玉米秸稈木質素降解過程的CP／MAS 13CNMR和SEM表征

陳 琳，張 全，孟雪松，凌鳳香

（中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧 撫順113001）

我國秸稈資源非常豐富，每年達到7億t以上，但除少量用于造紙、紡織等行業或用作粗飼料、薪柴外，大部分以堆積、荒燒等形式直接傾入環境，造成極大的污染和浪費[1，2］。利用微生物將其降解，轉化為能源，是使其資源化、環境化的有效途徑。玉米秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，并共存于植物纖維原料中，形成非常復雜的結構，特別是木質素的復雜結構嚴重阻礙了酶解的進行[3］。因此，木質素的降解是玉米秸稈資源化利用的關鍵。目前報道能降解木質素的微生物多是白腐真菌，其中研究最多的是黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）[4］。利用黃孢原毛平革菌降解木質素，對于高效利用和轉化秸稈資源具有重要的現實意義。

木質素是一種三維立體結構的高分子聚合物，以苯丙烷結構單元作為基本骨架，其苯環和支鏈上的官能團包括甲氧基、羥基、羧基和羰基等，同時不同結構單元以醚鍵和碳碳單鍵相連接[5］。圖1是木質素的3種基本結構（非縮合型結構），即愈創木基結構、紫丁香基結構和對羥苯基結構。在微生物的降解作用下，木質素結構中的這些官能團和連接方式有可能會發生一些變化。

固體核磁（CP／MAS13CNMR）[6－9］不必將樣品制成溶液，而保持未被破壞的狀態，可以獲得其微觀結構更全面、準確的信息。因此，作者在此采用CP／MAS13CNMR和SEM表征玉米秸稈木質素降解前后的結構變化，同時根據分析結果對降解過程中玉米秸稈木質素的反應機理進行了討論。

圖1 木質素的3種基本結構單元Fig.1 Three basic structural units of lignin

1 實驗

1.1 材料

玉米秸稈木質素原料：取自肇東，將玉米秸稈蒸汽爆破后，再蒸煮，利用纖維素酶將其酶解，經過濾、105℃烘干，即得到玉米秸稈木質素原料。

降解后樣品：利用黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）FS－19對玉米秸稈木質素原料進行搖瓶降解處理，抽濾，105℃烘干，分別得到降解6d、12d及18d的樣品。

1.2 儀器

固體核磁（CP／MAS13CNMR）：Bruker AvanceⅢ500型核磁共振波譜儀（瑞士Bruker公司），4mm魔角探頭，轉速5kHz，脈沖寬度90，交叉極化時間0.05s，采樣間隔時間10μs，接觸時間2000μs，弛豫時間1s，采集數據點8192，內標參考物為四甲基硅烷。

JSM－7500F型場發射掃描電子顯微鏡（日本），加速電壓5.0～10.0kV。

1.3 方法

分別取玉米秸稈木質素原料及降解6d、12d、18d的樣品進行 CP／MAS13CNMR表征。參照文獻[10］，根據圖譜中的各信號化學位移進行歸屬，找出相應的官能團結構，比較降解前后木質素的結構變化情況。

同樣，分別取玉米秸稈木質素原料及降解6d、12d、18d的樣品進行SEM分析，比較降解前后木質素的微觀結構變化情況。

2 結果與討論

2.1 CP／MAS 13CNMR分析

2.1.1 定性分析

圖2是玉米秸稈木質素原料及降解6d、12d、18d的樣品的CP／MAS13CNMR譜圖，圖2中各吸收信號對應的碳原子歸屬見表1 。

圖2 玉米秸稈木質素降解前后的CP／MAS 13CNMR圖譜Fig.2 CP／MAS 13CNMR Spectra of corn stover lignin before and after degradation

