蔗渣半纖維素的分級(jí)萃取和結(jié)構(gòu)表征

1、蔗渣半纖維素的分級(jí)萃取和結(jié)構(gòu)表征J.X. Sun, X.F. Sun, R.C. Sun, Y.Q. Su摘要：依次用蒸餾水，0.5M的NaOH溶液，pH值為11.5的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和3.0%的過(guò)氧化氫在，和2.0 M NaOH溶液在55下提取2小時(shí)。蔗渣細(xì)胞壁中超過(guò)90%的原始半纖維素在，同時(shí)，連續(xù)處理也溶出了89.0%的原始木質(zhì)素。利用糖分分析、 木質(zhì)素硝基苯氧化、分子量測(cè)定，傅里葉變換紅外光譜，1H和13C核磁共振光譜和熱分析對(duì)8種半纖維素的化學(xué)組分、物理化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述。結(jié)果表明，依次提取對(duì)蔗渣半纖維素的分餾非常有效，而提取強(qiáng)度，如堿和過(guò)氧化氫濃度，對(duì)半

2、纖維素的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特征有很大影響，例如連接的木質(zhì)素的含量及分子量等。用0.5%過(guò)氧化氫在55、pH 11.5 時(shí)作用2h得到的半纖維素是以-(14) 連接的木糖為主鏈、同時(shí)側(cè)鏈上含有呋喃阿拉伯糖基和4-O甲基吡喃葡萄糖基團(tuán)。阿魏酸和對(duì)香豆酸以酯化的形式與半纖維素連接。關(guān)鍵詞：蔗渣；半纖維素；分餾；堿性過(guò)氧化氫；粘結(jié)木素；13C 核磁共振。1 前言甘蔗渣是一種糖和酒精工業(yè)產(chǎn)生的大量的殘留物。一般來(lái)說(shuō)，1噸甘蔗產(chǎn)生280千克蔗渣，這些纖維副產(chǎn)物是甘蔗經(jīng)過(guò)糖提取后留下來(lái)的。全世界每年產(chǎn)生約5400萬(wàn)噸蔗渣(Rodrigues, Felipe, Sil, & Vitolo,2003; Rowe

3、ll & Keany, 1991)。這些產(chǎn)物的形態(tài)具有很大的非均質(zhì)性。它由纖維束和其他結(jié)構(gòu)部件如導(dǎo)管，薄壁細(xì)胞和上皮細(xì)胞組成。（Sanjuan, Anzaldo, Vargas,Turrado, & Patt, 2001）。從化學(xué)上來(lái)說(shuō)，干殘留物約有40-50%是葡萄糖聚合體纖維素，其中的大部分是晶體結(jié)構(gòu)。另外25-35 %是半纖維素，一種通常由木糖，阿拉伯糖，半乳糖，葡萄糖和甘露糖組成的非晶聚合物。其余的大多是木質(zhì)素，加上少量礦物質(zhì)，蠟，及其他化合物（Jacobsen & Wyman, 2002）。農(nóng)業(yè)-工業(yè)殘留物在制漿過(guò)程中和其他化學(xué)品生產(chǎn)上的應(yīng)用，一方面提供了可替

4、代的底物，并在另一方面有利于幫助解決由殘余物處理可能導(dǎo)致的污染問(wèn)題。在細(xì)胞壁中出現(xiàn)的半纖維素是雜聚糖。木聚糖是在陸生植物細(xì)胞壁中發(fā)現(xiàn)的最豐富的半纖維素，它們可以占30%以上的干重（Linder, Bergman, Bodin, & Gatenholm, 2003）。谷物秸稈中的木聚糖的特點(diǎn)是：-（14）-D-木糖主鏈，阿拉伯糖醛酸、葡萄糖醛酸及乙酰基取代可以連接在吡喃式木糖基的C-2和C-3的兩個(gè)自由羥基上（puls,1997）。舉例來(lái)說(shuō)，麥秸半纖維素被證實(shí)為（14）連接的-D-木聚糖，它與D-吡喃式葡萄糖醛酸或（4-O-甲基-吡喃式葡萄糖醛酸）基團(tuán)在2號(hào)位連接的，與L-阿拉伯呋喃糖和

5、D-吡喃式木糖基團(tuán)在3號(hào)位連接。在主鏈上，每26個(gè)D-吡喃木糖基有一個(gè)糖醛酸單元，而每13個(gè)這樣的D-吡喃木糖基有一個(gè)L-吡喃式阿拉伯糖基，且每18個(gè)這樣的D-吡喃木糖基有一個(gè)D-吡喃木糖基（Sun, Lawther, & Banks, 1996）。針葉木主要的木聚糖是阿拉伯糖基-4-O-甲基葡糖醛酸木聚糖，而闊葉木中則主要是未被阿拉伯糖醛酸取代的4 - O -甲基葡糖醛酸聚木糖（Sjöström, 1992）。換言之，這些糖基可直接連接到主鏈或連接在一個(gè)側(cè)鏈（Verbruggen, Beldman, & Voragen, 1998）。因此，由于聚-D-吡喃

