原料的非結(jié)晶區(qū),對(duì)于結(jié)晶區(qū)并不起作用，如果直接將木質(zhì)纖維素用于酶解，效果很差。因此,在酶解前必須先改變纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，才能促進(jìn)纖維素的降解，達(dá)到提高酶解效率的作用。選用合適溶劑進(jìn)行溶解再生來改善結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)可以提高酶解效率[9-10]。WANG等[11]提出的LiCl/DMSO全溶體系，作用于球磨木粉，結(jié)果表明：再生前后的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元沒有發(fā)生變化，而纖維素的結(jié)晶區(qū)受到一定程度的破壞。本研究以毛竹Phyllostachys edulis竹材為原料，借助LiCl/DMSO溶劑體系溶解再生處理，通過纖維素酶水解分離出非木材木質(zhì)纖維原料中的木質(zhì)素，并與傳統(tǒng)方法得到的MWL和CEL進(jìn)行了比較。

1 材料與方法

1.1 原料

試驗(yàn)毛竹竹材產(chǎn)自浙江安吉，人工劈成長(zhǎng)3～4 cm，寬、厚 2～4 mm的小竹條。上述風(fēng)干原料用Wiley微型粉碎機(jī)粉碎，取40～80目組分，用苯醇（2∶1，V/V）抽提8 h，經(jīng)真空干燥后，儲(chǔ)存于帶磨砂玻璃塞的廣口瓶中，供分析使用。

1.2 球磨

竹粉的球磨在德國(guó)Fritsch微型行星式高能球磨機(jī)中進(jìn)行。稱取2 g真空干燥后的脫脂竹粉裝入容積為45 mL氧化鋯制的罐子，內(nèi)裝18只內(nèi)徑1 cm的氧化鋯球，以600 r·min-1進(jìn)行不同時(shí)間的球磨。球磨在冷庫(kù)（-20℃）進(jìn)行，每運(yùn)行15 min，休停5 min，以避免過熱。磨后竹粉經(jīng)干燥后，備用。

1.3 LiCl/DMSO溶解和再生

球磨2 h的竹粉以質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%溶于8%LiCl/DMSO溶劑體系，室溫下攪拌48 h，在60℃繼續(xù)攪拌24 h。LiCl/DMSO處理后，將溶解物置入透析袋，放入裝有去離子水容器中，用新鮮去離子水更換容器中透析出來的水?dāng)?shù)次，直至用硝酸銀無法檢測(cè)出透析液中氯離子（Cl-）。再生的原料經(jīng)冷凍干燥后，得到再生原料，再生得率為86.0%，高聚糖的得率81.0%。再生原料室溫保存，作酶水解備用。

1.4 木質(zhì)素的分離

竹材MWL的分離方法參照文獻(xiàn)[3-4]。球磨2 h的竹粉10 g，用96%二氧六環(huán)/水（V/V）室溫下提取24 h，離心分離后，殘?jiān)^續(xù)用96%二氧六環(huán)/水（V/V）體系提取1次，離心分離殘?jiān)Ｊ占?次離心后的上清液，在30℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至干，在室溫下真空干燥后，溶于體積分?jǐn)?shù)為90%醋酸溶液中，離心分離，上清液緩緩滴加至10倍體積的水中，沉淀下來的固體殘?jiān)盟x心洗滌3次后真空干燥。干燥后的木質(zhì)素溶于1,2-二氯乙烷/乙醇（2∶1，V/V）的混合液中，離心后，上清液于大量乙醚中沉淀，沉淀物用乙醚洗3次，五氧化二磷真空烘干箱干燥，得到竹材MWL，得率為5.1%（基于竹材Klason木質(zhì)素）。

