竹柳细胞壁综纤维素和木质素单体及含量研究

李强　姜山

摘要：运用超声波辅助提取、DFRC（衍生化后的还原裂解）法结合气相色谱-质谱法（GC-MS）对竹柳（Salix maizhokunggarensis N. Chao）细胞壁综纤维素和木质素单体进行了测定；采用差重法和Kalson法结合紫外分光光度法测定了竹柳细胞壁综纤维素和木质素含量。结果表明，竹柳细胞壁综纤维素单体包括D-木糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、L-岩藻糖和D-纤维二糖，木质素主要由愈创木基（G）和紫丁香基（S）组成。竹柳细胞壁综纤维素含量为80.16%，木质素含量为19.84%。

关键词：竹柳（Salix maizhokunggarensis N. Chao）；综纤维素；木质素；衍生化后的还原裂解（DFRC）法

中图分类号：S781.42 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）01-0097-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.01.025

植物细胞壁主要由综纤维素、木质素和蛋白质组成，作为植物光合作用产物的主要贮积方式，构成了地球植物生物量的主要组成部分。纤维素是无水葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的长链分子，半纤维素是戊糖、己糖和糖酸所组成的不均一聚糖[1]，木质素是由苯丙氨酸经脱氨茎、羟基化、甲基化和氧化还原反应，生成3种主要单体香豆醇、松柏醇和芥子醇，这些单体经氧化偶联聚合生成相应的3种木质素：对羟基苯基木质素（H）、愈创木基木质素（G）和紫丁香基木质素（S）[2]。综纤维素和木质素是组成木材的主要成分，它们的组成及含量与木材的性质以及木材的加工利用密切相关[3]。一般情况下，纤维素含量越高，则制浆率越高；而木质素交联在纤维素和半纤维之间形成致密的网状结构，是木材造纸的一大难题，木质素含量越低，制浆漂白越容易，消耗的化学药品越少[4，5]。通过基因工程方法调控木质素含量和组成类型，优化植物光合作用所生产的生物量在综纤维素和木质素之间的分配对木材的制浆性能有很大的潜在价值[6]。测定细胞壁中综纤维素和木质素单体成分及含量无疑为提升木材工业化应用提供了重要参考依据。

竹柳（Salix maizhokunggarensis N. Chao）为杨柳科（Salicaceae）柳属（Salix）落叶乔木，是经选优选育出的一个柳树品种，由于其同时具有染色体加倍实现的倍性优势和杂种优势，故不仅具备柳树所有优良特性，且具有生长速度快、抗逆性强、材质好等特点，因此作为工业原料林具有一定优势[7]。以往对于竹柳的研究主要集中在纤维质量及制浆性能方面，对于其细胞壁中综纤维素和木质素的单体成分及含量报道非常少。为此，采用超声波辅助提取、衍生化后的还原裂解（DFRC）法结合GC-MS分析了竹柳细胞壁综纤维素和木质素单体成分，同时还采用差重法和Kalson法结合紫外分光光度法测定了综纤维素和木质素含量对DFRC法结果加以验证，以期为更好地开发利用竹柳奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为取自贵州省黔南地区的一年生竹柳。

仪器：QP2010c型气相-质谱联用仪（Shimadzu公司，数据库为NIST27、NIST147）；LX-02多功能粉碎机；101A-3型电热鼓风干燥箱；HHS型电热恒温水浴锅；分析天平（十万分之一，梅特勒-托利多仪器有限公司）；KQ-500DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；N-1001型EYELA旋转蒸发仪；精密酸度计（上海大普仪器有限公司）。

试剂：乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、甲醇、丙酮、乙酸、溴乙酰、二氧六环、锌粉、胆固醇，均为市售分析纯。

1.2 细胞壁样品提取

样品粉碎后，过60～80目筛，然后每克样品加40 mL体积分数80%的乙醇超声处理10 min，4 000 r/min离心5 min，去上清，重复4次，再依次用氯仿/甲醇（2∶1，V∶V）和丙酮抽提1次，空气风干[8]。

1.3 DFRC法分析细胞壁样品

1.3.1 溴乙酰衍生和细胞壁溶解反应 准确称量50 mg（W1）细胞壁样品加到50 mL具塞三角瓶中，加入10 mL新鲜配制的溴乙酰溶液（溴乙酰∶乙醇=1∶4，V/V），盖上玻璃塞于50 ℃轻轻搅拌3 h，然后在50 ℃以下负压蒸干[9]。

1.3.2 还原断裂反应 向具塞三角瓶中加入10 mL二氧六环/乙酸/水（5∶4∶1，V/V/V），再加入200 mg（W2）锌粉，常温搅拌30 min，然后用砂芯漏斗过滤，滤渣于60 ℃烘至恒重（W3），滤液全部转入预先备有15 mL二氯甲烷和15 mL饱和氯化铵的分液漏斗中，加入200 μL内标（80 mg胆固醇溶解于2 mL二氯甲烷），水相用3%的盐酸调到pH 3以下，充分混匀，静置分层并收集下部二氯甲烷相。另外用15 mL二氯甲烷萃取饱和氯化铵相，重复2次，合并二氯甲烷相，低压旋转蒸干，乙酰化后上GC-MS分析[10]。