6、式木糖主鏈不同的聚合度，取代度，側(cè)鏈數(shù)，以及側(cè)鏈長(zhǎng)度，使得聚木糖多種多樣。這種復(fù)雜和多元化的結(jié)構(gòu)直接影響了半纖維素的性質(zhì)（Sarbu, Goncalves, & Pinho, 2003）。 近年來(lái)，半纖維素作為化學(xué)聚合物和藥物上的應(yīng)用，例如生產(chǎn)陽(yáng)離子生物大分子（Ebringerova´, Hroma´dhova´, kacura´kova´, & Antal, 1994），水凝膠（Gabrielli & Gatenholm, 1998; Gabrielli, Gatenholm, Glasser, Jain, &

7、 Kenne, 2000; Lindblad, Ranucci, & Albertsson, 2001）和長(zhǎng)鏈烷基酯類(lèi)衍生物（Fang, Sun, Fowler, Tommkinson, & Hill, 1999），引起了人們極大的興趣。然而，蔗渣半纖維素在這個(gè)領(lǐng)域被研究的很少。我們實(shí)驗(yàn)室的目的是要使用一種環(huán)境友好的程序，發(fā)展一種大規(guī)模提取淺色谷物秸稈半纖維素組分的商業(yè)過(guò)程。根據(jù)我們最近10年對(duì)半纖維素的研究，我們發(fā)現(xiàn)，堿性過(guò)氧化氫是一種脫木素和從秸稈和草脫解半纖維素都很有效的試劑。被普遍接受的是，在堿性介質(zhì)中形成的過(guò)氧氫根陰離子（HOO-），是過(guò)氧化氫漂白系統(tǒng)中主要的活性物質(zhì)

8、。但是，過(guò)氧化氫在堿性條件是不穩(wěn)定的，易于分解成氫氧自由基（HO·）和超氧陰離子自由基（O2-·）。在有某些過(guò)渡金屬如錳，鐵，銅的時(shí)候是尤其是這樣。這些自由基被認(rèn)為導(dǎo)致了木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的氧化，從而導(dǎo)致親水性基團(tuán)（羧基）的引入，內(nèi)部單元鍵連接的斷裂以及木質(zhì)素和半纖維素的最終解體（Fang, Sun, Salisbury, Fowler, & Tomkinson, 1999; Pan, Bolton, & Leary, 1998）。從我們實(shí)驗(yàn)室獲得的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堿性過(guò)氧化氫是一種對(duì)脫木素及從稻草秸稈溶解半纖維素都很有效的試劑。該過(guò)程容易操作，容易使用，且對(duì)環(huán)境友好。本

9、文描述了甘蔗渣半纖維素的提取分離和物化特性。堿性過(guò)氧化氫濃度對(duì)可溶性半纖維素得率和物化性質(zhì)的影響通過(guò)傅立葉變換紅外光譜（FT-IR），凝膠滲透色譜（GPC），碳-13核磁共振波譜（13C NMR）進(jìn)行了比較研究，結(jié)果見(jiàn)文中敘述。2 實(shí)驗(yàn)2.1 原料蔗渣來(lái)自本地一家蔗糖廠（中國(guó)廣州）。蔗渣先在陽(yáng)光下曬干，然后切割成小塊（1-3厘米）。磨好的蔗渣通過(guò)0.8毫米規(guī)格的篩子篩分?；诟芍氐恼嵩慕M成（%，w/w）是纖維素43.6 %，半纖維素33.5 %，木質(zhì)素18.1 %，灰分2.3%，蠟質(zhì)0.8 %。2.2 半纖維素提取為了研究蔗渣中半纖維素的結(jié)構(gòu)差異，半纖維素組分被連續(xù)提取分離。干粉末（10克）

10、首先用甲苯-乙醇（2:1，V/V）溶液在索氏抽提器中抽提6h，然后試樣被放在烘箱中，在60條件下烘16h。接著，把該脫蠟蔗渣試樣用300毫升蒸餾水中在55條件下攪拌浸泡2h。濃縮液用4倍體積95 %乙醇沉淀，得到水溶性半纖維素。水不溶的脫蠟樣品連續(xù)用300毫升0.5MNaOH，200毫升0.5，1.0，1.5，2.0和3.0%的用6 M NaOH 調(diào)節(jié)pH值為11.5的過(guò)氧化氫，200毫升2.0 M NaOH，在55條件下處理2小時(shí)。經(jīng)過(guò)上述處理，不溶性殘?jiān)ㄟ^(guò)過(guò)濾收集，用蒸餾水洗滌直到濾液的pH值呈中性，然后在60干燥。用6M HCl調(diào)整每個(gè)濾液的pH值到5.5，然后減壓濃縮至約30毫升。接