竹材CEL的分離方法參照文獻(xiàn)[6]。取球磨竹粉和再生球磨竹粉各10 g于 500 mL錐形瓶中，加入一定量纖維素酶酶活（以濾紙酶活計(jì)）為30 μmol·min-1·mL-1的混合酶液（Novozymes提供），以每克絕干葡聚糖為基準(zhǔn)，酶用量均為30 μmol·min-1，補(bǔ)充一定量的pH 4.8的醋酸-醋酸鈉緩沖液，調(diào)節(jié)酶水解底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%，將錐形瓶置于恒溫振蕩器（SHA-C）中，在 180 r·min-1，50℃下振蕩72 h。水解后在5 000 r·min-1下離心15 min，分離酶水解液。殘?jiān)谜麴s水離心洗滌3次后，經(jīng)冷凍干燥和五氧化二磷真空干燥后，用96%二氧六環(huán)/水（V/V）提取，得到粗竹材CEL和再生酶解木質(zhì)素（RCEL）。經(jīng)上述純化步驟后，得到竹材CEL和RCEL，得率分別為25.3%和48.2%（基于竹材Klason木質(zhì)素）。

1.5 木質(zhì)素的乙?；磻?yīng)

木質(zhì)素的乙?；瘏⒖嘉墨I(xiàn)[12]。稱取300 mg木質(zhì)素樣品于50 mL三角燒瓶中，加入15 mL吡啶/乙酸酐（1∶1，V/V），蓋緊瓶塞，攪拌，室溫下反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后，用無水乙醇將反應(yīng)體系蒸發(fā)至干，至無吡啶氣味。加入1 mL氯仿完全溶解，并滴入100 mL乙醚中沉淀出乙?；举|(zhì)素，用乙醚洗滌沉淀多次后，置入40℃真空干燥箱中干燥。乙?；举|(zhì)素用于凝膠滲透色譜（GPC）和核磁共振氫譜（1H NMR）的測(cè)定。

1.6 分析方法

1.6.1 化學(xué)成分測(cè)定 木質(zhì)素含量、灰分的含量按照文獻(xiàn)[13]的方法測(cè)定。稱取樣品0.300 0 g，加入3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 72%硫酸，在18～20℃下水解3 h。期間定時(shí)攪拌，然后轉(zhuǎn)入 100 mL玻璃瓶中，加水將硫酸稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4%，密封后置于滅菌鍋（DSX-280B）內(nèi)，在 121℃下水解 1.5 h。用已恒質(zhì)量的G3砂芯漏斗分離殘?jiān)退庖?，收集濾液測(cè)定酸溶木質(zhì)素和高聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)。殘?jiān)脽嵴麴s水洗滌至濾液，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%氯化鋇檢測(cè)無白色沉淀，在恒溫干燥箱中于 105℃下恒量，稱量后轉(zhuǎn)入馬弗爐中于575℃灼燒至恒量，測(cè)定木質(zhì)素中的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。計(jì)算 Klason木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)扣除灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%硫酸為參比，用日本島津公司的UV-240紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定水解液在波長(zhǎng)205 nm處的吸光度，計(jì)算酸溶木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

還原糖的測(cè)定參照文獻(xiàn)[14]。取水解液5 mL，加入內(nèi)標(biāo)1 mL肌醇溶液（質(zhì)量濃度為1 g·L-1），用飽和氫氧化鋇溶液調(diào)節(jié)pH至5.5，離心分離除去沉淀，加入20 mg硼氫化鈉于清液中，靜置24 h。加入1 mL醋酸后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至漿狀，再加入甲醇繼續(xù)蒸發(fā)至干，1 mL·次-1，連續(xù)3次。將蒸干體系于105℃烘干15 min以確保體系完全無水。加入1 mL乙酸酐后密封，在120℃下反應(yīng)3 h。用日本島津公司的GC-14b氣相色譜儀分析還原糖。氣相色譜條件如下：毛細(xì)管柱TC-17（0.25 mm×30 m）；FID檢測(cè)器；柱溫程序，220℃保留20 min。進(jìn)樣溫度為220℃，檢測(cè)溫度為230℃；氣相色譜GC分析得到的單糖均轉(zhuǎn)換為高聚糖。同時(shí)進(jìn)行2次測(cè)定，取其平均值。

