（微生物学专业论文）微波辅助离子液体bmimci提取木质素方法的初步研究.pdf

嗜k。擎，。 t 一。一掌。孥；。f； 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：“组日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二进导师签 高期刎肜j 夕否 日期：趔丝：当一 山东大学硕士学位论文 目录 目录l 摘要i a b s t r a c t i i 符号说明及缩略词表 第一章绪论。l 1 1 木素2 1 1 1 木素及其结构2 1 1 2 木素分离提取。4 1 1 3 木素结构分析6 1 2 木素的生物降解6 1 3 真菌木素降解酶系及其催化机制7 1 3 1 木素过氧化物酶8 1 3 2 锰过氧化物酶8 1 3 3 漆酶9 1 4 离子液体1 0 1 4 1 离子液体种类1 0 1 4 2 离子液体性质1 l 1 4 3 离子液体对木质纤维材料的溶解性l l 1 4 4 离子液体在生物催化中的应用1 4 1 4 5 离子液体合成l5 1 5 微波1 7 1 5 1 微波加热特点1 7 1 5 2 微波辅助提取18 1 6 论文立题依据与主要内容1 9 1 6 1 立题依据1 9 1 6 2 研究主要内容2 0 第二章离子液体 b m i m c i 制备及表征2 1 2 1 材料与方法2l 2 1 1 试剂与仪器2 l 2 1 2 b m i m c i 合成2 1 2 1 3 b m i m c 1 纯化2 2 山东大学硕士学位论文 2 1 4 离子液体红外光谱分析2 2 2 1 5 离子液体1 3 c n m r 测定2 2 2 1 6 【b m i m c i 标准曲线绘制2 2 2 2 结果与讨论2 3 2 2 1 b m i m c i 合成与纯化结果2 3 2 2 2 【b m i m c 1 红外图谱分析2 3 2 2 3 b m i m c 11 3 c - n m r 谱图分析2 5 2 2 4 【b m i m i c l 标准曲线2 6 2 3 本章小结2 7 第三章微波辅助 b m i m j c i 从木材原料中提取离子液体木素。2 9 3 1 材料与方法3 0 3 1 1 试剂与仪器3 0 3 1 2 水分的测定3 0 3 1 3 有机溶剂抽出物含量的测定3 0 3 1 4 酸不溶木素含量测定3l 3 1 5 综纤维素含量测定31 3 1 6 灰分的测定3 2 3 1 7 纤维素酶液制备3 2 3 1 8 酶分离木素( c e l ) 的粗提纯化3 2 3 1 9 酶分离木素( c e l ) 的纯化3 2 3 1 1 0 离子液体木素制备3 3 3 1 1 1c e l 、离子液体木素红外光谱分析3 3 3 1 1 2 酶分离木素和离子液体木素酚羟基含量的变化3 4 3 1 1 3 b m i m i c i 对木素纤维材料溶解度的探讨3 4 3 1 1 4 提取剂对离子液体木素提取影响3 5 3 1 1 5 丙酮水比例对离子液体木素提取影响3 5 3 1 1 6 提取温度对离子液体木素提取影响3 5 3 1 1 7 提取剂体积对离子液体木素提取影响3 6 3 1 1 8 提取时间对离子液体木素提取影响3 6 2 山东大学硕士学位论文 3 1 1 9c e l 标准曲线绘制3 6 3 2 结果与讨论3 6 3 2 1 杨木木粉成分分析3 6 3 2 2 b m i m c 1 对木质纤维材料的溶解度3 7 3 2 3 红外光谱分析3 8 3 2 4c e l 和离子液体木素酚羟基含量的变化4 2 3 2 5 微波和水浴对离子液体木素提取影响4 3 3 2 6 提取剂对离子液体木素提取影响4 4 3 2 7 丙酮水比例对离子液体木素提取影响4 6 3 2 8 温度对离子液体木素影响4 8 3 2 9 提取液体积对离子液体木素影响4 9 3 2 1 0 提取时间对离子液体木素影响5 0 3 2 1 l 利用木素标准曲线法测定木素含量。5 0 3 3 本章小结：5l 第四章【b m i m c 1 对漆酶酶活影响一5 3 4 1 材料与方法5 4 4 1 1 菌株5 4 4 1 2 培养基和培养方法5 4 4 1 3 测定方法5 4 4 1 4 最佳产漆酶时间5 5 4 1 5 漆酶分离与纯化5 5 4 1 6 有机试剂、 b m i m c 1 对漆酶酶活影响5 6 4 1 7 有机试剂对c e l 溶解性5 7 4 2 结果与讨论5 7 4 2 1t r a m e t e sh i r s u t el g 一9 生长情况5 7 4 2 2 有机试剂、 b m i m c 1 对c e l 溶解性5 8 4 2 3 有机试剂、 b m i m c 1 对漆酶稳定性6 0 4 3 本章小结6 4 全文总结与展望6 5 参考文献6 7 山东大学硕士学位论文 摘要 本文采用直接合成法合成了高纯度的室温离子液体氯化卜丁基- 3 - 甲基咪唑 ( b m i m c 1 ) ，并结合红外光谱和1 3 c n m r 核磁对其进行结构确证。 木素在传统试剂中的低溶解性严重阻碍木材组分的研究利用，本文采用微波加 热法和传统水浴加热法对微晶纤维素、木素和磨木木粉进行溶解，得到了透明均一 的溶液。研究表明：7 0 水浴6 小时后磨木木粉溶解度可达1 0 ；微晶纤维素溶 解度可达2 5 ；酶分离木素可达1 2 5 ，且微波加热更利于溶解。