11、著，通過(guò)將濃縮后的清液倒入120毫升95%乙醇，析出的半纖維素被沉淀出來(lái)。形成的沉淀通過(guò)過(guò)濾收集，用70%酸化乙醇洗滌后風(fēng)干。從蔗渣中分餾半纖維素的流程圖如圖1，半纖維素的得率以初始的蔗渣干重為基準(zhǔn)給出。所有實(shí)驗(yàn)都至少重復(fù)過(guò)一次。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，即由均值確定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，小于3.8%。2.3 化學(xué)分析經(jīng)過(guò)2 M三氟乙酸在120下水解2h，分離得到的半纖維素通過(guò)用氣相色譜法測(cè)定其醛醇-醋酸鹽衍生物，確定了其中的中性糖組分(Blakeney, Harris, Henry, & Stone, 1983)。通過(guò)添加含有2% NaBH4（硼氫化鈉）的5 M NH3，多糖轉(zhuǎn)變相應(yīng)的醛醇。濃縮在40下進(jìn)

12、行90分鐘。然后，過(guò)量的硼氫化鈉通過(guò)加入0.1毫升冰醋酸除去。然后，以1-甲基咪唑（0.2毫升）作為催化劑，用醋酸酐（2毫升，室溫下10分鐘）使其乙酰化。用5毫升去離子水終止乙?；?，乙酰化的醛醇用二氯甲烷（ 1.0毫升）和水分離。經(jīng)過(guò)相分離，液體下面的部分用巴斯德吸管轉(zhuǎn)移，并儲(chǔ)存在1毫升的隔蓋小瓶中置于-20條件下，以備后面的分析。糖醛酸含量用自動(dòng)化的間-羥基二苯比色法測(cè)定(Blumenkrantz & Asboe-Hansen，1973）。半纖維素分子量的測(cè)量方法在以前的一篇文獻(xiàn)中有描述（Lawther, Sun, & Banks, 1995）。從堿性硝基苯氧化的連接在半纖維

13、素組分中的木質(zhì)素中釋放的酚酸類(lèi)物質(zhì)和醛類(lèi)化合物的化學(xué)成分，在一個(gè)尺寸為250×4.6平方毫米的Hichrom H5ODS高效液相色譜法柱（購(gòu)自Phenomenex有限公司，北京）上鑒定。通過(guò)計(jì)算機(jī)在280納米處探測(cè)，并與已知的酚類(lèi)物質(zhì)比較保留時(shí)間和峰面積，考察其中的單個(gè)組分。Klason木質(zhì)素在半纖維素樣品中的含量根據(jù)Tappi方法T 249 cm-85（Lignin in wood, 1994）測(cè)定。傅立葉變換紅外光譜分析在一臺(tái)傅立葉變換紅外光譜儀（尼科爾750）上進(jìn)行，波數(shù)為32cm-1，用含有1%的試樣的精細(xì)粉末的溴化鉀片。溶液狀態(tài)的1H和13C核磁共振波譜是使用Bruker

14、MSL-300波譜儀在300和74.5兆赫下獲得的。1H核磁共振波譜是將20毫克樣品溶解于1.0 ml D2O在25條件下獲得的。13C核磁共振波譜是將80毫克樣品溶解于1.0 ml D2O在25條件下在30，000掃描后獲得的。掃描時(shí)使用60°的脈沖翻轉(zhuǎn)角，3.9s的脈沖寬度和0.85s的延遲時(shí)間。半纖維素的熱穩(wěn)定性用熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC），在一個(gè)同步熱分析儀（NETZSCH STA-409）上進(jìn)行。儀器持續(xù)通過(guò)氮?dú)?。樣品重?0和13毫克之間，溫度以10/min的速度由室溫升至600。3 結(jié)果與討論3.1 相對(duì)得率堿性條件下半纖維素的提取，實(shí)際上涉及到酯鍵連

