木质素的测定方法研究进展

木质素的测定方法研究进展 第41卷 2007芷 第3期 6月 河南农业大学 JournalofHenanAgriculturalUniversity V01.41NO.3 Jun.2007 文章编号:1000—2340(2007)03—0356—07 木质素的测定方法研究进展 苏同福,高玉珍,刘霞,周斌,宫长荣 (1.河南农业大学,河南郑州450002;2.黄河中心医院药剂科,河南郑州450003) 摘要:对木质素的制备,总量的测定及其结构和分子量的测定等进行了综述,并分 析了这些测定方法存在的问 题.指出了将太赫兹技术应用于木质素测定的前帚, 关键词:木质素;降解;太赫兹 中图分类号:Q539;o636,2文献标识码:A ReviewofDeterminationofLignin SUTong.fu,GAOYu—zhen,LIUXia,ZHOUBin,GONGChang—rong (1.HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China; 2,PharmacyofyellowRiverCentralHospital,Zhengzhou450003,China) Abstract:Testingmethodsfortotallignin,preparationoflignin,structuresandmolecularwei ght,are introducedinthisarticle.Problemsexistinginthesetestingmethodsareanalysedandthepros pectsof theterahertztechnologyapplicationtoligninanalysisarepointedout. Keywords:lignin;decompose;terahertz 木质素,又称为木素,广泛地存在于木材与禾 本植物体内,通常认为是植物体在次生代谢合成 的,在植物体内具有机械支持,防止生物降解,输送 水分等功能.木质素的化学组成是苯丙烷类物质 (包括对羟基苯丙烷,邻一甲氧基苯丙烷以及4一 羟基一3,5一二甲氧基苯丙烷),是一种三维网状 的天然高分子物质,热值高,含量仅次于纤维素.尽 管如此,木质素还没有得到广泛地应用,但随着石 油和煤炭资源的短缺和价格的上升,以及人们对环 境污染的关注,使得天然高分子材料转化和利用的 研究得到了高度重视.目前木质素得到广泛关注的 原因一是木质素具有高热值,具有苯环结构,通过 改性或者化学修饰可以广泛地为工业利用,转化为 生物柴油,是可再生的能源和资源;另一方面是木 质素对人体和动物基本上无毒,可广泛用于食品工 业,以减少消化道疾病的发生,同时,某些木质素类 低聚物可能还具有抗癌,抗肿瘤等功效.然而, 由于木质素结构的复杂性,目前人们对于木质素的 生物活性与结构,功能之间的关系还了解得不十分 深刻,因此加强对木质素结构的研究,具有重要的 理论意义和现实意义.对木质素的结构分析是建立 在KLASON提出松柏醇脱氢机理基础之上,后来 这种理论被FRENDENBERG所证实.鉴于木质 素结构的复杂性,用脱氢氧化理论来解释木质素结 构单元是有局限性的,但这并不妨碍用该方法分析 木质素的实用性. 1木质素的制备 木质素在植物体内常与纤维素或半纤维素以 化学键的形式结合在一起,这造成了对木质素分离 和提取的困难.但经过人们多年的研究,已找到多 种分离提取木质素的方法,并对木质素进行分析, 提出了40多种模型.对于木质素分离提取的方 法,大致可分为两大类:一类是木质素以外的成 收稿日期:2006—11—24 基金项目:国家烟草孥卖局资助项目(110200302007) 作者简介:苏同福(1970一),男,河南滑县人,讲师,博士研究生,主要从事烟草化学方 面的研究;通讯作者:宫长荣 第3期苏同福等:木质素的测定方法研究进展357 分进行降解,木质素作为不溶物质而沉淀下来;另 一 种分离方法是利用有机溶剂将木质素进行溶解, 从而木质素与纤维素的分离,得到木质素. 