1.6.2 硝基苯氧化 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)變化可以通過硝基苯氧化結(jié)果來分析。硝基苯氧化操作參照文獻(xiàn)[15]。取樣品40 mg于10 mL不銹鋼制的罐子里，依次加入硝基苯0.25 mL，2.0 mol·L-1氫氧化鈉4 mL。將上述混合體系密封置于170℃油浴中反應(yīng)2 h。冷卻至室溫，加入1 mL 0.1 mol·L-1氫氧化鈉配制的內(nèi)標(biāo)3-乙氧基-4-羥基苯甲醛（0.2～0.4 g·L-1）。 用二氯甲烷萃取 3次， 15 mL·次-1， 棄油相取水相， 用 4.0 mol·L-1鹽酸調(diào)節(jié)pH至1.0，依次用二氯甲烷萃取2次，20 mL·次-1，乙醚1次，15 mL。收集有機(jī)相共55 mL，用去離子水20 mL洗滌有機(jī)相，經(jīng)無水硫酸鈉干燥，過濾，濾液蒸發(fā)至干，加入100 μL N,O-雙（三甲基硅）乙酰胺衍生化試劑（BSA）于100℃反應(yīng)10 min。產(chǎn)物用日本島津公司的GC-17A氣相色譜儀進(jìn)行分析。氣相色譜條件如下：毛細(xì)管柱NB-1（0.25 mm×30 m）；FID檢測(cè)器；柱溫程序，150℃保留15 min后，以3℃·min-1升溫到180℃，繼而以10℃·min-1升溫到280℃，保留5 min。進(jìn)樣溫度為250℃，檢測(cè)溫度為280℃。同時(shí)進(jìn)行2次測(cè)定，取其平均值。

1.6.3 元素分析 用德國(guó)Elementar公司的ELⅢ型元素分析儀來檢測(cè)樣品中規(guī)定碳、氫、氮和氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.6.4 熱重分析 采用Henven公司的熱重分析儀進(jìn)行木質(zhì)素樣品熱失重分析，實(shí)驗(yàn)溫度為30～900℃，升溫速率為20℃·min-1，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)。

1.6.5 紅外光譜 采用KBr壓片法在日本JASCO IR-615型紅外光譜儀上測(cè)定樣品，波長(zhǎng)范圍為4 000～400 cm-1。

1.6.6 凝膠滲透色譜（GPC）分析 用美國(guó)Waters公司 1515型凝膠滲透色譜分析系統(tǒng)來測(cè)定木質(zhì)素的分子量和分子量分布。GPC分析在Waters 2414折射只是檢測(cè)器上進(jìn)行，采用StyragelHR1， HR3和HR4色譜柱（7.8 mm×300.0 mm），測(cè)定質(zhì)量濃度5～10 g·L-1，用四氫呋喃作為溶劑，溶劑流速在30℃為1.0 mL·min-1。以標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯（分子量范圍為100～500 000）作為標(biāo)準(zhǔn)樣品制備標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.6.7 X射線衍射 纖維結(jié)晶指數(shù)分析在日本理學(xué)UltimaⅣ組合型多功能水平X射線衍射儀上進(jìn)行，采用粉末法。測(cè)試條件：X光管為CuKα靶（λ=0.154 18 nm），用石墨單色器消除CuKα輻射，管電壓40 kV，管電流40 mA，測(cè)量方法采用θ/2θ聯(lián)動(dòng)掃描，索拉狹縫為0.04 rad，接收狹縫0.15 mm，發(fā)射和防散射狹縫 1°， 掃描范圍為 2θ=5°～40°， 掃描步長(zhǎng)為 0.02°， 掃描速率為 5°·min-1， 記錄 “衍射強(qiáng)度-2θ”曲線。結(jié)晶指數(shù)可以根據(jù)Segal公式[16]進(jìn)行計(jì)算：

其中：ICr為結(jié)晶指數(shù)，Iamorph為 2θ為18°時(shí)無定形區(qū)衍射峰的強(qiáng)度，I002為主結(jié)晶峰 002的最大衍射強(qiáng)度。

