基于紅外光譜和磁共振波譜的漆酶天然介體體系處理木素結(jié)構(gòu)研究

基于紅外光譜和磁共振波譜的漆酶天然介體體系處理木素結(jié)構(gòu)研究

油漆是一種雙醇氧化機制。在介質(zhì)和氧氣的作用下，紙漿中的殘余木材可以氧化分解。具體反應(yīng)機制如圖1所示。但常用的介體主要是合成介體如HBT、ABTS等具有價格高和潛在的毒性等特點,限制了漆酶體系的工業(yè)化應(yīng)用。因此,尋找可替代合成介體的高效、廉價、環(huán)保、可再生的天然介體的來源是LMS漂白技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。Camarero等用以紫丁香醛、乙酰丁香醛等作為漆酶漂白的天然介體,采用漆酶/天然介體體系處理桉木硫酸鹽漿,使白度由41%ISO增加至67%ISO左右。Moldes等研究發(fā)現(xiàn),漆酶/紫丁香醛體系與漆酶/HBT體系具有相近的催化漆酶脫木素效果。Arzola等發(fā)現(xiàn)紫丁香醛和乙酰丁香酮等天然介體具有與HBT、ABTS等合成介體相似的電化學(xué)穩(wěn)定性。Caňas等用對香豆酸等催化漆酶處理廢水中的多環(huán)芳烴化合物也取得了較好的效果。但關(guān)于漆酶/天然介體體系脫除木素的機理鮮有報道,因此研究漆酶/天然介體體系的木素脫除機理,有著重要的理論和現(xiàn)實意義。我們前期的研究表明,從蔗渣黑液木素降解可得到香草酸、香草醛、阿魏酸、紫丁香醛、丁香醛和對羥基苯甲醛等小分子酚醛類化合物,這些化合物可以作為漆酶脫木素/漂白的天然介體。本文以蔗渣硫酸鹽漿為研究對象,以香草醛作為催化漆酶的模擬天然介體,對其進行了漆酶及漆酶/天然介體體系預(yù)處理,然后采用酶-弱酸水解兩段法分離處理前后蔗渣漿的木素,并對制得的木素樣品進行了傅里葉紅外光譜(FT-IR)和核磁共振波譜(1H-NMR、13C-NMR)分析,得出漆酶/香草醛體系脫除木素的機理。1實驗1.1漆酶、混合纖維素酶蔗渣硫酸鹽漿為實驗室自制紙漿,其kappa值為10.2,白度為38.0%ISO;漆酶和混合纖維素酶分別由寧夏夏盛實業(yè)集團有限公司和諾維信(中國)投資有限公司提供,其酶活分別為700IU/L和170FPU/mL;香草醛購于Sigma-aldrich公司。1.2漆酶/香草醛體系預(yù)處理蔗渣硫酸鹽漿漆酶及漆酶/香草醛體系預(yù)處理是在PARR4843高壓反應(yīng)釜中進行,而螯合處理和過氧化氫漂白是在塑料袋中進行,具體工藝條件如下:漆酶預(yù)處理:漆酶用量15IU/g、pH4、漿濃10%、溫度50℃、時間120min、氧壓0.5MPa漆酶/香草醛體系預(yù)處理:漆酶用量15IU/g、香草醛用量2%、pH4、漿濃10%、溫度50℃、時間120min、氧壓0.5MPa螯合處理:EDTA0.2%、pH3.0、漿濃10%、溫度70℃、時間60min過氧化氫漂白:H2O23%、NaOH2%、MgSO40.05%、漿濃10%、溫度90℃、時間150min。1.3抽提液的制備首先,將風干的未處理、漆酶預(yù)處理及漆酶/香草醛體系預(yù)處理的蔗渣漿用苯-乙醇(體積比為2∶1)溶液在索氏抽提器上連續(xù)抽提20h。然后,再根據(jù)參考文獻提出的方法,采用酶解-弱酸水解的兩步法分離三種蔗渣漿中殘余木素。最后將得到的木素樣品經(jīng)過乙醚洗滌數(shù)次,在40℃條件下真空干燥,即可得到比較純凈的木素試樣。1.4木材素乙酰化經(jīng)純化的木素樣品按照參考文獻提出的方法進行乙?；?得到的乙?；舅貥悠分饕糜诤舜殴舱癫ㄗV分析。1.5紅外光譜測定木素的光譜采用KBr壓片法,在NicoletNexus紅外光譜儀上測定木素樣品的紅外吸收光譜。樣品用量為1.5mg木素/300mgKBr,測定波數(shù)為400～4000cm-1。1.6超聲核磁共振譜ds木素的1H-NMR和13C-NMR分析是在中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所一臺德國BRUKER公司生產(chǎn)的DRX-400型400兆超導(dǎo)核磁共振譜儀上進行的。