1.3.3 计算反应率 反应率=■ （1）

1.4 竹柳细胞壁综纤维素含量测定

称取约1.5 g细胞壁样品，于60 ℃烘至恒重W4，再转入250 mL碘量瓶中，加入150 mL 2 mol/L的HCl，105 ℃保温50 min，然后用去离子水冲洗过滤至滤液pH 6.5～7.0，接下来依次用体积分数95%的乙醇、无水乙醇、丙酮各洗涤2次，残渣转入已恒重的坩埚（W5）中，于60 ℃干燥箱中烘至恒重（W6）。将残渣转入150 mL烧杯中，加入15 mL预冷过的72%的硫酸水解3 h，然后加去离子水135 mL，室温过夜，残渣次日用去离子水冲洗过滤至滤液pH 6.5～7.0，滤渣转入已恒重的坩埚（W7）中，于60 ℃干燥箱中烘至恒重（W8）。按公式（2）、（3）、（4）计算半纤维素、纤维素和综纤维素含量，平行测定样品6份，取平均值[11，12]。endprint

半纤维素含量=■×100% （2）

纤维素含量=■×100% （3）

综纤维素含量=半纤维素含量+纤维素含量（4）

1.5 竹柳细胞壁木质素含量测定

准确称量1 g（W9）细胞壁样品，加72%的硫酸15 mL，室温搅拌4 h，转入1 000 mL圆底烧瓶中，加560 mL去离子水稀释硫酸浓度至3%，加热回流2 h，再用砂芯漏斗过滤，收集滤液，残渣用热水洗涤至中性，转入已恒重的坩埚（W10）于105 ℃烘干至恒重，称量（W11）并按公式（5）计算酸不溶木质素含量，平行测定样品6份，取平均值[12，13]。

酸不溶木质素含量=■×100% （5）

滤液在205 nm波长下测吸光度，如果吸光度大于0.7，则用3%的硫酸溶液稀释，当吸光度为0.2～0.7，按公式（6）和公式（7）计算，平行测定样品6份，取平均值。

B=■×D （6）

酸溶木质素含量=■×100% （7）

式中，B为滤液中酸溶木质素的含量（g/1 000 mL）；A为吸光度；D为样品滤液的稀释倍数；V为滤液总体积；110为吸光系数[L/（g·cm）]。

木质素含量=酸不溶木质素含量+酸溶木质素含量 （8）

2 结果与分析

2.1 DFRC法分析细胞壁成分

衍生化后的还原裂解（DFRC）法包括两个重要步骤：①细胞壁在溴乙酰和乙酸混合溶液中溶解，②锌粉催化还原裂解，在溴乙酰中植物细胞壁被溶解，酸性环境下细胞壁多糖进一步水解[14，15]，结合GC-MS通过查找数据库可以确定样品DFRC法获得的化合物组成，进一步解析样品细胞壁成分。通过计算反应率得出，大于95%的竹柳细胞壁参加了反应，所以试验中DFRC法产物包含了竹柳细胞壁的主要物质组成。

表1是竹柳细胞壁DFRC降解物气相色谱检测到的主要化合物保留时间、名称以及含量，除9和10是内标胆固醇及其乙酰化产物外，1～8是竹柳细胞壁DFRC法检测到的主要产物：D-木糖乙酸酯、L-阿拉伯糖乙酸酯、D-半乳糖乙酸酯、愈创木基乙酸酯、D-葡萄糖乙酸酯、紫丁香基乙酸酯、L-岩藻糖乙酸酯和D-纤维二糖乙酸酯。根据构成综纤维素和木质素的单体类型可知，竹柳细胞壁综纤维素单体主要是D-木糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、L-岩藻糖和D-纤维二糖，木质素的单体主要是G型和S型，没有检测到H型单体。不计算内标的情况下，综纤维素和木质素的含量分别为80.16%和19.84%。

2.2 竹柳细胞壁综纤维素和木质素含量分析

半纤维素是戊糖、己糖和糖酸所组成的不均一聚糖，易水解，高温下经稀酸处理几乎可以把半纤维素全部水解成可溶性糖；纤维素是β-1，4糖苷键组成的长链分子，长链分子进一步形成一种具有高度结晶区的超分子稳定结构，该结构可以被浓酸溶解，在溶解过程中导致纤维素的均相水解[1]，因此依次用盐酸、硫酸水解竹柳，准确称量水解前后的重量并计算差重可以得出半纤维素、纤维素以及综纤维素含量。采用Klason法和紫外分光法分别测定酸不溶木质素和酸溶木质素含量，试验没有检测植物含有的少量矿质元素，结果见表2。从表2可知，综纤维素含量为79.03%，木质素含量为20.35%，对比DFRC法测定的糖类和木质素类含量，可以得出两种方法测得的结果基本一致，说明DFRC法检测出的竹柳细胞壁各成分含量可靠。

3 小结

竹柳细胞壁综纤维素单体主要包括D-木糖、D-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、L-岩藻糖和D-纤维二糖，木质素单体主要为G型和S型。据文献报道，硬木H型木质素单体含量一般很少甚至没有，Lu等[9，14]在同是柳属的柳树中检测到的H型木质素单体含量相对于G型和S型也非常低（<1%），而试验在竹柳细胞壁中没有检测到明显的H型木质素单体，原因有可能是竹柳细胞壁中H型木质素单体的含量过低，或是没有H型木质素单体的存在，这需要进一步的试验论证。同时还测得综纤维素含量为80.16%，木质素含量为19.84%。试验中采用的DFRC法是美国威斯康星州牧草研究中心建立的用于解析细胞壁结构的新方法，具有对试验条件要求不高、操作流程简洁和结果可靠等优点，目前国内鲜有将该方法运用于硬木细胞壁的研究。利用该方法对竹柳细胞壁综纤维素和木质素单体及含量的研究，将为竹柳在工业木材应用中的深入发展奠定一定的基础，还可为其他工业木材的定性定量分析提供借鉴。

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