1.1酸解纤维素法 这种方法是传统,经典的方法,常用于木质素 含量的测定.它一般是用硫酸或盐酸对纤维素进行 降解,具体过程参看克拉松木质素(Klasonlignin) 的测定,该方法得到木质素的结构发生化学变化比 较大.相比而言,用盐酸提取比用硫酸发生变化要 小,这是测定木质素总含量的基础. 1.2纤维素分解酶木质素 由于酸解木质素在分离提取过程中,常常使用 酸类物质,使得部分的木质素被酸解而溶解掉了, 同时对设备腐蚀比较严重,因此,研究者'提出 了利用酶制剂对植物体内的纤维素进行降解,提取 木质素.传统的制备方法是将木材在干燥条件下或 非溶胀性溶剂中碾碎,再将粉末放人含有纤维素酶 的溶液中把纤维素除去.该木质素被称为纤维素分 解酶木质素(celluloticenzymelignin,CEL).然后, 将CEL放入乙酸溶液里进行纯化得到木质素.用 这种方法得到的木质素常含有一定的纤维素.如果 用液.液萃取的方法制备木质素,所含纤维素的量 就比较少.这种用液,液萃取方法得到木质素 很难将其中剩余的纤维素除去,因为它们与木质素 是以共价键键合的.但是ITOH认为,这种方法 在碾磨过程中可能导致木质素的分解,但这种变化 在很大程度上是未知的,同时,在结构研究上发现 CEL与体内木质素尚无存在任何有显着性的差 异.总之,CEL有可能代替木质素的总含量,因为 这种方法的产率较高,制备条件温和,化学成分一 般不发生变化,但也有缺陷如得到的木质素里面糖 类物质含量较高,制备过程费时…. 1.3有机溶剂提取法 该方法常使用的有机溶剂有甲醇,乙醇,丁醇 等,在提取过程中,常常加入无机酸作为催化剂,使 木质素溶解,分离出纤维素不溶物,然后再改变溶 液的极性或加入沉淀剂,沉淀出木质素.能够作为 这种溶剂的还有苯甲醇,异丁醇,戊醇等.但这方法 得到的木质素往往在位上引进烷基,有的发生 化学变化,有的与有机溶剂结合在一起.如果在分 离提取过程中使用中性有机溶剂如甲醇,乙醇,丙 酮等,但是这种方法得到的木质素,只是植物体内 木质素总量的一部分,大约是总量的10%,发生化 学变化就很少.这种木质素被称为Brauns天然木 质素(Braunsnaturallignin,即BNL).有许多有机 溶剂提取方法已经运用于工业?". 1.4高沸醇溶剂法 高沸醇溶剂(highboiling—pointsolvent)本来就 是有机溶剂的范畴,由于它具有独特的特点,故而 独自列为1类.其特点是溶剂沸点高(如乙二醇的 沸点是190?,1,3一丁二醇的沸点是207.5?,1, 4一丁二醇的沸点是235?等),致使挥发性很低, 与低沸点的乙醇,丙酮相比,在洗涤纤维素时蒸发 损失较少,整个过程几乎没有排放污染物质,使用 后的高沸醇溶液可以通过减压蒸馏脱去水分后重 复使用,高沸醇的回收利用率达98%以上.该方法 可以在硬木木质素和软木木质素的提取,甚至在没 有催化剂的条件进行,就可以得到比较好的产率. 由于该方法具有无污染,充分利用资源等优点,可 以在制浆与造纸行业进行运用,可以大大减轻造纸 行业的污染.研究者已经对这种方法进行了 比较系统地研究. 其他分离提取方法如亚硫酸盐法,硫酸盐法等 是常见的提取方法,在此不作太多的 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 . 2木质素的测定 2.1木质素总量的测定 2.1.1重量分析法(Gravimetricmethods,Klason lignin)在克拉松木质素的测定过程中,首先将样 品在72%的硫酸中进行降解,并加热使糖类化合 物变成可溶性成分而溶解,同时有一小部分木质素 也被溶解而带来相应误差.剩余难溶解的固体就是 木质素,该固体物质经过滤,洗涤,干燥,称重等步 骤,就可以得到木质素的质量.为了比较精确得到 木质素的含量,有必要对溶解失去的那部分木质素 进行测定,以校正木质素含量的数值.这种方法已 被制浆和造纸工业技术协会所接受和认可的方法. 该测定方法也有人用来校正其他方法测定木质素 的数值如NIRS方法卜引.不过,这种方法具有一 定的局限性.