測定條件如下:溶劑為氘代二甲基亞砜(DMSO-d6);外標為四甲基硅烷TMS;室溫。掃描次數(shù)分別為32次(1H-NMR)和16500次(13C-NMR)。2結(jié)果與討論2.1氧化氫漂漿的硬度實驗分別對漆酶和漆酶/天然介體體系預(yù)處理的硫酸鹽蔗渣進行了過氧化漂白。在沒有添加任何介體的條件下,過氧化氫漂白紙漿的白度68.8%ISO;而添加香草醛作為天然介體后,其白度增加了6.4個ISO白度單位,為75.2%ISO。從后面的分析結(jié)果可以,因為添加香草醛作為介體后,經(jīng)漆酶預(yù)處理后紙漿中羥基數(shù)量較未添加的多,且含有較多的羰基結(jié)構(gòu),增加了木素與過氧化氫反應(yīng)的活性,說明香草醛可以作為漆酶預(yù)處理的介體。2.2紅外光譜檢測紅外光譜除了用于木素結(jié)構(gòu)和基團的定性分析外,也可用于定量分析各種功能基的變化。紅外光譜用于定量分析木素的某些基團時,常用的是基線法。一般研究木素的紅外光譜時采用1510cm-1或1600cm-1吸收峰為內(nèi)標,也可以根據(jù)實際情況采用這些波數(shù)附近的吸收峰作為內(nèi)標。以內(nèi)標吸收峰的吸收強度為100%,其他峰吸收與之對比,即得出該吸收峰的相對吸收強度。本文是以1509cm-1吸收峰為內(nèi)標,通過計算得到其他吸收峰的相對吸收強度。圖1～圖3分別為未漂蔗渣硫酸鹽漿、漆酶預(yù)處理后紙漿和漆酶/香草醛體系預(yù)處理后紙漿中木素樣品的傅里葉紅外光譜圖。圖中各個吸收峰根據(jù)參考文獻確定其歸屬,表1為不同木素樣品紅外光譜各峰歸屬及相對吸收強度。從圖1-圖3和表1中可知,波數(shù)為3419～3442cm-1范圍內(nèi)的吸收峰主要為木素結(jié)構(gòu)中-OH的伸縮振動吸收峰,經(jīng)漆酶單獨處理后紙漿木素結(jié)構(gòu)中-OH的相對吸收強度降低了約22%,而經(jīng)漆酶/香草醛體系處理后紙漿木素中-OH基本保持不變,說明了漆酶可以氧化木素結(jié)構(gòu)的酚羥基結(jié)構(gòu),但添加香草醛后,在氧化木素酚羥基結(jié)構(gòu)的同時還會導(dǎo)致木素中的β-O-Ar和α-O-alk、α-O-Ar等醚鍵發(fā)生斷裂,產(chǎn)生新的酚羥基,但由于處理過程中漆酶主要是木素酚型結(jié)構(gòu)單元發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致木素結(jié)構(gòu)的羥基的總量保持不變。波數(shù)為1640～1655cm-1的范圍內(nèi)的吸收峰是木素結(jié)構(gòu)中共軛羰基(C=O)結(jié)構(gòu)的吸收峰,其在蔗渣硫酸鹽漿及其經(jīng)漆酶和漆酶/香草醛體系預(yù)處理后紙漿中相對吸收強度為0.93、1.01和1.15,說明紙漿中的殘余木素經(jīng)漆酶或者漆酶/介體處理會發(fā)生木素側(cè)鏈Cα位羥基的氧化,生成了α-羰基。2.3原料化學(xué)位移分析圖4～圖6為蔗渣的三種木素樣品的1H-NMR譜圖。表2為木素樣品1H-NMR譜圖的解析,標明了各個峰的歸屬。由圖4～圖6可以看出,在化學(xué)位移為δ2.19～2.49處,對于各種漿殘余木素酚羥基的質(zhì)子峰而言,蔗渣原漿殘余木素的峰最高,其次是漆酶處理漿殘余木素,經(jīng)漆酶/介體體系處理后漿殘余木素的最低,說明漆酶/介體體系處理能有效氧化酚羥基,產(chǎn)生羧基或醛基。在化學(xué)位移為δ8.00～9.80處,經(jīng)漆酶/天然介體體系處理漿殘余木素有明顯的羧基及醛基質(zhì)子吸收峰,而經(jīng)漆酶處理漿殘余木素和蔗渣原漿殘余木素的則不明顯。在苯環(huán)核質(zhì)子區(qū),化學(xué)位移為δ6.28～6.80、δ6.80～7.28、和δ7.30～7.80分別反映了紫丁香基(S)單元、愈創(chuàng)木基單元(G)和對羥苯基單元(H)苯環(huán)上質(zhì)子的吸收峰。