由圖2和表1 可知，各樣品中同時存在愈創木基、紫丁香基和對羥苯基結構，由于受到其它大分子結構的影響，譜峰較寬。圖2中，化學位移60～110ppm譜峰很強，一般來講，固體CP／MAS13CNMR中，纖維素的信號主要集中在這個化學位移區間；此外還有少量的半纖維素存在，這一帶雖然也有木質素側鏈的信號，但即使在純的木質素中，這一帶的信號也較弱，因

表1 玉米秸稈木質素CP／MAS 13CNMR譜的化學位移與歸屬Tab.1 Chemical shift assignments of CP／MAS 13CNMR for corn stover lignin

此圖2中60～110ppm強烈的核磁峰，正好也說明所謂的纖維素酶解木質素，實際上有大量的碳水化合物存在。另外，各樣品在85.7ppm處都有β－O－4鍵連接的紫丁香基和愈創木基單元上Cβ的中等強度吸收峰，且此吸收峰的強度基本沒有變化，說明在降解過程中，作為木質素結構單元主要連接方式的β－O－4鍵基本上沒有被降解。

2.1.2 定量分析

木質素不同類型碳相應積分區域[11］為：羰基碳200～160ppm；芳基碳160～110ppm；烷氧基碳110～60ppm；甲氧基碳57ppm；烷基碳46～0ppm。通過各區域信號的積分可以初步定量地得到各組分的變化。表2 為木質素CP／MAS13CNMR譜不同化學位移區間的積分面積。

表2 CP／MAS 13CNMR譜不同化學位移區間的積分面積Tab.2 Different chemical shift integral area in CP／MAS 13CNMR spectra

由表2 可知，木質素降解后，單位苯環的甲氧基碳含量有所增加，這可能是由于降解過程中苯環側鏈上的－OH被氧化所致；化學位移110～60ppm的烷氧基碳含量有所減少，是由于降解過程中碳氧化合物被除去，與定性分析結果一致。

S／G值（S為Syringyl，紫丁香基；G為 Guaiacyl，愈創木基）可依據化學位移153.0ppm、148.0ppm和134.3ppm處的去卷積峰面積估算出來[12］。153.0 ppm、148.0ppm處的峰面積包括紫丁香基（S）木質素的C3、C5以及愈創木基（G）木質素的C3、C5，即含有（2S＋2G）個碳原子；134.3ppm處的峰包括了紫丁香基（S）木質素單元的C1、C4以及愈創木基（G）木質素單元的C1，即含有（2S＋G）個碳原子。因此可依據積分面積計算出S／G值。

表3 是玉米秸稈木質素原料及降解6d、12d、18d的樣品的S／G值。

由表3 可知，木質素降解過程中，S／G值逐漸減小。其原因可能與木質素的降解過程有關：木質素的降

表3 木質素降解過程的S／G值Tab.3 S／G Values for lignin degradation

解是從外部暴露的細胞壁向內部進行，這種降解可能會首先移除次生細胞壁；而紫丁香基丙烷單元中次生細胞壁更豐富些，愈創木基丙烷單元中則含有更多的離中心較近的薄壁組織，因此，S／G值會逐漸降低；此外，在木質素降解過程中，微生物會選擇性地移除更多的紫丁香基，這是因為愈創木基中C－C鍵和C－O－C鍵連接得很緊密的緣故。

2.2 SEM 分析

通過SEM表征[13－15］玉米秸稈木質素原料及降解6d、12d、18d的樣品的微觀結構，結果見圖3。

圖3 玉米秸稈木質素降解過程的SEM照片Fig.3 SEM Photos of corn stover lignin degradation

由圖3可知，未被降解的玉米秸稈木質素表面平整，結構緊密，呈自然伸展狀態，有明顯的顆粒物質存在，偶有空穴可見。隨著降解時間的延長，樣品表面變得粗糙，凹凸不平，空穴增多且增大，顆粒物質減少。經分析，空穴增多的原因可能是由于纖維素酶解木質素中還存在大量的碳水化合物，而碳水化合物較木質素更易被降解；空穴增大主要是其中的高聚糖在生物降解過程中被除去所致。