它只适合与硬木木质素,而不适合软 木木质素,草本木质素以及一年生植物木质素含量 的测定.因为这些植物体内不明确的蛋白质和矿物 质会对木质素测定产生干扰. 2.1.2酸性洗涤纤维法(ADF法)ADF法也是 一 种常见的木质素的测定方法,一般用于草本植物 或一年生植物木质素的测定.其理论基础是根据 (W,一W)/w×100方程式,其中w是于植物材 料质量,w:经过酸化处理并干燥后的质量,w将 沉淀物灼烧后灰分的质量.ELLIS改进了这种方 法,以消除植物体内这些不明确的矿物质和蛋白质 358河南农业大学第41卷 干扰,其操作是:首先用蛋白质酶对样品进行预处 理,使其中的蛋白质水解,以除去体内的蛋白质.然 后稀释,再放人72%的硫酸中进行处理,得到酸不 溶的木质素.这种方法的缺点是:蛋白质不一定完 全被除去.因此,这种方法要求用氮分析计算的校 正数值来校正酸不溶性木质素的数值.该方法已被 农业化学家协会所接受和认可.GOERING 等对这一方法进行改进:首先用中性的洗涤剂 处理,然后再用酸洗涤剂处理.这样就可以除去植 物体内许多木质素的干扰物,只是这种方法不能除 去角质和软木质等.一般说来,ADF法特点是可以 得到样品中50%或者更高的木质素. 2.1.3巯基乙酸法(TGA法)TGA法主要的理 论依据是在碱性条件下木质素会发生降解.该方 法..最初是将样品放巯基乙酸和HC1的混合物中 加热,将不溶物过滤,风干.然后放人乙醇溶液里存 放一段时间,再转人NaOH溶液里,随后用比较浓 的盐酸溶液酸化沉淀出木质素.然后将其放在二氧 六环中纯化,经过沉淀,过滤,干燥可得到木质素. 后来这种方法经过改进圳,将样品的使用量减 少到l0,15mg.一般来说,TGA法测定得到的木 质素的值要比用其他方法如ADF法,AB法等低一 些,同时由于没有合适的木质素 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 来校正测 得的数值,因此这种方法的应用推广也就收到很大 的限制. 2.1.4乙酰溴法(AB法)该方法是借助于紫外 吸收,可以方便地进行木质素的测定.最早JOHN— SON将紫外吸收(uV)的方法用于测定木质素 的含量.其基础是根据比尔(Beer'Slaw)定律:A =scd,式中的A为吸光度(absorbanee),,为吸光 系数,C为质量浓度(g?L),d为光程或者样品 溶液的厚度.这种方法是在70?条件下,将样品放 人含有乙酰溴25%的乙酸溶液中进行处理,然后 在280nm处测定UV的吸收.后来,VANZAL..以 及IIYAMA等改进了技术,用高氯酸来处理木 质素,以提高木质素的溶解性.根据IIYAMA等的 方法,首先是将样品放人乙酰溴的乙酸溶液中,并 加人一定量的过氯酸,在70?条件下加热,再转移 到含有乙酸和羟(hydroxylamine)的烧瓶中进行处 理,再在280nm处测定UV的吸收.该方法简便, 快捷,产率较高,同时也不需要对数值进行校正,但 一 般适合于颗粒小的样品.RODRIGUES等改进 了这一方法.这种方法是油浴代替了直接加热,同 时,在一l0?条件下进行冷冻以停止反应,然后, 再在280nm处测定UV的吸收.后来,HAT— FIELD指出,在该过程中使用高氯酸会降解相 当的木聚糖,而这些物质在280nm附近也有吸收, 给实验数据带来比较大的误差.如何校正木聚糖降 解物质在280nm附近吸收是一个很大的难题.虽 然有多种方法被用来校正这类误差,但由于多种因 素的影响,结果不甚理想.FUKUSHIMA等建议 用HC1和二氧六环的混合溶液来校正AB法,从许 多样品中分离出了木质素并测定了其吸收系数.改 进后的方法,使用起来更加方便,迅速.用AB法来 测定木质素的含量是比较理想的,因此乙酰溴测定 木质素法有可能成为代替克拉松木质素测定 的方法. 2.2木质素结构的测定 2.2.1氧化法这种方法是基于术质素的化学特 性:木质素与氧化剂发生反应后氧化剂的消耗量. 这种方法测定的木质素的浓度常常用单位质量所 消耗氧化剂的量来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示如卡伯值(Kappanumber), 其理论基础是木质素很容易被氧化,而碳水化合物 不容易被氧化.