15、接的堿性水解，以從木質(zhì)纖維素網(wǎng)絡(luò)中釋放半纖維素，然后把它們提取到水介質(zhì)中。然而，植物細(xì)胞壁中半纖維素組分的釋放受到木質(zhì)素網(wǎng)絡(luò)以及木質(zhì)素-半纖維素的酯鍵和醚鍵連接的存在的限制。此外，細(xì)胞壁多糖的單元之間廣泛的氫鍵連接可能阻礙半纖維素的分離（Ebringerova´ & Heinze，2000）。值得一提的是，如前所述，用堿性過(guò)氧化氫處理木質(zhì)纖維材料，由堿性過(guò)氧化氫分解所產(chǎn)生的過(guò)氧化氫自由基和氫氧自由基不僅導(dǎo)致木質(zhì)素的大量降解，對(duì)半纖維素溶出也具有重大意義（Fang et al., 1999）。從表1中可以看出，脫蠟蔗渣連續(xù)經(jīng)過(guò)蒸餾水，0.5 M NaOH，pH值為11.5、濃度

16、為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0%的H2O2，以及2.0M NaOH在55下抽提2h，釋放了4.1，12.0，3.8，1.4，2.5，1.0，0.9和4.6%的半纖維素（%初始干原料），分別相應(yīng)的溶解了12.2，35.8，11.3，4.2，7.5，3.0，2.7和13.7%的原來(lái)的半纖維素。與此同時(shí)，連續(xù)處理也溶解了0.5，9.5，2.7，0.6，1.0，0.9，0.5和0.4%的木質(zhì)素（%初始干原料），分別相應(yīng)的釋放了2.8，52.5，14.9，3.3，5.5，5.0，2.8，和2.2%的原木質(zhì)素。很明顯，8種半纖維素組分的總得率占蔗渣細(xì)胞壁的原來(lái)的半纖維素的90.4%，這表明，隨著

17、氫氧化鈉和堿性過(guò)氧化氫濃度在相應(yīng)條件下從0.5%增加到3.0%，絕大多數(shù)的半纖維素被提取出來(lái)。結(jié)果也表明，對(duì)蔗渣的這種連續(xù)提取是非常有效的，最高提取得率是用0.5M NaOH (12.0%，w/w)獲得的，由以下可知：初始用0.5 M NaOH提取所釋放的半纖維素占得到的半纖維素總量的35.8%，這說(shuō)明半纖維素提取具有選擇性。在另一方面，2.0和3.0%的過(guò)氧化氫提取結(jié)果得率分別只有1.0和0.9% ，占蔗渣中半纖維素的3.0和2.7%。顯然，部分半纖維素松散地結(jié)合在細(xì)胞壁內(nèi)部，而另外大部分的半纖維素是牢牢地嵌入在細(xì)胞壁的。由此可以推測(cè)，半纖維素這種可提取性的差異，是由于細(xì)胞壁中這些多糖的不同

18、的功能所導(dǎo)致的。3.2 中性糖及糖醛酸的含量為了表征可溶性半纖維素，8個(gè)抽提物被水解，以確定糖的成分，結(jié)果給出在表2。水提取物（ws1）的主要單糖是木糖（55.2%），以一種阿拉伯木聚糖為特征。來(lái)自可溶性半纖維素和分解的淀粉的葡萄糖（20.4%）是第二主要的糖成分。此外，糖醛酸（7.0 %）和鼠李糖（1.8 %）含量相對(duì)較高，這說(shuō)明水提取物中有少量的果膠物質(zhì)。已經(jīng)知道，堿被證明是從次生細(xì)胞壁中提取大多數(shù)可得到的半纖維素非常有效的，提取過(guò)程用0.5M NaOH進(jìn)行。這種濃度提取了半纖維素總量的35.8%（AS1），且阿拉伯醛糖取代程度相對(duì)較低（木糖/阿拉伯糖（6.8:1）的比例）。葡萄糖（4.0

19、%），糖醛酸（3.5%），半乳糖（1.8%），甘露糖（0.5%）和鼠李糖（0.5%）作為次要組分被檢測(cè)到。用0.5，1.0，1.5，2.0和3.0%過(guò)氧化氫連續(xù)處理提取的半纖維素，阿拉伯糖基arabino（葡糖糖基glucurono）木聚糖類(lèi)型含量豐富，按照糖（含量）的順序（從高到低）如下：木糖（68.6%-76.6%） ，阿拉伯醛糖（12.8%-15.6%），葡萄糖（7.4%-13.1%） ，糖醛酸（3.5%4.8%） ，半乳糖（1.9%-3.0 %） ，鼠李糖（微量1.1%） ，和甘露糖（微量0.3% ） 。應(yīng)該指出的是，隨著堿性過(guò)氧化氫濃度從0.5增加至3.0 %，半纖維素提取物中葡萄糖