3 結論

CP／MAS13CNMR結果表明，玉米秸稈木質素降解過程中，作為木質素結構單元主要連接方式的β－O－4鍵基本上沒有被降解；生物降解后，木質素單位苯環的甲氧基碳含量稍有增加，S／G值降低，推斷反應過程中紫丁香基優先參與反應。SEM結果表明，空穴增大主要是由于碳水化合物的降解所致，而木質素本身的結構基本上未發生明顯的變化。

CP／MAS13CNMR為木質纖維原料的結構表征提供了一種先進的手段，也可進行初步定量，是傳統的定量表征手段很好的補充，具有一定的研究意義。

[1]Stewart D.Lignin as a base material for materials applications：Chemistry，application and economics[J］.Industrial Crops and Products，2008，27（2）：202－207.

[2]Bugg T D H，Ahmad M，Hardiman E M，et al.Pathways for degradation of lignin in bacteria and fungi[J］.Natural Product Reports，2011，28（12）：1883－1896.

[3]Kirk T K，Farrell R L.Enzymatic"combustion"：The microbial degradation of lignin[J］.Annu Rev Microbiol，1987，41（1）：465－505.

[4]Ebbs S D，Lasat M M，Brady D J，et al.Phytoextraction of cadmium and zinc from a contamination soil[J］.Environ Qual，1997，26（5）：1424－1430.

[5]蔣挺大.木質素[M］.北京：化學工業出版社，2009：16－23.

[6]Hauksson J B，Edlund U，Trygg J，et al.NMR Processing techniques based on multivariate data analysis and orthogonal signal correction.13C CP／MAS NMR spectroscopic characterization of softwood kraft pulp[J］.Magnetic Resonance in Chemistry，2001，39（5）：267－275.

[7]Okino E Y A，Santana M A E，Resck I S，et al.Liquid chromatography and solid state CP／MAS13CNMR techniques for chemical compound characterizations of cypress wood Cupressus glauca Lam.exposed to brown－and white－rot fungi[J］.Carbohydrate Polymers，2008，73（1）：164－172.

[8]Delmotte L，Ganne－Chedeville C，Leban J M，et al.CP－MAS13CNMR and FT－IR investigation of the degradation reactions of polymer constituents in wood welding[J］.Polymer Degradation and Stability，2008，93（2）：406－412.

[9]Gauthier A，Derenne S，Dupont L，et al.Characterization and comparison of two ligno－cellulosic substrates by13C CP／MAS NMR，XPS，conventional pyrolysis and thermochemolysis[J］.Anal Bioanal Chem，2002，373（8）：830－838.

[10]Nimz H H，Robert D，Faix O，et al.Carbon－13NMR spectra of lignins.8.Structural differences between lignins of hardwoods，softwoods，grasses and compression wood[J］.Holzforschung，1981，35（1）：16－26.

[11]方桂珍，李堅，崔永志.固體核磁CP／MAS13CNMR在木材科學中的應用[J］.四川農業大學學報，1998，16（1）：170－175.

[12]Davis M F，Schroeder H A，Maciel G E.Solid－state13C nuclear magnetic resonance studies of wood decay.Ⅱ.White rot decay of paper birch[J］.Holzforschung，1994，48（3）：186－192.

[13]Adusumalli R B，Raghavan R，Schwaller P，et al.In situ SEM micro－indentation of single wood pulp fibres in transverse direction[J］.Journal of Electron Microscopy，2010，59（5）：345－349.

[14]De Vetter L，Cnudde V，Masschaele B，et al.Detection and distribution analysis of organosilicon compounds in wood by means of SEM－EDX and micro－CT[J］.Materials Characterization，2006，56（1）：39－48.

[15]Wallstrom L，Lindberg K A H.Measurement of cell wall penetration in wood of water－based chemicals using SEM／EDS and STEM／EDS technique[J］.Wood Science and Technology，1999，33（2）：111－122.