玉米秸秆木质素降解过程的CP／MAS 13CNMR和SEM表征

陈 琳，张 全，孟雪松，凌凤香

（中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺113001）

我国秸秆资源非常丰富，每年达到7亿t以上，但除少量用于造纸、纺织等行业或用作粗饲料、薪柴外，大部分以堆积、荒烧等形式直接倾入环境，造成极大的污染和浪费[1，2］。利用微生物将其降解，转化为能源，是使其资源化、环境化的有效途径。玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，并共存于植物纤维原料中，形成非常复杂的结构，特别是木质素的复杂结构严重阻碍了酶解的进行[3］。因此，木质素的降解是玉米秸秆资源化利用的关键。目前报道能降解木质素的微生物多是白腐真菌，其中研究最多的是黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）[4］。利用黄孢原毛平革菌降解木质素，对于高效利用和转化秸秆资源具有重要的现实意义。

木质素是一种三维立体结构的高分子聚合物，以苯丙烷结构单元作为基本骨架，其苯环和支链上的官能团包括甲氧基、羟基、羧基和羰基等，同时不同结构单元以醚键和碳碳单键相连接[5］。图1是木质素的3种基本结构（非缩合型结构），即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构。在微生物的降解作用下，木质素结构中的这些官能团和连接方式有可能会发生一些变化。

固体核磁（CP／MAS13CNMR）[6－9］不必将样品制成溶液，而保持未被破坏的状态，可以获得其微观结构更全面、准确的信息。因此，作者在此采用CP／MAS13CNMR和SEM表征玉米秸秆木质素降解前后的结构变化，同时根据分析结果对降解过程中玉米秸秆木质素的反应机理进行了讨论。

图1 木质素的3种基本结构单元Fig.1 Three basic structural units of lignin

1 实验

1.1 材料

玉米秸秆木质素原料：取自肇东，将玉米秸秆蒸汽爆破后，再蒸煮，利用纤维素酶将其酶解，经过滤、105℃烘干，即得到玉米秸秆木质素原料。

降解后样品：利用黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）FS－19对玉米秸秆木质素原料进行摇瓶降解处理，抽滤，105℃烘干，分别得到降解6d、12d及18d的样品。

1.2 仪器

固体核磁（CP／MAS13CNMR）：Bruker AvanceⅢ500型核磁共振波谱仪（瑞士Bruker公司），4mm魔角探头，转速5kHz，脉冲宽度90，交叉极化时间0.05s，采样间隔时间10μs，接触时间2000μs，弛豫时间1s，采集数据点8192，内标参考物为四甲基硅烷。

JSM－7500F型场发射扫描电子显微镜（日本），加速电压5.0～10.0kV。

1.3 方法

分别取玉米秸秆木质素原料及降解6d、12d、18d的样品进行 CP／MAS13CNMR表征。参照文献[10］，根据图谱中的各信号化学位移进行归属，找出相应的官能团结构，比较降解前后木质素的结构变化情况。

同样，分别取玉米秸秆木质素原料及降解6d、12d、18d的样品进行SEM分析，比较降解前后木质素的微观结构变化情况。

2 结果与讨论

2.1 CP／MAS 13CNMR分析

2.1.1 定性分析

图2是玉米秸秆木质素原料及降解6d、12d、18d的样品的CP／MAS13CNMR谱图，图2中各吸收信号对应的碳原子归属见表1 。

图2 玉米秸秆木质素降解前后的CP／MAS 13CNMR图谱Fig.2 CP／MAS 13CNMR Spectra of corn stover lignin before and after degradation

由图2和表1 可知，各样品中同时存在愈创木基、紫丁香基和对羟苯基结构，由于受到其它大分子结构的影响，谱峰较宽。图2中，化学位移60～110ppm谱峰很强，一般来讲，固体CP／MAS13CNMR中，纤维素的信号主要集中在这个化学位移区间；此外还有少量的半纤维素存在，这一带虽然也有木质素侧链的信号，但即使在纯的木质素中，这一带的信号也较弱，因

表1 玉米秸秆木质素CP／MAS 13CNMR谱的化学位移与归属Tab.1 Chemical shift assignments of CP／MAS 13CNMR for corn stover lignin