20、含量增加，部分原因是在該條件下蔗渣纖維素的降解。在我們以往的研究用堿性過(guò)氧化氫處理稻草過(guò)程中，類(lèi)似的現(xiàn)象已報(bào)道過(guò)（Sun,Tomkinson, Ma,& Liang, 2000）。數(shù)據(jù)顯示，在類(lèi)似的堿性條件，但沒(méi)有過(guò)氧化氫時(shí)，對(duì)稻草作堿抽提處理，結(jié)果只有2.5%的纖維素降解。而用堿性過(guò)氧化氫作過(guò)氧化氫濃度從0.5增加至5.0%的連續(xù)處理，導(dǎo)致了9.8%-17.8%的原纖維素溶解。 表2還顯示，用2.0M NaOH的最后處理，導(dǎo)致了13.7% 的原半纖維素釋放。此提取物（AS2）與0.5 M NaOH提取物(AS1)有類(lèi)似的糖成分，主要由木糖（85.0%）和阿拉伯糖（8.7%）組成。根據(jù)

21、單糖組成，這個(gè)最后的提取物主要由阿拉伯木聚糖組成。隨著提取強(qiáng)度從0.5增加至2.0 M NaOH，兩個(gè)堿提取物中的阿拉伯糖/木糖比從0.15 (AS1) 減少至0.10 (AS2)，這表明阿拉伯醛糖含量豐富的半纖維素比較容易提取。這表明，提取物AS2中的阿拉伯木聚糖的支鏈化程度降低了。而且，AS2中的糖醛酸和鼠李糖含量也下降了，這表明，含有取代程度高的側(cè)鏈的木聚糖有較好的堿溶性，而且與纖維素的結(jié)合沒(méi)那么緊密，相對(duì)的，側(cè)鏈少的分子堿溶性不好，且與纖維素結(jié)合的更加緊密。該結(jié)果與對(duì)烤過(guò)的綠色Arabica咖啡豆中的多糖的研究結(jié)果相一致(Oosterveld, Harmsen, Voragen, &a

22、mp; Schols, 2003)。作者指出，阿拉伯半乳聚糖的支鏈化程度隨著抽提強(qiáng)度的增加而減少。3.3 結(jié)合木質(zhì)素和其成分酚酸類(lèi)物質(zhì)和醛類(lèi)化合物的含量為了驗(yàn)證木質(zhì)素和酚類(lèi)物質(zhì)組分的含量，對(duì)被分離的8半纖維素物質(zhì)進(jìn)行硝基苯氧化，從結(jié)合木質(zhì)素中釋放的酚酸類(lèi)物質(zhì)和醛類(lèi)化合物在表3給出了。顯然，相對(duì)于水溶性半纖維素中的木質(zhì)素含量（9.6%） ，其他 7種用堿或堿性過(guò)氧化氫分離的半纖維素物質(zhì)，結(jié)合木質(zhì)素含量相對(duì)低得多（0.5%-5.1 %）。在堿或堿性過(guò)氧化氫濃度相對(duì)較高時(shí)獲得的半纖維素尤其是如此。當(dāng)堿濃度從0.5增加至2.0M，過(guò)氧化氫的百分比從0.5%增加至3.0%，分別導(dǎo)致木質(zhì)素含量由5.1減少

23、至0.5%和3.8減少至0.8%，這表明濃度高的堿和堿性過(guò)氧化氫處理，對(duì)蔗渣中木素和半纖維素之間-酯鍵的斷裂有更積極的作用。這再次表明了，連續(xù)的堿和堿性過(guò)氧化氫處理是一種有效的提取具有相對(duì)較低含量的結(jié)合木質(zhì)素的半纖維素的方法。堿性硝基苯氧化的主要產(chǎn)物，被確定為香蘭素和紫丁香醛，它們分別占總的酚酸類(lèi)物質(zhì)和醛類(lèi)化合物的%和%。這表明，在半纖維素提取物中的結(jié)合木質(zhì)素含有大致相等數(shù)量的非濃縮guaiacyl和syringyl單元（non-condensed guaiacyl and syringyl units）。大量的對(duì)羥基苯甲醛和乙酰丁香酮，及微量對(duì)羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸、乙酰香蘭酮、阿魏酸，

24、和對(duì)香豆酸亦被發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)在硝基苯氧化混合物中。蔗渣細(xì)胞壁中存在阿魏酸和對(duì)-香豆酸酸，這早在對(duì)木質(zhì)素半纖維素復(fù)合體中含有羥基桂皮酸的研究時(shí)，就已由Kato, Azuma, and Koshijima (1987)報(bào)道過(guò)。作者已證明，阿魏酸和對(duì)香豆酸與蔗渣細(xì)胞壁的半纖維素和木質(zhì)素分別酯化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，蔗渣半纖維素中阿魏酸的結(jié)點(diǎn)完全是O- 5連接的L-阿拉伯呋喃糖基，它通過(guò)O-3連接到（1 4）-連接的D -木聚糖的主鏈(Kato et al., 1987)。3.4 分子量最近，在研究小麥面粉阿拉伯木聚糖分子量的基礎(chǔ)上，Dervilly-Pinel, Thibault, 和Saulnier (2