除溶解温度、时 间条件以外，离子液体对木粉的溶解很大程度上依赖于木材样品的尺寸，且离子液 体含水量对木粉的溶解度起到了关键作用。 本文通过微波辅助离子液体 b m i m c 1 建了新的木素制备方法。快速的加入丙 酮一水溶液至溶解饱和磨木木粉的离子液体中，通过微波辅助萃取，将沉淀物利用 g 4 布氏漏斗抽滤，木素随离子液体和有机试剂滤过，无法滤过的纤维素以无定性混 合物的形式重新聚合。将滤过液减压蒸发除去有机试剂，并通过超滤的方式除去离 子液体，最后获得离子液体木素。通过红外光谱法以及羟基含量测定与酶分离木素 官能团进行比较，分析表明制备物质为木素，但通过微波辅助提取，离子液体木素 的很多木素官能团信号减弱，或消失。并通过单因子试验研究表明：在6 0m l 、5 0 ( v v ) 丙酮一水溶液为提取剂，4 0 ，微波中火提取4 5 m i n ，为最佳提取条件。 以液体基质培养为研究对象，对白腐菌t r a m e t e sh i r s u t a 漆酶进行分离纯化。 由于“绿色溶剂”室温离子液体几乎没有蒸汽压，不具挥发性，具有极强的溶 解性以及可循环利用等优点，且在某些离子液体中酶能保持较高的催化活性，故而， 离子液体作为酶催化反应介质引起了研究者们的兴趣。本文研究了不同浓度对木素 有较高溶解度的有机试剂、离子液体( b m i m c 1 ) 对漆酶催化活力的影响。结果表 明，在由有机试剂一缓冲液、离子液体一缓冲液构成的均相溶液中，漆酶仍具有催化 活性，且催化活力随着有机试剂和离子液体浓度的增加而减弱。在1 0 3 0 ( 耐) 浓度下有机试剂能很好的保持漆酶的酶活，且3 0 离子液体在2 4 小时后仍能保持 约5 0 漆酶活性。但在7 0 浓度的离子液体作用下，漆酶即刻失去活性。 关键词：木素；离子液体；微波；漆酶 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h er o o mt e m p e r a t u r ei o n i c l i q u i d s ：1 - b u t y l 3 m e t h y l i m i d a z o l i u mc h l o r i d e w a ss y n t h e s i z e db ya o n e - s t e pm e t h o d ，a n dt h ec h e m i c a ls t r u c t u r e so fi tw a sc h a r a c t e r i z e d b yf t i ra n d c - n m rs p e c t r o s c o p y t h e l o ws o l u b i l i t yo fw o o di nc o m m o ns o l v e n t s h a ss e v e r e l y h a m p e r e dt h e d e v e l o p m e n to fn e wm e t h o d sf 0 rt h ee m c i e n tu t i l i z a t i o no fw o o da n di t sc o m p o n e n t s m i c r o c r y s t a l l i n ec e l l u l o s e 、l i g n i na n db a l l m i l l e dw o o df l o u rw e r ed i s s o l v e di nt h i si o n i c l i q u i d s ( b m i m c 1 ) ，b ym i c r o w a v eh e a t i n ga n dt r a d i t i o n a lh e a t i n g a f t e rd i s s o l v i n g t r a n s p a r e n t s o l u t i o n so fw o o dc o u l db e o b t a i n e dw h e nt h ed i s s o l u t i o no ft h e l i g n o c e l l u l o s i cs a m p l e sw a sa t t e m p t e di n1 - b u t y l 3 - m e t h y l i m i d a z o l i u mc h l o r i d e t h e s o l u b i l i t i e so ft h ei o n i cl i q u i d sw e r es t u d i e d t h er e s e a r c hs h o w s ：10 b a l l m i l l e dw o o d p o w e rc o u l db ed i s s o l v e di nt h ei o n i cl i q u i d sb yw a t e rb a t ha t7 0 ca f t e r6h o u r ；t h e d i s s o l u t i o no fm i c r o c r y s t a l l i n ec e l l u l o s ec o u l dr e a c h2 5 ：w h i l ef o rt h e c e l l u l o l y t i c