1.6.81H NMR測(cè)定 將乙酰化木質(zhì)素溶于氘代氯仿（CDCl3），在日本JEOL公司的Alpha 500型核磁共振儀上進(jìn)行測(cè)樣。以三甲基硅烷作為內(nèi)標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹材木質(zhì)素的特性

2.1.1 竹材CEL和RCEL的得率、化學(xué)組成 相對(duì)于傳統(tǒng)的木質(zhì)素分離技術(shù)，由于部分木質(zhì)素和碳水化合物間存在著共價(jià)鍵鏈接[17]，又有部分的木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體（LCC）溶于二氧六環(huán)與水的溶液中[18-19]，使得從纖維原料中分離得到高純度、高得率木質(zhì)素受到一定局限。經(jīng)比較分析，利用LiCl/DMSO溶劑體系對(duì)球磨竹粉的溶解再生可高效分離木質(zhì)素。對(duì)竹材來說，球磨2 h再經(jīng)LiCl/DMSO溶劑體系的溶解再生分離得到的木質(zhì)素得率可達(dá)48.2%，是CEL方法的2倍多，是MWL方法（得率為5.1%）的9倍。球磨時(shí)間的縮短，木質(zhì)素的溶出可借助于LiCl/DMSO溶劑體系對(duì)物料的滲透潤(rùn)脹來改善，使之有更多的木質(zhì)素裸露出來，通過聚糖的酶解來提高木質(zhì)素在有機(jī)溶劑中的溶出，這樣可以避免因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的球磨帶來木質(zhì)素結(jié)構(gòu)上的損傷。所以LiCl/DMSO溶劑體系的處理有助于提高竹材木質(zhì)素的得率。另外，從表1可看出：竹材的RCEL總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.0 g·kg-1，CEL為 12.0 g·kg-1。RCEL的純度略高于CEL。

由表2可以看出：碳、氫和氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別不大，竹材CEL和RCEL的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為3 g·kg-1，氮元素在木質(zhì)素中質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在10 g·kg-1以下，不會(huì)影響到其化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析[20]。

表1 竹材CEL和RCEL的得率和純度Table 1 Isolation yield and sugar content of purified lignin samples from bamboo

表2 竹材CEL和RCEL的元素分析Table 2 Element analysis of CEL and RCEL isolated from bamboo

2.1.2 分子量分析 凝膠滲透色譜（GPC）是一種木質(zhì)素分子量快速測(cè)定的簡(jiǎn)單可靠的方法。但是木質(zhì)素是不均一的高聚物，分析其不均勻性，即多分散性對(duì)了解整個(gè)木質(zhì)素分子量的變化有重要影響。由表3可以看出：竹材的CEL和 RCEL的重均分子量（Mn）和數(shù)均分子量（Mw）相近，數(shù)均分子量約6 000，重均分子量12 000。RCEL的得率高于CEL。LiCl/DMSO溶劑體系的溶解潤(rùn)脹，一方面破壞了部分與木質(zhì)素相連的纖維素結(jié)晶區(qū)，纖維素被酶水解成單糖溶出，木質(zhì)素則留在底物里；另一方面，通過破壞纖維素結(jié)晶區(qū)，會(huì)將原來彼此包覆的木質(zhì)素釋放出來。最終都會(huì)導(dǎo)致分離木質(zhì)素得率的增加。從表3看到：RCEL的重均分子量高、分散性大，說明非木材纖維原料的木質(zhì)素大分子之間仍存在著較大的差異，體現(xiàn)了非木材纖維原料木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。竹材RCEL的分散性與CEL一致，都為2.0。

表3 竹材CEL和RCEL分子量Table 3 Average molecular weight and polydispersity index （Mw/Mn） of CEL and RCEL from bamboo

