生物质木质素结构解析及其预处理解离机制研究

【摘要】木质素是木质纤维植物细胞壁中的三大组分之一,是植物界中仅次于纤维素的重要的天然高分子化合物。由于木质素的复杂性和重要性,目前依然有两个难题一直困扰着木材化学研究人员,首要问题是如何从植物细胞壁中分离出可以代表天然结构的木质素组分用于结构表征和解析；再者是如何选择并开发精确的木质素结构解析方法。伴随着生物质精炼的发展,如何阐明生物质在预处理过程中的木质素解离机制成为木质素研究领域的难题之一。上述问题的解决不仅对于木材化学的发展具有重要的推动作用,而且将为新型生物质预处理方式的开发和木质素的高值化利用提供重要的理论基础。为突破生物质木质素研究的障碍,本论文从原本木质素的分离和结构解析出发,首先提出了新型的原本木质素分离方法,并且提出了新型的木质素结构核磁分析方法。基于木质素核磁定量分析方法,对目前典型的预处理过程中木质素化学进行了研究,阐明了木质素的解离机制和变化规律。此外,基于木质素原始结构的研究,提出了两种高效的木质素解离方法,并对这些处理过程中的木质素解离机制进行了深入研讨。本论文中选取木质素结构最为复杂的禾本科植物(竹材,竹杆和竹节)为代表性原料,提出了一种改进的磨木木质素(MWL)分离方法。该方法相比传统的MWL效率高,纯度高,并且结构完整。采用核磁共振技术(定量核磁碳谱,二维碳氢相关谱和磷谱)对分离木质素进行结构分析。研究发现,竹杆和竹节木质素属于HGS型木质素,主要是由对羟基苯单元(H,1-2%),愈创木基单元(G,21-31%),紫丁香基单元(S,67-78%)组成,并且发现竹材木质素的侧链γ位置含有酯化的对香豆酸。组合定量方法显示,木质素中的β-O-4芳基醚键联接的含量有45-49/100Ar,而树脂醇β-β联接的含量是3.6-7.4/100Ar,四氢呋喃环β-β联接的含量是2.0-2.3/100Ar,苯基香豆满β-5联接的含量是2.8-4.5/100Ar,螺旋二烯酮的含量是1.3-2.3/100Ar,α,β-二芳醚键含量是2.8-2.9/100Ar。研究还发现S/G的比例与γ-酰化含量存在正相关,而γ-酰化的含量与β-β/β-O-4是比例成反相关。除此之外,本研究还率先在竹杆木质素中发现了麦黄酮结构单元,但是在竹节木质素未能发现该结构,说明了不同部位竹材木质素的合成路线存在差异,但是木质素的分子量和活性官能团并无显著差异。木质素的复杂性不仅表现在不同部位的木质素可能存在结构上的差异,同一部位的逐级分离的不同木质素组分也存在差异。为了证明木质素的非均一结构,本论文提出了一种原本木质素逐级分离方法。采用核磁定量碳谱,DEPT135,二维和定量磷谱对这两个木质素样品进行了深入的结构解析,计算得出MWL分子式为C900H865O330(OCH3)133,而AL的分子式为C900H8150320(OCH3)136,并且发现AL的S/G比例相比MWL有所升高(S/G=1.57-2.24),同时,AL中含有更多的芳基醚键联接,这说明磨木木质素MWL可能主要来自于胞间层,并且结构受到球磨过程影响(含有更多的酚式羟基)。而后续的碱木质素AL主要来自于次生壁S2层,且含有更多的α,β-二芳醚联接键。传统的木质素的结构分析都需要对样品进行提取分离。本论文率先将木质纤维原料全溶体系二甲基亚砜/N-甲基咪唑(DMSO/NMI)应用到竹材木质素的分离中。即采用全溶-再生的方式得到了全溶木质素(DL),同时提取了MWL和AL作为对比样品。定量的碳谱和二维核磁证明这些木质素是典型的HGS型木质素,主要是由β-0-4,β-β,β-5和β-1等连接键组成,DL的化学结构介于MWL和AL之间,对香豆酸在DL和MWL中以酯键联接在侧链的Y位,但是AL中的酯化的对香豆酸大部分被断裂。