e n z y m el i g n i n ( c e l ) c o u l db e12 5 a tt h es a m ec o n d i t i o n t h es o l u b l ee f f e c to f m i c r o w a v eh e a t i n gw a sf a r s u p e r i o rt ot r a d i t i o n a lh e a t i n g b e s i d e st h ed i s s o l u t i o n t e m p e r a t u r ea n dt i m et h ed i s s o l u t i o nr a t eo fw o o di sh i g h l yd e p e n d e n to nt h ep a r t i c l es i z e o ft h ew o o dp o w e rs a m p l e ，a n dt h ew a t e rc o n t e n to ft h ei o n i cl i q u i d sp l a y sak e vr o l ei n d e t e r m i n i n gi t ss o l u b i l i t y t h i st h e s i se s t a b l i s h e dan e wm e t h o du s i n gi o n i cl i q u i d s b m i m c 1f o re x t r a c t i n g l i g n i nf r o mt h em i l l e dw o o df l o u ru n d e rt h ec o n d i t i o no fm i c r o w a v ea s s i s t a n t t h e s a t u r a t i o nw o o ds o l u t i o ni ni o n i cl i q u i d sw a sr a p i d l ya d d e di n t oa ne x c e s so f o r g a n i c s o l v e n t w a t e rm i x e ds o l u t i o na n dt h e nm i c r o w a v ea s s i s t e de x t r a c t e d t h ep r e c i p i t a t e d b u l k ym a t e r i a lw a st h e nf i l t e r e du s i n gag 4b u c l m e rf u n n e l ，w a s h e dt h o r o u g h l yw i t h d i s t i l l e dw a t e rf o rm a n yt i m e s t h el i g n i nw a sf i l t e r e dw i t hi o n i c l i q u i d s ，w h i l e ，t h e c e l l u l o s ec a nn o tt h r o u g ht h ef u n n e l ，s oi tc a nb er e g e n e r a t e da sa na m o r p h o u sm i x t u r eo f i t so r i g i n a lc o m p o n e n t s b yd e c o m p r e s s i n ge v a p o r a t i o ni tc a nr e m o v et h eo r g a n i cs o l v e n t f r o mt h ef i l t e r e d - s o l u t i o n ，t h e nr e m o v et h ei o n i c l i q u i d su s i n gas t i r r e du l t r a f i l t r a t i o n s y s t e m w ec a ng e ts o m es o l i d sc o n t e n t f i n a l l y ，as m a l ls a m p l eo fi tw a st a k e nt o d e t e r m i n ei t ss o l i d sc o n t e n t t h ec h a n g e so ff u n c t i o n a li n i o n i cl i q u i d 1 i g n i na n dt h e c e l l u l o l y t i ce n z y m el i g n i nw e r ea n a l y z e db yi n f r a r e dc h r o m a t o g r a p h i ca n d m e a s u r i n gt h e 山东大学硕士学位论文 p h e n o l i ch y d r o x y lg r o u p s t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ep r o d u c t i o ni sl i g n i n ，b u ts o m e f u n c t i