玉米秸稈苞葉與莖皮中磨木木質(zhì)素和木素-碳水化合物復(fù)合體

1、玉米秸稈苞葉與莖皮中磨木木質(zhì)素和木素-碳水化合物復(fù)合體的傅里葉紅外光譜分析李猛，張亞茹，高夢亞，李術(shù)娜，王樹香，李明，李紅亞*收稿日期：2019-00-00；改回日期：基金項目：河北省科技支撐計劃項目（12226605），河北農(nóng)業(yè)大學教改項目（2015JM04）和河北省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（20161866）資助。作者簡介：李猛（1995-），男，河北唐山人，制藥工程專業(yè)14級，本科。E-mail: 1842387701 * 通信作者Corresponding athuor. E-mail: lihy77（河北農(nóng)業(yè)大學生命科學學院 河北 保定 071000）摘要：通過傅立葉紅外光譜（FT-I

2、R）對玉米秸稈苞葉和莖皮中的磨木木質(zhì)素（MWL）和木素-碳水化合物復(fù)合體（LCC）的結(jié)構(gòu)進行表征，旨在明確玉米秸稈不同部位木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)。采用改良的Björkman方法，分別從玉米秸稈苞葉與莖皮部位提取分離到MWL和LCC，并通過FT-IR對其結(jié)構(gòu)進行了表征和分析。結(jié)果表明：兩個部位中的MWL組成明顯不同。其中莖皮木質(zhì)素中的苯丙烷側(cè)鏈上的支鏈結(jié)構(gòu)以及苯環(huán)結(jié)構(gòu)比重均高于苞葉木質(zhì)素，而羥基、甲基和共軛羰基結(jié)構(gòu)則低于苞葉木質(zhì)素。并且莖皮木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中以紫丁香基結(jié)構(gòu)單元為主，而苞葉木質(zhì)素中則主要以愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元為主。兩個部位的LCC結(jié)構(gòu)也存在差異：苞葉LCC中的羥基含量高于莖皮LCC，而甲

3、基、亞甲基含量較莖皮LCC低；而莖皮LCC中木質(zhì)素與半纖維素連接強度明顯高于苞葉LCC，因此可推斷莖皮中木質(zhì)素與纖維素的分離難度大于苞葉。研究結(jié)果為開發(fā)高效木質(zhì)纖維素降解技術(shù)，提高玉米秸稈利用率奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：玉米秸稈；磨木木質(zhì)素；木素-碳水化合物復(fù)合體；傅立葉紅外光譜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玉米是中國北方極其重要的糧食作物，種植廣泛，其秸稈產(chǎn)量也十分巨大。每年秋季玉米收獲后，殘留的秸稈如何處理成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的難題之一。青貯飼草化是實現(xiàn)玉米秸稈資源化利用的有效途徑之一。但是玉米秸稈的木質(zhì)纖維化程度高，導(dǎo)致其消化率低，在一定程度上限制了秸稈飼草在畜牧業(yè)中的應(yīng)用1。已有研究證實，作物秸稈不同部位的木質(zhì)纖維素的組成不同，其營養(yǎng)價值也不同2。閆貴龍等人3通過對玉米秸稈不同部位的木質(zhì)纖維素含量和體外消化率進行測定比較，發(fā)現(xiàn)酸性洗滌纖維（ADF）、中性洗滌纖維（NDF）和木質(zhì)素（DM）等含量在玉米秸稈各部位間的含量存在顯著差異；通過對NDF和ADF體外消化率的比較，得出不同部位秸

11、稈的營養(yǎng)價值有顯著不同。既然作物秸稈的木質(zhì)纖維化程度直接影響著秸稈飼草的營養(yǎng)價值，那么明確木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)和組成則是秸稈飼草化利用過程中要解決的首要問題。木質(zhì)纖維素作為植物細胞壁的主要成分，主要由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素組成。其中木質(zhì)素是由紫丁香基、愈創(chuàng)木基以及對羥基苯基三種苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)雜高分子聚合物，通過相互交織形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來強化細胞壁，支撐植物生長。經(jīng)過多年的研究，人們發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素并不是簡單地沉積在碳水化合物（植物細胞壁聚糖）中，而是以共價鍵和氫鍵等作用形式與半纖維素形成木素-碳水化合物復(fù)合體（LCC），再與纖維素相包裹共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物細胞壁4。針對這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子物