2.1.3 紅外光譜分析 紅外光譜能反映木質(zhì)素的微細(xì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)木質(zhì)素紅外光譜特征吸收譜帶測(cè)定分析木質(zhì)素所帶有的功能基，例如羰基、羥基、甲氧基、C—H鍵和C—C鍵等[21]。由圖1可看出：竹材CEL和RCEL紅外光譜特征峰基本一致，表明兩者的官能團(tuán)組成基本相同，CEL和RCEL在其結(jié)構(gòu)上沒有明顯的差異：表征苯環(huán)骨架伸縮振動(dòng)的1 597、1 512和1 419 cm-1吸收峰均顯示出較強(qiáng)的吸收，這是木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的基本特征峰，說明其苯環(huán)骨架結(jié)構(gòu)保存完好。在1 704 cm-1出現(xiàn)明顯吸收峰，這些吸收峰是非共軛羰基、酯基的特征吸收峰；另外，在1 327 cm-1有紫丁香基的吸收，愈創(chuàng)木基單元的伸縮振動(dòng)在1 234 cm-1也有明顯吸收，表明CEL和RCEL中均含有一定量的愈創(chuàng)木基單元、紫丁香基單元。木質(zhì)素芳環(huán)單元結(jié)構(gòu)在LiCl/DMSO溶解再生過程中沒有明顯破壞。對(duì)吸收峰歸屬的劃分結(jié)果見表4。

2.1.4 X射線衍射分析 圖2為原料竹材、球磨竹材及溶解后再生竹材的X射線衍射曲線，未經(jīng)任何處理的原料竹粉（B）結(jié)晶度（ICr）為58.4%，再生竹材（RMB）與球磨竹材（MB）ICr分別為26.5%和24.6%。由圖2可以看出：竹材的曲線明顯不同于球磨竹材和再生竹材。結(jié)合表5的結(jié)晶度可以看出：對(duì)于溶解后再生的球磨竹材原料，其得率為86.0%，高聚糖的得率81.0%，即處于無定形區(qū)的部分碳水化合物會(huì)在LiCl/DMSO處理過程中溶出，因而其結(jié)晶度略高于球磨樣品。與40～80目的原料相比，結(jié)晶區(qū)有了明顯的破壞。對(duì)于經(jīng)過溶解再生后的樣品，一方面可改善聚糖的酶水解，另一方面溶劑體系的深入滲透，會(huì)有更多的木質(zhì)素敞露出來，有利于后續(xù)有機(jī)溶劑的提取、分離。

表4 竹材CEL和RCEL的紅外光譜圖解析Table 4 Assignment of FTIR spectra of CEL and RCEL isolated from bamboo

圖1 竹材CEL和RCEL的紅外譜圖Figure 1 FT-IR spectra of CEL and RCEL isolated from bamboo

圖2 竹材（B）、球磨竹材（MB）及再生竹材（RMB）的X射線衍射圖Figure 2 X-ray pattern of original bamboo （B）,ball milled bamboo （MB）,and regenerated bamboo with ball milling （RMB）

2.1.5 木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元 堿性硝基苯氧化一般用于木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元分析，未縮合的對(duì)羥基苯基（H）、愈創(chuàng)木基（G）和紫丁香基單元（S）在堿性高溫條件下分別氧化為對(duì)羥基苯甲醛、香草醛和紫丁香醛。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中未縮合單元含量越高，則木質(zhì)素的縮合程度越低。表5顯示了酶解木質(zhì)素和溶解再生后的酶解木質(zhì)素的堿性硝基苯氧化結(jié)果。從表5可以看出：竹材CEL的得率為2.7%，RCEL為2.5%，CEL的未縮合程度要高于RCEL。另外，硝基苯氧化的結(jié)果表明：竹材CEL和RCEL均屬于GSH類型的木質(zhì)素，含有豐富的紫丁香基單元，其中紫丁香基單元在未縮合單元中的占比達(dá)一半。從對(duì)羥基苯基、愈創(chuàng)木基和紫丁香基單元的得率、比例及紫丁香基單元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可說明2種分離出來的木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元比例沒有明顯的不同。