o n a lg r o u p so fl i g n i ni ni o n i c l i q u i d - l i g n i nw e r ew e a k e n e do rd e l e t e da f t e r m i c r o w a v ei r r a d i a t i o n t h eo p t i m u mv a l u e so ft h ef i v ef a c t o r sw e r eo b t a i n e d ：c h o o s et h e 6 0 m la st h e a p p r o p r i a t ev o l u m e ；5 0 ( v v ) a c e t o n e w a t e ra se x t r a c ts o l u t i o n ，t h e a p p r o p r i a t et e m p r e t u r ew a s4 0 a n dt h er e a c t i o nt i m eo fi tw a s4 5 m i n t h el a c c a s ep r o d u c t i o no ft r a m e t e sh i r s u t a ，w a sp u r i f i e di nt h e l i q u i ds y s t e m i nr e c e n tt i m e s ，t h eu s eo fr o o mt e m p e r a t u r ei o n i cl i q u i d sa s “g r e e ns o l v e n t s f o rt h e b i o c a t a l y t i cr e a t i o nm e d i u mh a sg a i n e dc o n s i d e r a b l ei m p o r t a n c ed u et oi t sn e g l i g i b l e v a p o u rp r e s s u r e ，s o l v a t i n ga b i l i t ya n de a s yr e c y c l i n g m o r e o v e r ，i ns o m ei o n i cl i q u i d s s y s t e m s ，e n z y m e sh a v eh i g h e rc a t a l y t i ca c t i v i t y c a t a l y t i ca c t i v i t yo fl a c c a s ew a s d e c r e a s e db ya d d i n gt h ew a t e r - m i s c i b l ei o n i cl i q u i d - b m i m c i i nt h i sw o r kw ee x p l o r e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no f o r g a n i c s o l u t i o na n di o n i c l i q u i d s o n l a c c a s e c a t a l y z e do x i d a t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：l a c c a s ei sc a t a l y t i c a l l ya c t i v ei n r e a c t i o ns y s t e m sc o n t a i n i n gi o n i cl i q u i d so ro r g a n i cs o l u t i o n w i t ht h em a s so fi o n i c l i q u i di n c r e a s i n g ，t h el a c c a s ea c t i v i t yw a sd e c r e a s e d t h el a c c a s ea c t i v i t yc a l lk e e pa ta l o wc o n d i t i o no f10 - 3 0 ( 埘) o r g a n i c s o l u t i o n - b u f f e r ，w h i l e 3 0 i o n i c l i q u i d s - b u f f e rc a nk e e pt h ec a t i v i t y5 0 a f t e r2 4h o u r s t h el a c c a s el o s ta c t i v i t y c o m p l e t e l yw h e ni tw a s t r e a t e dw i t h7 0 i o n i cl i q u i d sa to n c e k e y w o r d s ：l i g n i n ；i o n i cl i q u i d s ；m i c r o w a v e ；l a c c a s e i 山东大学硕士学位论文 符号说明及缩略词表 2 ，6 d m p 2 , 6 一d i m e t h o x y p h e n o l b m i m c 11 - b u