根据氧化剂的消耗量以及经验性常 数.可将测定值转化为克拉松值或是其他木质素的 数值.一般使用的氧化剂有cl,和KMnO,后来用 酸性的NaC10或Ca(C10),代替,同时也有用 O氧化测定木质素结构的.目前,卡伯值已经 作为氧化法测定木质素的标准来使用,并且已被许 多制桨和造纸组织所认可.用氧化剂测定木质 素,不同的氧化剂测定 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 是不同的.KMnO 法主要是将苯环的侧链氧化,而苯环的骨架不 受影响,因此这种方法可以测定出来苯环侧链上的 信息,但这种方法的降解的产物较低,所得到结构 单元分布信息就比较少.如果使用的氧化剂是 O,该氧化剂只能将苯环结构的骨架氧化而保留 侧链,因此,O氧化可以测定侧链上的立体结 构,即是否含有手性结构.如果将这两种方法有 机地结合起来,会更加促使了解木质素的结构, 2.2,2红外光谱法(IR)红外光谱法常用来测 定木质素在苯环的结构.随着其他技术的发展,用 红外光谱法测定植物组织木质素的含量就越来越 成熟,因为它能够测定出不同的键型如c—O, C~---O,H—O等的伸缩振动和弯曲振动.用高灵 敏度的红外光谱仪来测定木质素的含量,结构,变 得比较简单,同时对样品的量要求也比较少.同时, 近红外光谱法(nearinfraredreflectancespectra. NIRS法),包括可见光和红外光,也用于木质素的 测定.在20世纪70年代,NIRS作为一种简便的方 法广泛地运用于如农业,食品,药品,化_丁等诸多领 第3期苏同福等:木质素的测定方法研究进展359 域,后来该技术被成功地应用于植物组分的测 定.".许多研究者?将这种方法应用于森 林生态领域.NIRS分析测定仪常见的NIRS6500 (Foss,Hamburg,Germany),该仪器用单色光进行 扫描,其波长范围是400,2500nm,并且常常与计 算机联系在一起,用软件MRS6500对进行数据收 集和分析,其理论基础为:A=Log(1/R),其中是 吸收度,尺是反射度.与克拉松方法测定木质素相 比,NIRS比较简便,迅速,准确,无须降解,同时也 无废弃物的产生,只是这种方法常常用其他木质素 测定进行校正,如克拉松木质素测定方法等.随着 激光技术的发展,拉曼光谱技术逐渐成熟和普及, 许多研究者利用拉曼光谱与红外光谱结合, 对木质素的结构进行了比较系统地研究.拉曼光谱 有许独特之处:拉曼光谱在一定条件下可以与红外 光谱互补,而且不受水的干扰,用固体可以直接测 定,特征峰比较明显,简单等. 2.2.3核磁共振法(NMR法)近年来,NMR技 术也应用于木质素的测定.特别是当能够找到 一 种合适的溶剂溶解木质素,用液态的NMR分析 仪来测定是比较方便的.用NMR方法来木质素的 测定一般使用的有H谱和"C谱,同时也有许 多将P谱和F谱.但是这种方法只能够测 定木质素总量的一部分,因而其应用范围受到了限 制.随着CP(crosspolarization)/MAS(magicangle spinning)NMR技术的发展,固态NMR分 析手段也用来测定木质素,它可以用来测定木质素 的总量.新技术的进步,推动着固态NMR分析测 试手段的发展.同时,也有研究者[62.63]将NMR的 二维(2D)技术和三维(3D)技术应用于测定木质 素,使测定手段更加先进.由于固态NMR测定的 成本太高,这种方法还不能广泛地运用于测定木质 素的含量. 光谱技术测定木质素的最大优点在于测定的 木质素的化学结构没有发生改变,同时灵敏度比较 高,它可以从1g样品里提取数毫克的木质素.但 光谱方法测定都必须用另外一种标准来校正仪器, 而这些校正方法常常是重量分析法,AB法等. 2.3木质素分子量的测定 当前用来测定木质素分子量方法比较多,常见 的有质谱(massspectroscopy,MS)法,凝胶色谱法 (sizeexclusionchromatography,SEC),光散射法..