在上述研究的基础上,针对传统结构表征中残留酶木质素(REL)难以溶解,难以分析的问题,本论文还系统地采用原位核磁(in-situ)的方法解决了以下问题：(1)全溶DL的分离对于残渣中木质素结构的影响(2)难溶残渣REL的结构表征。实验依次采用纤维素酶,96%二氧六环处理残渣和对照样品(球磨竹粉,未处理),得到酶解竹材残渣(RB),纤维素酶解木质素(CEL)和残留酶木质素(REL),然后采用DMSO/NMI体系分别对其乙酰化改性,增加其在氘代氯仿中的溶解性,便于核磁直接检测。实验结果显示,DL的分离导致残留的RB中木质素的S/G升高,说明DL的分离原理类似MWL,属于“相似相溶原理”。RB的S/G值最低,CEL的S/G值居中,REL的S/G最高,说明了CEL的结构特性介于RB和REL之间。同时,该实验发现纤维素酶解残渣(EB和REB)能大部分地溶于氘代DMSO,并且了采集了可以分辨和解析的核磁谱图,虽然有一部分碳水化合物的影响,这给后续的酶解残渣直接核磁测定奠定了基础。全面地理解植物细胞壁中的木质素大分子结构在木质纤维素的高值化利用过程中极其重要。本论文在纤维素酶解木质素和碱处理降低结晶度的启发下,以桉木为代表性原料,率先提出了一种基于室温弱碱处理耦合原位酶解的方法制备得到残渣木质素(SREL)。结果显示,该法制备的SREL具有超高的得率(95%),显著高于同样条件下的碱木质素(AL,12%)和酶木质素(CEL,20%)。糖分析结果显示,SREL含糖量较低(8.7%),远低于CEL含糖量(13.4%)。元素分析,凝胶渗透色谱法,核磁共振和热解气质联用分析表明SREL具有典型的木质素结构单元,并对木质素的各种联接键进行了定量计算,并且在SREL中发现了H型单元,该单元在CEL中未能发现,更说明了SREL能够成为一种很有潜力的原本木质素分离方法,同时该方法也能为生物质高效转化为可发酵糖提供有益思路。针对目前预处理过程中木质素结构研究的弊端,以“定量核磁共振方法”为核心方法,本论文分别研究了自催化乙醇预处理和离子液体处理中木质素的解离机制问题。以桦木为阔叶材代表性原料,揭示了自催化乙醇预处理中木质素的解离机制。研究发现,自催化导致木质素大分子的芳基醚键的大量断裂,形成含有大量的酚式羟基的解离木质素,同时发生了部分缩合反应,导致碳-碳键含量增加。此外,还发现自催化乙醇预处理不仅导致解离木质素的侧链α-位发生乙氧基化反应,而且形成二苯乙烯单元；此外,采用离子液体从生物质(桦木)中得到解离木质素(ILL),并分离出离子液体处理残渣中的残留木质素(RL),系统地比较研究了ILL,RL和桦木原料CEL的结构特性。研究发现,在一般的离子液体处理条件下(110℃,16h),木质素主要是通过溶解-再生的方式实现分离,此过程中没有发生较大的解聚反应。此外,相比CEL,低S/G比例和缩合度较高的离子液体木质素(ILL)首先被提取出来,然后是高S/G的和低缩合度的木质素组分(RL)被提取出来。结合上述研究的结果,本研究还深入研究了木质素定量结构和热性能之间的关系,率先揭示了木质素中β-O-4芳醚键含量和最大分解温度存在正相关,而木质素缩合度和残炭含量存在正相关。为了进一步研究离子液体预处理过程中的木质素结构变化问题,以杨木的弱碱性木质素作为原料(杨木弱碱木质素的得率高,糖干扰小,结构保存完整,能够作为研究木质素基本结构变化的理想“模型”物),深入地研究了不同处理条件下的木质素结构变化规律。研究结果显示,随着处理条件的剧烈,脂肪族的羟基含量由于脱水而降低,而脱水反应导致体系酸性,使得木质素发生了解聚和芳醚键的断裂,导致酚羟基含量的增加。此外,该过程中还伴随着缩合反应,脱甲氧基反应的进行。结果还显示离子液体处理木质素具有较高的选择性,优先降解愈创木基单元的木质素,而缩合反应优先发生在紫丁香基单元。这些发现均为离子液体预处理的优化和木质素的降解提供了直接的依据。