25、000)指出，水溶性阿拉伯木聚糖鏈?zhǔn)前雱傂缘摹４颂卣骺勺屵@些半纖維素在溶液中采取卷曲構(gòu)象。因此，該高分子的流體力學(xué)體積依賴于溶劑的特點(diǎn)。此外，由空間排阻色譜法得出的spelts燕麥木聚糖分子量的結(jié)果表明，木聚糖分子量隨著半纖維素溶液堿濃度和淋洗液的pH值增加而增加，而木聚糖和NaCl濃度則對(duì)鑒定無(wú)顯著影響(Sarbu et al., 2003)。在這項(xiàng)研究中，8種半纖維素物質(zhì)的重均分子量（Mw）通過(guò)GPC用PL aquagel-OH 50柱鑒定。半纖維素被溶解在含有0.02N NaCl的0.005M磷酸鈉緩沖液中，pH值7.5，濃度為0.1%。洗脫液為含有0.02N NaCl的0.005M磷酸

26、鈉緩沖液，pH值7.5。表4列出了8種半纖維提取物的重均分子量（Mw）、數(shù)均分子量（Mn）和分散系數(shù)（Mw/ Mn）。顯然，相對(duì)于Mw從18,960到 45,370 g/mol的兩種堿溶半纖維素組分和5種堿性過(guò)氧化氫半纖維素制備物，水溶性半纖維素組分的聚合度低得多，Mw為7380 g/mol。這表明，第一次用蒸餾水處理脫蠟蔗渣，在沒(méi)有堿或過(guò)氧化氫情況下，溶解了小分子的半纖維素。換句話說(shuō)，這表示，堿或堿性過(guò)氧化氫提取釋放的半纖維素分子量比單獨(dú)使用蒸餾水要高。如表4所示，接下來(lái)的0.5 M NaOH處理優(yōu)先釋放了Mw值為45,370 g/mol的大分子半纖維素。有趣的是，如表4所示的數(shù)據(jù)，堿性過(guò)氧

27、化氫濃度從0.5增加至2.0 %，導(dǎo)致了Mw值從34,070 增加至38,890 g/mol，大分子的半纖維素的溶解隨著過(guò)氧化氫濃度上升到2.0 %而增加。另一方面，由于過(guò)氧化氫濃度進(jìn)一步增加，從2.0至3.0 % ，Mw顯著下降，從38,890到23,340 g/mol，這意味著，在用3.0% H2O2處理時(shí)，半纖維素發(fā)生了降解。同樣地，最后的2.0 M NaOH處理，導(dǎo)致半纖維素聚合物進(jìn)一步的降解，Mw值低很多，為18,960 g/mol。很顯然，分子量較低的多糖比較容易提取，在溫和的提取條件如水處理即釋放。此外，這些數(shù)據(jù)表明，在較高的提取強(qiáng)度下，例如3.0% H2O2 和 2.0 M N

28、aOH處理，取物的半纖維素分子量較低，這可能是由于這些多糖的降解引起的。此外，該數(shù)據(jù)還表明，水溶性半纖維素的分子量分布更窄，相應(yīng)的分散系數(shù)為1.5，相對(duì)的，堿和堿性過(guò)氧化氫可溶性半纖維素提取物有更廣的摩爾質(zhì)量分布，其分散系數(shù)在4.4和8.1之間。3.5 傅立葉變換紅外光譜對(duì)紅外光譜數(shù)據(jù)的分析表明，所有八種半纖維素提取物的半纖維素基元都有典型的信號(hào)圖像為表示，且在12001000 cm-1區(qū)域有特征波峰。圖2給出了溶在蒸餾水（譜1）和0.5 M NaOH溶液（譜2 ）中的半纖維素提取物的傅立葉變換紅外光譜。光譜以C O，C -C ， C OH和C O - c在1049 cm-1 處的拉伸和彎曲振

29、動(dòng)為主。1175和1000cm-1之間的波是典型的木聚糖的波。很明顯，阿拉伯醛糖arabinosyl側(cè)鏈的存在被兩個(gè)在1175和990 cm-1處的低強(qiáng)度吸收肩記錄下來(lái)，它們僅連接在吡喃式木糖單元處，這個(gè)已有報(bào)道(Sun & Tomkinson, 2002)。建議以這兩個(gè)波段的強(qiáng)度變化來(lái)反映阿拉伯糖基取代的貢獻(xiàn)，因此可以用來(lái)確定阿拉伯木聚糖結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)?，這個(gè)波段給出的各種各樣的波譜的形狀是由O-2和O-3位的枝鏈決定的。有報(bào)道，隨著枝鏈數(shù)增加，在1175-990 cm-1處（波譜）強(qiáng)度逐漸發(fā)生減弱(Kacurakova´, Belton, Wilson, Hirsch, &