從圖4～6以看出,δ6.28～6.80和δ6.80～7.28處的質(zhì)子峰較強,而δ7.30～7.80處的峰相對較弱,說明該蔗渣木素樣品中含有紫丁香基(S)單元、愈創(chuàng)木基(G)和對羥苯基單元三種單元,并以紫丁香基單元(S)和愈創(chuàng)木基單元(G)為主,對羥苯基單元(H)較少。在化學(xué)位移為δ5.74～6.28處,經(jīng)漆酶/天然介體體系處理后的漿樣比漆酶處理漿殘余木素Ar-CH=CH上的β-H明顯增多,這可能是由于部分β-O-4結(jié)構(gòu)斷裂引起的。2.4漆酶/天然介體體系對殘余木素的降解效果圖7～圖9為蔗渣的三種木素樣品的13C-NMR譜圖,圖上標明了各個樣品在不同化學(xué)位移處的吸收峰以及各峰對應(yīng)的化學(xué)位移值。表3為木素樣品13C-NMR譜圖的解析,標明了各個峰的歸屬。13C-NMR譜圖通常分為3個區(qū)域:C=O區(qū)(化學(xué)位移δ160～220)、芳香區(qū)(化學(xué)位移δ101～160)和脂肪側(cè)鏈區(qū)域(化學(xué)位移δ40～101)。從圖8和圖9可以看出,經(jīng)漆酶/天然介體體系處理后殘余木素的脂肪側(cè)鏈區(qū)域吸收明顯低于單獨漆酶處理后木素的吸收,可能是由于木素發(fā)生了側(cè)鏈氧化脫除反應(yīng),說明漆酶/天然介體體系對木素側(cè)鏈的降解效果優(yōu)于單獨漆酶處理的降解效果。經(jīng)漆酶/天然介體體系處理后的漿,其殘余木素甲氧基含量明顯少于僅有漆酶處理漿中殘余木素甲氧基的含量,說明在漆酶/介體體系處理過程中,一部分甲氧基有可能被氧化發(fā)生脫除。對比化學(xué)位移值為δ128～129位置上的吸收峰,經(jīng)漆酶/天然介體處理后木素的吸收比經(jīng)單獨漆酶處理漿殘余木素的吸收而言明顯增強,這是-CH=CH-的吸收特征,其吸收增大可能是由于漆酶/天然介體的作用使木素的側(cè)鏈的β-O-4結(jié)構(gòu)發(fā)生了斷裂。蔗渣漿中木素經(jīng)過漆酶/天然介體處理后在化學(xué)位移為δ120～123之間出現(xiàn)了兩個峰,可能原因是漆酶/天然介體的作用使木素結(jié)構(gòu)中的愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)側(cè)鏈的α-碳發(fā)生氧化,從而使C-6位的位移值發(fā)生了偏向。δ152.3的峰是代表紫丁香基中的C3和C5,5一5’結(jié)構(gòu)中的C3/C5。由圖可知,單獨漆酶處理漿中殘余木素在此處吸收強于漆酶/天然介體體系處理漿殘余木素的吸收,說明漆酶/天然介體體系處理較單獨漆酶更易于使木素中的紫丁香基發(fā)生開環(huán)降解反應(yīng)。另外經(jīng)漆酶/天然介體處理后殘余木素的羰基的吸收峰增加,說明由于漆酶/天然介體的氧化作用使部分羥基氧化成為羰基,導(dǎo)致預(yù)處理后紙漿的白度下降,但可以提高后續(xù)過氧化氫漂白的可漂性。3基于漆酶/介體體系處理的殘余木素側(cè)鏈c位羥基被氧化的-基(1)從漂白結(jié)果可以看出,添加香草醛作為介體,漆酶預(yù)處理蔗渣漿經(jīng)過氧化氫漂白后,其白度可以增加6.4個ISO白度單位。(2)從FT-IR光譜分析可知,經(jīng)漆酶/天然介體處理紙漿殘余木素的共軛芳香羰基增加較多,漆酶單獨處理漿殘余木素次之,而原漿殘余木素中的最少,說明紙漿中的殘余木素經(jīng)漆酶或者漆酶/介體處理會發(fā)生木素側(cè)鏈Cα位羥基被氧化,生成了α-羰基。(3)從1H-NMR波譜圖分析可知,漆酶/介體體系處理能有效氧化酚羥基,產(chǎn)生羧基或醛基;蔗渣木素樣品中含有紫丁香基(S)單元、愈創(chuàng)木基(G)和對羥苯基單元三種單元,并以紫丁香基單元(S)和愈創(chuàng)木基單元(G)為主,對羥苯基單元(H)較少;