12、質(zhì)，其結(jié)構(gòu)分析方法大致分為兩種：化學降解法和波譜法?；瘜W降解法中主要有氧化法、水解法和衍生化還原降解法（Derivatization Followed by Reductive Cleavage，DFRC）等5,6?；瘜W降解法會破壞掉木質(zhì)纖維素中的部分結(jié)構(gòu)，不能如實反映其結(jié)構(gòu)全貌。相比之下，波譜法屬于非破壞性方法，在木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)表征上更具優(yōu)勢。目前波譜技術(shù)中的紫外吸收光譜（UV）7、紅外吸收光譜（IR）8及核磁共振（1H-NMR，13C-NMR，31P-NMR，2D13C-1HNMR）9-12等技術(shù)在木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)研究方面的應(yīng)用均有報道。其中紅外光譜在研究木素及木素-碳水化合物的結(jié)構(gòu)及變化的

13、分析中，是應(yīng)用較多的一種儀器分析方法，具有分析時間短、靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用方便和數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點13。當前研究中對玉米秸稈中化學組成的報道較多，而針對玉米秸稈不同部位木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)研究鮮少報道。本文選取玉米秸稈中的苞葉和莖皮部分，分別提取其中的磨木木質(zhì)素和木素-碳水化合物復(fù)合體，并利用傅立葉紅外光譜對其結(jié)構(gòu)進行表征，旨在明確玉米秸稈不同部位的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)特點，為尋求木質(zhì)纖維素的高效降解技術(shù)，提高玉米秸稈消化率奠定基礎(chǔ)。1 材料與方法1.1 材料1.1.1玉米秸稈材料 干玉米秸稈取自河北農(nóng)業(yè)大學教學試驗場第二分廠，品種為鄭單958。采集時間為2014年10月，玉米收獲籽實后田間留置1個

14、月后收集。隨機選取10株玉米秸稈，分別取其苞葉和莖皮部位粉粹至12 mm左右，干燥備用。1.1.2 試劑 試驗中所用到的化學試劑均為分析純。1.2 方法1.2.1 磨木木質(zhì)素（MWL）和木素-碳水化合物（LCC）的提取分離 采取沈艷尼14報道的改良的Björkman方法提取MWL和LCC。步驟如下：取6g玉米秸稈粉分散于經(jīng)金屬鈉處理后的甲苯中，球磨機研磨48h后，抽濾。將抽濾后的秸稈粉放入通風櫥中，自然風干。將秸稈粉加入到100 mL 1，4-二氧六環(huán)（含水量10%）中，超聲處理24 h后，10000 r/min離心，重復(fù)提取、離心3次。合并上清液（秸稈殘渣則用于木素-碳水化合物復(fù)合

15、體的提取），濃縮至干，即為粗制的MWL。將粗制的MWL溶于30mL含水量10%的醋酸中，離心。向離心后的上清液中加入300 mL蒸餾水，充分攪拌，10000 r/min離心。取離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離心。將離心后的上清液加入到經(jīng)金屬鈉干燥過的乙醚中，10000 r/min離心，得沉淀。沉淀經(jīng)乙醚多次洗滌后，再用低沸點的石油醚洗滌干燥，即精制的MWL。將制備MWL過程中，經(jīng)二氧六環(huán)提取后的殘渣用100 mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）攪拌分散，經(jīng)超聲波處理24h后，10000 r/min離心，上清液減壓蒸干。