刮 (1ightscatting),蒸汽压渗透法..(vaporpressure osmometry,VPO),超滤..(ultrafiltration)法等.质 谱法对于分子量的测定是非常方便和准确的,但对 于分子量分布较宽的或着是分子量未知物来测定 其分子量是有许多困难的.相比较而言,凝胶色谱 法测定是比较理想的,其理论基础是任一特定组分 的洗脱体积是大分子尺寸和凝胶孔隙尺寸的函数. 该方法是目前分子量分布测定的最理想的方法,是 基于聚合物溶液中的溶质分子大小不同而达到分 离之目的,测定范围1×10,1×10,不过,这种方 法测定结果误差可能比较大.后来,WALSH67]等 用HPSEC对木质素进行分析,其分辨率大大提高; 光散射法测定高分子的分子量的理论基础是溶解 在溶液里的高分子对光产生散射,这种方法测定分 子量的范围一般是1×10,1×10,但结果受溶液 中木质素聚集尺寸或荧光影响;VPO法测定分子 量的范围1×10,高于此数值时,该方法测定的灵 敏度不是太理想,同时收到糖类等杂质的影响,使 得该方法的测定失去可用性.使用膜技术对木质素 进行超滤,是一种比较崭新的技术,可以在很广分 子范围使用,对杂质不敏感,但对于不知道分子量 分布的样品来说,选择一定孔径的滤膜是比较困 难的. 3存在问题与研究方向 当前,对于木质素测定的各种方法,都有一定 的应用范围,如有的用于硬木木质素的测定,有的 用于软木木质素的测定.一般来说,重量分析法比 较常用但在测定过程中会损失一部分木质素而使 误差较大如克拉松木质素的测定方法,有的方法损 失量较大,如ADF测定方法,同时也比较费时;光 谱分析法虽然比较方便,快捷,但需要一个可靠的 标准对其进行校正如用克拉松木质素测定方法等 进行校正.近年来,衍生后还原降解法(derivat— izationfollowedbyreductivecleavage,DFRC)是 木质素测定比较优秀的方法,但由于该过程中许多 单元反应是未知的,因此在在一定程度上也限制了 该方法在实际过程中的应用.鉴于此,ROMUANL— DO等对4种流行的木质素测定方法进行比较 表明,没有一种标准的方法来完成对木质素的测 定.即使这样,还可以根据测定对象的特点以及目 的要求,选择一种比较合适的方法进行测定.HAT— FIELD等指出,无论选择哪一种方法,最重要的 一 点是都必须保证木质素在酸化步骤中沉淀出来. 近年来,随着大功率的激光光源开发以及灵敏 度的提高,太赫兹射线技术得到了很大的发展.太 赫兹射线无论是在成像,探测分子的振动模等都具 有独到的优势,可广泛运用于医药和生物方面的研 360河南农业大学第41卷 究.它具有许多特点:(1)宽带性脉冲只包括若 干个周期的电磁振荡,许多有机分子由于偶极子的 旋转和振动跃迁在GHz到几个THz频段,都有一 定比较强的吸收,因此可以利用THz对生物分子 进行检测;(2)信噪比高(1O以上)同时系统对黑 体辐射(热背景)不敏感,系统稳定;(3)能量低(4 meV@1THz),不易破坏被测定的物质的结构; (4)相干性,所获得的数据同时包括了太赫兹脉冲 振幅和相位信息,可以通过对太赫兹射线进行时域 探测,对样品介电常数的实部和虚部同时进行计 算,获得THz吸收光谱和色散光谱;(5)瞬态性,太 赫兹脉冲的典型脉宽在ps级,可以方便地展示物 质中发生在皮秒或亚皮秒级上所发生的现象.它可 以用于木质素的测定,利用太赫兹射线对木质素进 行测试,大大提高了时间和空间的分辨率,可以对 组织内的木质素进行微损或无损地探测,这对木质 素的深入研究,提供了一个新的工具,对于揭示木 质素的有关机制具有重要的意义. 写作过程中,得到了芬兰的Helsinki大学化学 系GOSTABRUNOW博士的热情帮助,在此深表 谢意! 参考文献 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] SAKAGAMIH,KAWAZOEY,OH—HARAT,eta1. 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