30、amp; Ebringerova´, 1998)。在羰基伸展區(qū)中，除了由于水在1640 cm-1處的吸收引起的信號(hào)加強(qiáng)，水溶性半纖維素組分的一個(gè)在1740 cm-1處的小波峰（譜1）代表了多糖中的乙酰酯、糖醛酯、阿魏酯等，而0.5 M NaOH可溶性半纖維素組分在波譜中沒(méi)有這個(gè)信號(hào)，這表明，在一定條件下的堿處理是這些酯鍵從半纖維素中完全斷裂。譜1中由于C-1組振動(dòng)或環(huán)振動(dòng)引起的吸收肩和在903 cm-1處的尖銳吸收峰，是糖單位之間-型糖苷鍵連接的表征（Fang et al., 1999）。由于- CH2的伸縮振動(dòng)引起的波峰，在1467和1434 cm-1處被觀察到。在1387，133

31、4和1262cm-1處的波峰是源自C-H，OH，或-CH2的彎曲振動(dòng)。C-H的伸縮振動(dòng)在2926cm-14處有信號(hào)。在3443cm-1附近的突出峰代表了有氫鍵連接的半纖維素和水的羥基的伸縮振動(dòng)。在1520cm-1處，譜1中的加強(qiáng)信號(hào)和譜2中的吸收肩的產(chǎn)生，無(wú)疑是由于在半纖維素中有少量結(jié)合木質(zhì)素的存在，這與堿性硝基苯氧化和klasson木素的鑒定結(jié)果相符合。圖3顯示了由0.5%（譜1），1.5% （譜2）和2.0%（譜3）過(guò)氧化氫，2.0 M NaOH（譜4）處理所釋放的半纖維素組分的傅立葉變換紅外光譜。最明顯的特征是光譜很相似，這表明了半纖維素的結(jié)構(gòu)很類(lèi)似。正如預(yù)料的一樣，四個(gè)譜在1720cm

32、-1附近都沒(méi)有由羰基伸展產(chǎn)生的信號(hào)，這表明，在一定條件下用堿性過(guò)氧化氫和堿的連續(xù)處理，沒(méi)有顯著地攻擊或氧化半纖維素的糖苷鍵和羥基。光譜中在3443， 2926，1474，1434，1394，1268，1169，1096，1043，990，897cm-1處的在吸光度都與半纖維素有關(guān)。所有光譜在1633cm-1處都有一個(gè)強(qiáng)烈的與水有關(guān)的吸光度。在1514cm-1處，與木質(zhì)素有關(guān)的吸光度在譜13中較弱，在譜4中特別的弱。這與分離的半纖維素組分中的結(jié)合木素含量是一致的。3.6 1H和13C核磁共振波譜 用0.5% H2O2分離的半纖維素的1H和13C核磁共振波譜在D2O中測(cè)定。圖4顯示了用0.5% H

33、2O2在pH值為11.5時(shí)從經(jīng)過(guò)0.5M NaOH處理的甘蔗渣中分離的半纖維素的核磁共振波譜。可以看出，譜圖給出了所期望的半纖維素單元的典型的信號(hào)。在3.0-4.2 ppm處的化學(xué)位移是源于半纖維素的乙酰化無(wú)水木糖單元的赤道質(zhì)子和其他質(zhì)子。少量乙?；?-O-甲基-D-葡萄糖醛酸的甲基質(zhì)子分別在1.7和處有弱吸收峰。-D-阿拉伯呋喃糖基末端產(chǎn)生的anomeric質(zhì)子出現(xiàn)在5.0 ppm處（Teleman, Lundqvist, Tjerneld, & Stalbrand, 2000）。在4.6 ppm處的一個(gè)強(qiáng)信號(hào)是由殘留的溶劑引起的（HDO）。用0.5%過(guò)氧化氫在pH值為11.5分離

34、的半維素提取物給出了一個(gè)復(fù)雜的的碳-13核磁共振波譜。（圖5）。大部分的主要共振根據(jù)參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)來(lái)解釋(Gabrielli et al., 2000; Imamura, Watanabe, Kuwahara, & Koshijima, 1994; Sun et al., 1996)。主要的1,4連接的-D-木糖單元很顯然的由在99.5，73.2，72.0，70.5，60.6 ppm處的五個(gè)強(qiáng)信號(hào)表征，這是分別由-D-木糖單元的C - 1，C 4，C 3，C 2，和C 5引起的。在106.7，83.7，77.5，75.7，57.8 ppm處的信號(hào)分別表征了連接在-D-木聚糖上的- L-