t y l - 3 - m e t h y l i m i d a z o l i u mc h l o r i d e a b s c e l d m f d m s o f t - i r i l s l a c l i p m a e m c m n p m w m w l n m r p d a u v 二s i v c e l l u l o l y t i ce n z y m el i g n i n d i m e t h y lf o r m a m i d e d i m e t h y ls u l f o x i d e f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o m e t r y i o n i cl i q u i d s l a c c a s e l i g n i np e r o x i d a s e m i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o n m i c r o w a v ec h e m i c a l ， m a n g a n e s ep e r o x i d a s e m o l e c u l a rw e i g h t m i l l e dw o o dl i g n i n n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e p o t a t od e x t r o s ea g a r 2 ，6 一二甲氧基酚 氯化卜丁基- 3 - 甲 基咪唑 吸光度 酶分离木素 n ，n 一二甲基甲酰胺 二甲基亚砜 傅里叶红外光谱 离子液体 漆酶 木素过氧化物酶 微波辅助提取 微波化学 锰过氧化物酶 分子量 磨木木素 核磁共振 马铃薯葡萄糖琼脂 u l t r a v i o l e t - v i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t r y 紫外可见光谱 e x t i n c t i o nc o e 衔c i e n t 消光系数 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 木质纤维素是自然界最丰富的有机碳资源，在天然木质纤维类化合物中，主要包含 纤维素( c e l l u l o s e ) 、木素( 1 i g n i n ) 和半纤维素( h e m i c e l l u l o s e ) 等，它们是植物细 胞壁的主要组成成分，是地球上最丰富的可再生性生物能源( 高培基2 0 0 4 ) 。木素 是自然界仅次于纤维素的第二丰富的可再生资源，是天然最丰富的芳香高聚物。资 源危机和环境污染已成为人类社会面临的两大挑战，随着资源短缺和能源危机的加 剧，开发利用可再生资源替代传统石油化工能源，对于解决国家日益严峻的资源、 环境和生态问题，具有重大和深远的意义。很久以来人们已经意识到诸如农业残余、 林业废料、废纸、农作物类、木质纤维类生物质资源具有可以替代碳水化合物类作 为生物转化为生物能源，可以作为高附加值的生物产品潜能。( h i m m e le ta 1 ，2 0 0 7 ；l i p ，a 1 2 0 0 8 ) 。 木质素是裸子植物和被子植物特有的化学成分，生物圈中约含有3 x 1 0 1 1 吨，但 由于木素基团间的交联以及相当一部分木素与植物中纤维素和半纤维素之间以糖苷 键、缩醛键、酯键和醚键形式结合，以木素- 碳水化合物复合体( l i g n i n c a r b o h ) r d r a t e c o m p l e x e s ，l c c ) 体形式存在于植物细胞壁中，形成具有立体网状结构的巨分子。 这使得木素成为自然界最难降解的高聚物之一。木素的降解也成为制约纤维素工业 发展应用的一个瓶颈，同时也成为了自然界碳元素循环的限速步骤。对于造纸工业， 木素的包被作用又阻碍着纤维素的获得，使得无论是制浆还是漂白过程中需要消耗 大量的化学药品和能源，造成严重的环境污染。 在自然界中，木质素的完全降解是真菌、细菌及相应微生物群落共同作用的结 果，其中真菌起着主导作用。根据木材腐朽类型，降解木质素的真菌木腐菌可 分为白腐茵、褐腐菌和软腐菌3 类( t u o m e l am 2 0 0 0 ) 。其中真菌中的白腐菌能够 通过非特异性的氧化作用将木素彻底矿化成为c 0 2 和h 2 0 。故而，白腐真菌对木素 及芳香化合物的降解，受到微生物学家和环境学家的关注，成为环境治理和生物研 究的热点。 每年工业上利用酸碱溶剂，从化学浆中制得约2 6 x 1 0 7 吨木素( l uf ，r a l p hj 2 0 0 3 ) 。目前木素的分离和处理工艺上大量应用酸碱或者挥发性有机溶剂，对环境 山东大学硕士学位论文 造成极大污染( a d l e re 1 9 7 7 ) 。木质纤维材料在传统试剂中的不可溶解性也严重 的阻碍了木材以及其组分的有效利用( i l k k ak i l p e l , 五i n e n2 0 0 7 ) 。因此，人们 需要寻找一种能够很好的溶解木质纤维素并且能够有效使木素和纤维素分离的可循 环利用的的绿色溶剂。 