16、將蒸干后的固體溶于20 mL醋酸水溶液（1：1，V:V）中，10000 r/min離心，上清液蒸發(fā)至干。將蒸干后的殘留物溶于100 mL DMF中，邊攪拌邊滴入1000 mL的二氯乙烷-乙醇（2：1，V:V）的混合液中，離心。將離心得到的固體用二氯乙烷-乙醇（2：1，V:V）的混合液洗滌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進行沉淀，沉淀物用丙酮醋酸混合液（99：1，V:V）洗滌1次，乙醚洗滌4次，石油醚洗滌干燥后得到LCC。流程如圖1所示。1.2.2 紅外光譜（FTIR）分析 用四分法采樣，分別稱取MWL和LCC樣品2 mg，加入干燥后的200 mg KBr中

17、，充分研磨、混勻，壓制成直徑為10 mm左右的薄片。利用SPECTRUM-ONE紅外光譜儀進行測定。圖1 磨木木質(zhì)素和木素-碳水化合物的提取流程圖Fig. 1 Extraction of MWL and LCC2 結(jié)果與分析2.1 MWL和LCC的FT-IR 特征頻率 秸稈不同部位MWL和LCC的FTIR表征結(jié)果如圖2和圖3所示。根據(jù)圖中各吸收峰的特征頻率，對其進行歸屬，結(jié)果見表1。表1 秸稈MWL和LCC紅外光譜特征吸收解析Tab. 1 The assignment of the FTIR spectrum of MWL and LCC in the corn stalk MWL波數(shù)/cm-

18、1LCC波數(shù)/cm-1吸收峰帶的歸屬5345034003422羥基O-H伸縮振動294029202923C-H伸縮振動（CH3、CH2和CH）285528402850C-H伸縮振動（OCH3）1735非共軛羰基（木質(zhì)素）及酯基中C=O的伸縮振動（半纖維素）17151700非共軛羰基（木質(zhì)素）167516601637共軛羰基中C=O伸縮振動（木質(zhì)素）161015951614CO伸縮振動和芳香族骨架振動（木質(zhì)素）；S>G；縮合G>醚化G15151505 1510芳香族骨架振動（木質(zhì)素）；G>S14301420 1430芳香族骨架振動；CH2剪切振動（纖維素）；CH3彎曲振動（木質(zhì)

19、素）1384C-H彎曲振動（CH3、纖維素和半纖維素）13301325紫丁香基環(huán)中C-O伸縮振動12701260愈創(chuàng)木基環(huán)中C-O伸縮振動1248半纖維素的酰氧鍵CO-OR伸縮振動；苯環(huán)-氧鍵伸縮振動（木素酚醚鍵）1228C-OH伸縮振動（木質(zhì)素酚羥基的C-O伸縮）；縮合G>醚化G11681161C-O-C反對稱伸展振動（木糖），半纖維素不對稱，木素側(cè)鏈醚鍵11261125 紫丁香基環(huán)中C-H平面內(nèi)變形振動頻率1055C-O伸縮振動（纖維素和半纖維素）；乙?；械耐檠蹑I伸縮振動；伯醇10331030愈創(chuàng)木基環(huán)中C-H 平面內(nèi)變形振動引起來的900異頭碳（C1）振動頻率（多糖）835C-H

20、面外變形振動，苯環(huán)上存在1,2,3,5四取代或1,4二取代 859、765C-H面外變形振動，苯環(huán)上為1,2,4三取代根據(jù)表1中特征頻率的歸屬情況，可以看出圖2中兩物質(zhì)的紅外光譜在16101595 cm-1、15151505 cm-1及14301420 cm-1處出現(xiàn)芳香環(huán)骨架振動，以及在11261125 cm-1和1033 cm-1出現(xiàn)愈創(chuàng)木基與紫丁香基C-H振動等木質(zhì)素的特征吸收峰，確證此二物質(zhì)為磨木木質(zhì)素（MWL）。圖3中，除了出現(xiàn)了芳香環(huán)骨架振動外，在1161 cm-1處出現(xiàn)了半纖維素中糖類C-O-C反對稱伸展振動的吸收峰，1055 cm-1處出現(xiàn)的纖維素和半纖維素的C-O伸縮振動等碳