表5 竹材CEL和RCEL的硝基苯氧化產(chǎn)物的得率及S/GTable 5 Nitrobenzene oxidation products yields and S/G molar ratio of CEL and RCEL isolated from bamboo

2.1.6 木質(zhì)素的熱穩(wěn)定性 木質(zhì)素是一種復(fù)雜、非結(jié)晶性的空間立體結(jié)構(gòu)的大分子有機(jī)物，以苯基丙烷單元為主體，經(jīng)各種醚鍵、碳碳鍵等連接而成，且含有豐富的羥基和甲氧基等官能團(tuán)，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性會(huì)影響其熱裂解[22]。由圖3可以看出：竹材CEL和RCEL的熱解曲線在100～800℃的熱重曲線大致相同。在200～600℃內(nèi)，殘余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)由94.4%減少至33.2%，減少了63.9%。超過600℃時(shí)，木質(zhì)素中熱解殘余物中已不存在木質(zhì)素苯丙烷單元，此時(shí)的苯丙烷單元組成的大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了徹底的解構(gòu)[23]。在600～800℃內(nèi)RCEL殘余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少值為5.0%，CEL為7.0%，此熱解特性的差異主要在于木質(zhì)素中化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同。經(jīng)前述分析，竹材RCEL的縮合程度要高于CEL，從而導(dǎo)致其熱解需要更高的能量。分析結(jié)果表明：竹材CEL和RCEL的熱分解過程主要發(fā)生在200～600 ℃。

圖3 竹材CEL和RCEL的TG曲線Figure 3 Thermogravimetric analyses of CEL and RCEL of bamboo

2.1.71H NMR分析 由圖4可看出：竹材CEL和RCEL在結(jié)構(gòu)單元方面沒有任何差異，化學(xué)位移在6.25×10-6～6.80×10-6,6.80×10-6～7.20×10-6及 7.30×10-6～7.60×10-6分別對(duì)應(yīng)于紫丁香基、愈創(chuàng)木基及對(duì)羥基苯基單元，分離出來的CEL和RCEL都屬于GSH型木質(zhì)素。化學(xué)位移處在3.48×10-6～4.00×10-6有較強(qiáng)烈的譜峰吸收，應(yīng)歸屬于甲氧基上質(zhì)子。從圖4發(fā)現(xiàn)：2種分離木質(zhì)素CEL和RCEL的各種官能團(tuán)包括羥基和甲氧基峰形都十分明顯，表現(xiàn)出豐富的官能團(tuán)特征，表明分離木質(zhì)素的官能團(tuán)保持較好。另外，化學(xué)位移在 1.60×10-6～2.22×10-6內(nèi)為芳基側(cè)鏈脂肪族醋酸酯上質(zhì)子，2.22×10-6～2.50×10-6的譜峰歸于芳香族醋酸酯上質(zhì)子。

圖4 竹材CEL和RCEL的1H NMR譜圖Figure 4 1H NMR spectra of CEL and RCEL of bamboo

3 結(jié)論

以竹材為原料，經(jīng)球磨、LiCl/DMSO溶劑體系溶解、再生處理、酶水解得到了RCEL。與傳統(tǒng)的方法相比，RCEL得率和純度都較高。經(jīng)表征，此分離方法對(duì)木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)有較好的保護(hù)作用，對(duì)碳水化合物有很好的降解作用，RCEL能較好地代表竹材的木質(zhì)素。

分離得到的竹材木質(zhì)素為GSH型木質(zhì)素，縮合程度略高，竹材RCEL中紫丁香基結(jié)構(gòu)單元含量較高，并占到一半。從分子量分布來看，竹材RCEL數(shù)均分子量和重均分子量都較高，分離過程中木質(zhì)素降解較少。熱解特性曲線分析表明：熱失重溫度為200～600℃，600℃后失重趨于穩(wěn)定。在800℃，竹材RCEL未被分解的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為241 g·kg-1。木質(zhì)素縮合程度的不同決定了其熱解特性的差異。