基于前面几种大宗原料(毛竹和桉树)木质素定性定量结构的研究,提出了自催化水解,有机酸预处理耦合碱性过氧化氢的耦合处理,将竹材分离为高得率低聚木糖,高纯木质素和纤维素。率先阐明了整个精炼过程中木质素解离机理以及脱木质素的历程,发现预水解显著地促进后续有机酸脱木质素；针对桉树提出了自催化乙醇预处理耦合碱性脱木质素的深度处理,此方法可将桉木生物质高效分离为高纯木质素和纤维素,并深入地揭示了桉木自催化乙醇预处理和深度脱木质素过程中的木质素解离机制：自催化乙醇预处理导致木质素中的芳醚键大量断裂,促进二苯乙烯单元(I)的形成而使得解离木质素溶于乙醇-水溶液；而桉树乙醇粗浆中的残留木质素可以通过碱性过氧化氢进行有效深度脱木质素,而后续碱醇溶液也从粗浆中提取了大量的木质素,但脱木质素能力欠佳。因此,自催化乙醇预处理耦合碱性过氧化氢处理是一种有效的生物质梯度分离新方法。基于本论文所提出的木质素定量核磁分析方法,率先阐明了生物质(竹材)焙烧过程中主要成分结构变化规律。探讨了温度对焙烧产品产率,组成成分,能量得率的影响。发现半纤维素在焙烧中最容易降解(200-250℃),木质素的结构变化主要发生在高温焙烧阶段(高于250℃),纤维素在275-300℃时出现了很明显的晶型转变。率先揭示了焙烧过程中木质素大分子的结构变化规律,即木质素相继出现了脱氢,芳醚键断裂(275℃基本消失),分子解聚,脱甲氧基和缩合反应。
【作者】文甲龙；
【导师】孙润仓；
【作者基本信息】北京林业大学，林产化学加工工程，2014，博士
【关键词】木质素；组分分离；结构解析；核磁共振；解离机理；生物精炼；

【参考文献】
[1]张博.表面修饰纳米TiO_2和SrTiO_3光催化剂的贮氢合金电极的光电特性研究[D].浙江工业大学,应用电化学,2004,硕士.
[2]王贵东.再审程序之提起[D].中国政法大学,法律,2004,硕士.
[3]李哲.《后美国时代：迎接世界末日》英汉翻译实践报告[D].北京交通大学,2013.
[4]许真真.基于权变管理理论的财权集中度效率研究[D].浙江财经学院,会计学,2013,硕士.
[5]李雨薇.C公司条形码技术与ERP系统集成应用研究[D].北京交通大学,2013.
[6]李敏,袁巨龙,吴喆,吕冰海,孙磊,赵萍.复杂曲面零件超精密加工方法的研究进展[J].机械工程学报,2015,05:178-191.
[7]种毅.基于模糊层次评价法的省域节能减排评价研究[D].山东财经大学,技术经济及管理,2012,硕士.
[8]陈志亭.公司法人财产权研究[D].华东政法学院,法律,2004,硕士.
[9]许莹.山西省农村劳动力转移培训问题研究[D].山西财经大学,教育经济与管理,2014,硕士.
[10]陈琦.路网容量约束下的土地开发强度优化研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2014,硕士.
[11]李林艳.昌吉电业局仓储区布局与货位优化研究[D].新疆农业大学,载运工具运用工程,2012,硕士.
[12]郭润寰.基于本体的语义网技术研究与应用[D].西安电子科技大学,2005.
[13]付文爽.HS房地产公司某高档住宅项目市场营销策略研究[D].北京交通大学,2014.
[14]彭美容.文学文体学视角下《瓦尔登湖》两个中译本的比较研究[D].华中师范大学,英语语言文学,2014,硕士.
[15]许红玲.信息技术与高中数学函数教学的整合与案例研究[D].东北师范大学,现代教育技术,2012,硕士.
[16]朱晓丽.共犯从属性说的国际趋势[D].哈尔滨工业大学,国际法,2013,硕士.
[17]赵英渊.两亲性萘酰亚胺类化合物的性质及应用研究[D].山东大学,无机化学,2014,博士.
[18]褚龙.Windows分布式入侵检测与攻击源追踪系统[D].西南交通大学,2004.