21、水化合物（中性多糖）的特有吸收峰，則證實提取的是木素-碳水化合物（LCC）無疑。2.2 MWL的FT-IR分析 從圖2中可以看出玉米秸稈兩個部位中的MWL的紅外光譜圖存在一定的區(qū)別，尤其在2000 cm-1以下的雙鍵區(qū)和指紋區(qū)差別較大。在氫鍵區(qū)羥基共振頻率35003300 cm-1處范圍內(nèi)，苞葉MWL吸收峰強度大，峰形圓而鈍，說明苞葉內(nèi)-OH含量高于莖皮；而莖皮MWL在共振頻率2939 cm-1處的吸收明顯，說明其甲基、亞甲基和次甲基含量高，從而可以判斷在莖皮中的木質(zhì)素苯丙烷單元中側(cè)鏈和支鏈結(jié)構(gòu)較多；莖皮和苞葉兩者的MWL在1701和1691 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰的強度差別不大，表明莖皮和苞

22、葉木質(zhì)素中均含有非共軛羰基。莖皮MWL在1656 cm-1處有一明顯的小吸收峰，而在苞葉中則未出現(xiàn)，說明莖皮MWL中存在共軛羰基，而苞葉MWL則不含。兩部位的MWL在1604 cm-1、1515 cm-1和1423 cm-1三處的苯環(huán)骨架特征吸收峰條帶清晰，峰型尖銳，但苞葉MWL的吸收強度明顯高于莖皮，說明在苞葉MWL中苯環(huán)含量較高，比重較大。莖皮MWL在1328 cm-1和1126 cm-1處的紫丁香基特征吸收明顯，而苞葉MWL中卻未出現(xiàn)，說明莖皮MWL中存在紫丁香基比重很大，而苞葉MWL中紫丁香基含量很少。莖皮和苞葉在1032 cm-1范圍內(nèi)都出現(xiàn)了吸收峰，說明兩個部位均存在愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單

23、元，但是苞葉的強度明顯高于莖皮MWL，表明苞葉MWL中的愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元比重較大。從指紋區(qū)800600 cm-1處的吸收峰可以看出苯環(huán)上的取代情況。莖皮MWL在835 cm-1處有一強的單吸收峰，表明苯環(huán)上存在1，2，3，5四取代或1，4二取代，說明莖皮MWL中以紫丁香基結(jié)構(gòu)為主，還含有一定量的愈創(chuàng)木基和少量對羥基苯結(jié)構(gòu)單元相一致。而苞葉MWL在859 cm-1和765 cm-1出現(xiàn)一弱和一強兩個吸收峰，表明苯環(huán)上為1，2，4三取代，因此推斷其以愈創(chuàng)木基為主。2.3 LCC的FT-IR分析苞葉LCC與秸稈LCC的FTIR峰形基本相似，但在部分峰帶的峰強和峰寬上存在一定的差別。首先苞葉LCC在3

24、422 cm-1的羥基吸收峰強度和峰寬均大于莖皮LCC，而在2928cm-1的甲基、亞甲基的C-H吸收峰表現(xiàn)為一弱肩峰，說明苞葉LCC中的締合羥基比重較大，甲基、亞甲基含量較少。莖皮LCC在1735cm-1處出現(xiàn)非共軛羰基或酯基吸收峰，而苞葉LCC中卻幾乎沒有。兩者在16001590 cm-1，15101509 cm-1，14201419 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)強度較小的苯環(huán)吸收峰帶，說明在LCC中碳水化合物的比重較木質(zhì)素大。此外，1161 cm-1和1055 cm-1處出現(xiàn)的中性多糖特征吸收峰處，莖皮LCC峰形較為尖銳。苞葉LCC和莖皮LCC在近900cm-1均出現(xiàn)一極弱吸收峰為多糖中的端基碳（