此图2中60～110ppm强烈的核磁峰，正好也说明所谓的纤维素酶解木质素，实际上有大量的碳水化合物存在。另外，各样品在85.7ppm处都有β－O－4键连接的紫丁香基和愈创木基单元上Cβ的中等强度吸收峰，且此吸收峰的强度基本没有变化，说明在降解过程中，作为木质素结构单元主要连接方式的β－O－4键基本上没有被降解。

2.1.2 定量分析

木质素不同类型碳相应积分区域[11］为：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。通过各区域信号的积分可以初步定量地得到各组分的变化。表2 为木质素CP／MAS13CNMR谱不同化学位移区间的积分面积。

表2 CP／MAS 13CNMR谱不同化学位移区间的积分面积Tab.2 Different chemical shift integral area in CP／MAS 13CNMR spectra

由表2 可知，木质素降解后，单位苯环的甲氧基碳含量有所增加，这可能是由于降解过程中苯环侧链上的－OH被氧化所致；化学位移110～60ppm的烷氧基碳含量有所减少，是由于降解过程中碳氧化合物被除去，与定性分析结果一致。

S／G值（S为Syringyl，紫丁香基；G为 Guaiacyl，愈创木基）可依据化学位移153.0ppm、148.0ppm和134.3ppm处的去卷积峰面积估算出来[12］。153.0 ppm、148.0ppm处的峰面积包括紫丁香基（S）木质素的C3、C5以及愈创木基（G）木质素的C3、C5，即含有（2S＋2G）个碳原子；134.3ppm处的峰包括了紫丁香基（S）木质素单元的C1、C4以及愈创木基（G）木质素单元的C1，即含有（2S＋G）个碳原子。因此可依据积分面积计算出S／G值。

表3 是玉米秸秆木质素原料及降解6d、12d、18d的样品的S／G值。

由表3 可知，木质素降解过程中，S／G值逐渐减小。其原因可能与木质素的降解过程有关：木质素的降

表3 木质素降解过程的S／G值Tab.3 S／G Values for lignin degradation

解是从外部暴露的细胞壁向内部进行，这种降解可能会首先移除次生细胞壁；而紫丁香基丙烷单元中次生细胞壁更丰富些，愈创木基丙烷单元中则含有更多的离中心较近的薄壁组织，因此，S／G值会逐渐降低；此外，在木质素降解过程中，微生物会选择性地移除更多的紫丁香基，这是因为愈创木基中C－C键和C－O－C键连接得很紧密的缘故。

2.2 SEM 分析

通过SEM表征[13－15］玉米秸秆木质素原料及降解6d、12d、18d的样品的微观结构，结果见图3。

图3 玉米秸秆木质素降解过程的SEM照片Fig.3 SEM Photos of corn stover lignin degradation

由图3可知，未被降解的玉米秸秆木质素表面平整，结构紧密，呈自然伸展状态，有明显的颗粒物质存在，偶有空穴可见。随着降解时间的延长，样品表面变得粗糙，凹凸不平，空穴增多且增大，颗粒物质减少。经分析，空穴增多的原因可能是由于纤维素酶解木质素中还存在大量的碳水化合物，而碳水化合物较木质素更易被降解；空穴增大主要是其中的高聚糖在生物降解过程中被除去所致。

3 结论

CP／MAS13CNMR结果表明，玉米秸秆木质素降解过程中，作为木质素结构单元主要连接方式的β－O－4键基本上没有被降解；生物降解后，木质素单位苯环的甲氧基碳含量稍有增加，S／G值降低，推断反应过程中紫丁香基优先参与反应。SEM结果表明，空穴增大主要是由于碳水化合物的降解所致，而木质素本身的结构基本上未发生明显的变化。

CP／MAS13CNMR为木质纤维原料的结构表征提供了一种先进的手段，也可进行初步定量，是传统的定量表征手段很好的补充，具有一定的研究意义。

[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]蒋挺大.木质素[M］.北京：化学工业出版社，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，李坚，崔永志.固体核磁CP／MAS13CNMR在木材科学中的应用[J］.四川农业大学学报，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.