[19]徐阳.护骨素和Wnt3a、Wnt5a在口腔正畸骨改建中的表达[D].桂林医学院,病理学与病理生理学,2012,硕士.
[20]王新祥.熏蒸剂及其配合CO_2对朱砂叶螨的熏蒸作用和对鲜切花的影响[D].西南农业大学,农药学,2004,硕士.
[21]颜城.试论城管行政执法程序之完善[D].广东财经大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[22]王洋洋.针对NFC技术的云端体系架构研究[D].西南大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[23]肖鹏钻.基于项目的协作学习系统研究与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[24]胡晨伟.“觉”与“醒”的别样人生[D].安徽大学,中国哲学,2013,硕士.
[25]赵岛.金谷信托的发展战略[D].兰州理工大学,工商管理,2013,硕士.
[26]侯建洪.汽车起重机主臂参数化建模与分析系统[D].吉林大学,工程力学,2013,硕士.
[27]王多刚.我国商业银行信贷风险管理研究[D].广西大学,金融学,2004,硕士.
[28]易中,刘捷.重视建筑规划中的人体工程学问题[J].建筑技术开发,2011,02:47-48.
[29]徐岗,汪国昭.三次均匀B样条与α-B样条的扩展(英文)[J].自动化学报,2008,08:980-983.
[30]陈莉,钟麦英.不确定奇异时滞系统的鲁棒H_∞故障诊断滤波器设计[J].自动化学报,2008,08:943-949.
[31]尹建东.L市新区政府绩效评估优化问题研究[D].兰州大学,公共管理,2012,硕士.
[32]吕强.基于特征点提取的单目视觉里程计的研究[D].浙江大学,2007.
[33]田建东.托普台区块易漏失地层特征分析及随钻堵漏剂优选[D].中国地质大学（北京）,钻井工程,2014,硕士.
[34]谢珺.“阿拉特里斯特上尉历险记”系列中的历史重构[D].南京大学,西班牙语语言文学,2013,硕士.
[35]张瑞霞,王勇.一种基于数据挖掘的入侵检测模型[J].计算机与现代化,2003,05:58-61.
[36]周尚臣,钟国欣.合理选择中硬齿面齿轮用钢的材料[J].一重技术.2003(01)
[37]孙明明.Die Modernit?t in Kafkas Erz?hlkunst[D].西安外国语大学,德语语言文学,2014,硕士.
[38]曹洪岩.高校财务数据仓库系统的研究和应用[D].大连海事大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[39]刘克.高速公路的路段行程时间估计与预测方法研究[D].北京交通大学,系统工程,2013,硕士.
[40]李军,张军华,韩双,朱文博,杨勇,杜玉山.火成岩储层勘探现状、基本特征及预测技术综述[J].石油地球物理勘探,2015,02:382-392+8.
[41]梁秀媛.新农保政策执行研究[D].广西民族大学,社会保障,2013,硕士.
[42]宋长虹.甲状腺功能减退与亚临床甲减症患者氧化应激指标变化分析[D].青岛大学,内分泌与代谢病,2013,硕士.
[43]钟惠仪.应用项目反应理论对《绝经综合征评定量表》项目修订初步研究[D].广州中医药大学,中医妇科学（专业学位）,2013,硕士.
[44]贾宏杰,王伟,余晓丹,曹术存.小扰动稳定域微分拓扑学性质初探(一)小扰动稳定域非凸边界和空洞现象示例[J].电力系统自动化,2005,20:24-27.
[45]孙文相.启动氮加追氮对不同密度大豆氮素吸收的影响[D].东北农业大学,植物营养学,2013,硕士.
[46]丛伟,张琳琳,姚翔,白勇,王慧.基于统一纵联原理的抗电流互感器饱和保护算法[J].电力系统自动化,2011,11:82-86.
[47]陆国平.浅析研究生电子档案的管理[J].档案与建设,2004,09:46-47.
[48]李雅华.大坝无线监测智能终端设计[D].西安科技大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[49]李跃.高三英语开放作文错误分析与提高[D].首都师范大学,学科教学,2013,硕士.
[50]张苗苗.基于缓冲算子的GM(1,1)模型的研究及其应用[D].西安建筑科技大学,应用数学,2013,硕士.