35、阿拉伯呋喃糖基的C 1，C 4，C 2，C - 3 ，C - 5。在59.0 ppm處的一個(gè)加強(qiáng)信號(hào)是由木聚糖中的葡萄糖醛酸基的4-O-甲氧基引起的。糖醛酸中的羰基共振對(duì)174.2 ppm處的信號(hào)有貢獻(xiàn)，這個(gè)信號(hào)表征了甲基糖醛酸中的C-6。半纖維素中的4-O-葡萄糖醛酸基的C - 4和C - 5分別在79.8和69.0 ppm處產(chǎn)生信號(hào)。在14.2 ppm處的信號(hào)涉及ArCOCH3中的CH3，這表征了結(jié)合木質(zhì)素。經(jīng)0.5% H2O2處理后釋放的甲氧基也在56.8 ppm處產(chǎn)生了一個(gè)信號(hào)，這證明了木質(zhì)素碎片的存在。在170.4 ppm處的一個(gè)小信號(hào)代表了在分離出來(lái)的的半纖維素中的酯化阿魏酸或?qū)ο?/p>

36、豆酸中的羰基信息（CH2COO-）。這個(gè)結(jié)果正好與Kato等人（1987）的發(fā)現(xiàn)相符。他們指出，阿魏酸是連接在L-阿拉伯呋喃糖基的C-5上，而L-阿拉伯呋喃糖基連接在（14）-連接的D -木聚糖主鏈的C-3上。簡(jiǎn)而言之，這些結(jié)果意味著，該半纖維素提取物可以從結(jié)構(gòu)上定義為含有少量結(jié)合木質(zhì)素和羥基苯乙烯酸酯的L-阿拉伯糖基-（4-O-甲基-D-葡萄糖基）-D-木聚糖。3.7 熱分析圖6顯示了用1.0% H2O2(圖6(a)和2.0M NaOH (圖6(b)分離的半纖維素提取物的熱重。如圖所示，兩種半纖維素提取物分別在高達(dá)214和196還是穩(wěn)定的。超過(guò)這些溫度，熱降解發(fā)生了。類(lèi)似的，兩種聚合物樣品失

37、重50.0%的分解溫度分別出現(xiàn)在324和290。這些數(shù)據(jù)表明，用1.0% H2O2分離的半纖維素提取物，比用2.0 M NaOH萃取的提取物更穩(wěn)定，這與表4中它們的分子量從34330到18960 g/mol的降低趨勢(shì)相一致。兩種提取物的有DSC曲線沒(méi)有顯著差異。由于分子內(nèi)相互作用的瓦解和聚合物的分解，它們兩個(gè)（提取物）都在約500處有一個(gè)大的放熱峰。正如上面所討論，用堿和堿性過(guò)氧化氫對(duì)脫蠟蔗渣的連續(xù)處理對(duì)半纖維素的提取是非常有效的，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，蔗渣細(xì)胞壁中超過(guò)90.4%的原半纖維素和總木質(zhì)素的89.0%被釋放出來(lái)。被分離的其他7種半纖維素提取物的木質(zhì)素含量非常低（0.5%-5.1%）證實(shí)了這

38、一點(diǎn)。在用2.0，3.0% H2O2 和2.0 M NaOH提取半纖維素是尤其是如此，提取物的木質(zhì)素含量低于2%。此外，用堿而沒(méi)有加過(guò)氧化氫釋放的半纖維素，枝鏈化程度比使用堿性過(guò)氧化氫作為提取介質(zhì)溶解的半纖維素低。這表明，蔗渣細(xì)胞壁中的半纖維素具有多樣性，他們的支鏈化程度和分子量可能不同?；谔欠治龊?H和13C NMR譜的研究，用0.5% H2O2分離的半纖維素提取物可以從結(jié)構(gòu)上定義為L(zhǎng)-阿拉伯糖基-（4-O-甲基-D-葡萄糖基）-D-木聚糖。另一方面，用這些連續(xù)的堿和堿性過(guò)氧化氫處理提取另外10%的原半纖維素的難度表明，蔗渣細(xì)胞壁中的大部分半纖維素較暴露，少量的與纖維素強(qiáng)烈的結(jié)合在一起。還

39、發(fā)現(xiàn)，半纖維素聚合物的降解反應(yīng)發(fā)生在較強(qiáng)的提取強(qiáng)度，如3.0% H2O2 和2.0 M NaOH。致謝作者感謝這項(xiàng)研究的財(cái)政支持：中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（編號(hào)30271061和30025036）和廣東省自然科學(xué)基金（編號(hào)013034和36567）。參考文獻(xiàn)Blakeney, A. B., Harris, P. J., Henry, R. J., & Stone, B. A. (1983). A simple and rapid preparation of alditol acetates for monosaccharide analysis. Carbohydrate Rese

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