25、C1），苞葉LCC在850750cm-1間出現(xiàn)極弱的愈創(chuàng)木基木素C-H面外變形振動引起的吸收峰，莖皮LCC在835cm-1出現(xiàn)紫丁香基木素C-H面外變形振動引起的吸收峰，均與兩者MWL的FTIR譜圖結(jié)果相一致。ABA：苞葉 Ear husk；B：莖皮 Stem bark圖2 秸稈不同部位中磨木木質(zhì)素的紅外譜圖Fig. 2 FT-IR spectrum of MWL in the two parts of corn straw3 討論紅外光譜是分析表征木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)特點的有效手段，應(yīng)用也最為普遍。根據(jù)紅外光譜中各功能基及化學鍵，如羥基、羰基、苯環(huán)、甲氧基及C-H鍵等的特定頻率，來確定木質(zhì)纖維素中

26、是否存在這些基團和價鍵，從而表征木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)15。本文利用FT-IR技術(shù)對玉米秸稈中苞葉和莖皮部位的MWL和LCC進行了結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)兩部位的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)存在著一定的差異。首先，由于大量的碳水化合物的引入，LCC中代表木質(zhì)素的苯環(huán)結(jié)構(gòu)的相對比重較MWL中有明顯降低。因此LCC的紅外譜圖中在16001590 cm-1，15101509 cm-1，14201419 cm-1范圍內(nèi)的苯環(huán)吸收峰帶變得既不明顯也不尖銳。再者，莖皮MWL中的苯丙烷結(jié)構(gòu)單元中的側(cè)鏈和支鏈結(jié)構(gòu)較多，苯環(huán)含量相對較少；且以紫丁香結(jié)構(gòu)單元為主，并含有少量愈創(chuàng)木基和對羥基苯基結(jié)構(gòu)。而苞葉MWL中則OH含量較高，苯環(huán)比重較大，

27、結(jié)構(gòu)中則以愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元為主。此外，莖皮MWL中含共軛羰基或者酯基，而苞葉MWL中不含。在兩部位的LCC紅外譜圖中，可以看出苞葉LCC中的羥基含量較莖皮LCC高，而甲基、亞甲基含量較少。在LCC的FTIR譜圖中1735cm-1處的吸收峰，是由非共軛的酮、羰基和酯中的C=O伸縮振動所產(chǎn)生。該峰的強弱一般可以決定木質(zhì)素與半纖維素連接的強弱16,17。莖皮在此處出現(xiàn)明顯吸收，而苞葉LCC中未曾出現(xiàn)，說明莖皮中木質(zhì)素與半纖維素的連結(jié)比較強，不利于木質(zhì)纖維素降解過程中木質(zhì)素與半纖維素的分離。此外，苞葉和莖皮LCC中的愈創(chuàng)木基和紫丁香基結(jié)構(gòu)單元的分布均與兩者MWL中的情況一致。本研究中玉米秸稈木質(zhì)素中的

28、苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成，與王少光等人采用木聚糖酶和酸水解相結(jié)合方法處理得到的木質(zhì)素（EAL）的組成有所不同18。王少光等人的研究發(fā)現(xiàn)：玉米秸稈皮質(zhì)部中EAL以對羥基苯基單元為主，而玉米全桿EAL中則以愈創(chuàng)木基和對羥苯基單元為主。分析原因，認為一方面是由于玉米品種不同而有所差別；另一方面可能與木質(zhì)素的提取分離方法不同有關(guān)。ABA：苞葉 Ear husk；B：莖皮 Stem bark圖3 秸稈不同部位中木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體的紅外譜圖Fig. 3 FT-IR spectrum of LCC in the two parts of corn straw4 結(jié)論玉米秸稈苞葉和莖皮部位中的MWL和LCC結(jié)

29、構(gòu)存在顯著差異，木質(zhì)素與碳水化合物間的共價鍵結(jié)合程度也有所不同，因此降解難度也會不同。參考文獻（共18條）：1 刁其玉，屠焰，陳群，等農(nóng)作物秸稈養(yǎng)牛手冊M北京：化學工業(yè)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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