室温离子液体作为一种室温下熔融的盐，是近年来兴起的一类极具应用前景的 环境友好型溶剂，以其特有的良溶剂性、强极性、不挥发、不氧化、对水和空气稳定 等优良性能而受到化学界的广泛关注，在化学合成、电化学、提取分离、材料制备等 诸多领域的应用日益为世人所关注，被认为能在许多领域代替易挥发化学溶剂的绿 色溶剂( b l a n c h a r dla1 9 9 9 ；w e l t o nt1 9 9 9 ；w i l l 【e sj2 0 0 2 ) 。最近，s w a t l o s k i 等发 现卜丁基一3 一甲基咪唑氯代离子液体( b m i m c 1 ) 可以溶解纤维素( s w a t l o s k i 2 0 0 2 ) ，为木质纤维素溶剂体系的开发研究开辟了一个新领域。 1 1 木素 木素是由苯丙烷基结构单元通过碳一碳键和醚键任意连接而成的具有三维空间 结构的天然高分子聚合物( a d l e re ta 1 ，1 9 7 7 ) 。木素只存在于具有维管束的羊齿类 以上高等植物细胞中，原本是白色或者接近无色的物质，针叶木材中木素约占干重 的2 4 3 3 ，阔叶木材中木素约占干重的1 6 2 4 ，麦草中木素约占1 5 2 5 。 木素作为植物进化的产物，增强了植物茎秆的机械强度，从而使得维管束单元具有 抵抗机械力毁坏的能力，同时具有抗张和抗压的能力。木质化的细胞壁同样能起到 阻止微生物的攻击和侵蚀，防止微生物的腐朽。 因为木素结构的复杂性、差异性、以及木素的难溶解的特性，使得木素的生物 降解十分困难，同样也增加了木素生物降解机制研究的难度。 1 1 1 木素及其结构 根据广泛接受的观点，木素可以被定义为一种非结晶性，无定型的，多聚芳香 族的大分子材料，是由苯丙烷单元通过醚键和碳一碳键连接而成的聚酚类三维网状高 分子芳香族化合物( 中野辈三1 9 8 0 ) 。其中醚键约占6 0 7 5 ，碳一碳键约占 2 山东大学硕士学位论文 2 5 3 0 。在植物体内，木素缺乏明确的二级结构，而是由苯丙烷单元先组装成三 种基本结构对羟苯基( h ) 型结构，愈创木基( g ) 型结构和紫丁香基( s ) 型 结构( 杨淑蕙2 0 0 1 ) 。如图1 1 所示。不同的原料中，木素结构单元所占比例也不 相同，如表1 1 所示( t r a s h i m a 1 9 9 3 ) 。 h 0 c - - c - - ch o c h 3 - - c - c - c - c 对羟苯基结构愈创木基结构紫丁香基结构 图1 - 1 苯丙烷单元基本结构 表1 1 不同植物原料中木素结构单元的比例( 1 0 0 个苯丙烷基结构) 木素结构单元之间的化学键有十几种之多，其中p o - 4 键( 愈创木基甘油p 芳 香基醚) 含量最高( c h r i s t i e m i n2 0 0 6 ) 。如针叶木素中d o - 4 键约占苯丙烷单元间 连接键的6 0 ，其他典型键型包括b 5 型( 苯基香豆满) 、5 5 型( 二联苯愈创木 基丙烷) 、a o - 4 型( 愈创木基甘油叶芳基醚) 和p 1 型( 愈创木基甘油1 3 芳基丙 烷) 和4 - 0 5 型( 愈创木基芳基醚) 等( 将挺大2 0 0 1 ，j i a n ge t a l 1 9 9 5 ) 。 从生物合成过程来看，这三种基本结构单元首先都是由葡萄糖发生芳环化反应 形成莽草酸( s h i k i m i ca c i d ) ，然后由莽草酸合成上述三种木质素的基本结构。最后 再由这三种基本结构聚合形成植物体内分子量更大的一些基本成分( t u o m e l am 2 0 0 0 ) 。这些基本成分再通过任意组合、共聚化后，形成了具有不均匀的，无旋光 性的、交差键和与高度分散结构的聚合物木质素。 由于木素结构的复杂性，至今还没有将任何一种木素的结构研究清楚，研究人 员通过分光光谱( s p e c t r o s c o p i cm e t h o d s ) 、核磁共振等方法的研究和分析， 逐步 山东大学硕士学位论文 对木素的结构单元与连接有了了解，其结构示意图见图1 2 所示( l i n d g r e n ，b 0 1 9 7 1 ) 。 1 1 2 木素分离提取 图1 2 木素结构示意图 由于木素的结构复杂、物理化学性质不均一，又较容易发生氧化，在受酸、碱、 热的作用时，木素结构都会发生不同程度的变化，甚至在机械处理时木素原本结构 也会发生变化。故而在提取和分离过程中木素原有结构可能会被破坏甚至发生木素 氧化、缩合和降解等问题，因此木素的分离方法十分关键，制定和选择分离方法要 遵循以下三个原则：( 1 ) 木素的得率要高；( 2 ) 分离出的木素纯度要高；( 3 ) 分 离过程尽量不要改变木素的原本结构( 刘玉2 0 0 5 ) 。 根据来源不同，木素可以分为原料木素、纸浆中的残余木素( r e s i d u a ll i g n i n ) 和黑液溶出木素( d i s s o l v e dl i g n i n ) 等。因其来源的不同，其分离方法也有所不同， 其中原料木素分离制备中结构易于发生变化，故而对分离手段要求苛刻。 自从1 9 5 6 年b j o r k m a n 分离出磨木木素( m i l l e dw o o dl i g n i n ，m w l ) 以来， 木素的分离方法得到不断改进，而对木素结构的分析也更深入。目前常用的木素分 离方法为磨木木素、酸解木素和酶分离木素。但是现有的木素提取过程中对木素结 4 山东大学硕士学位论文 构和完整性存在很大程度的破坏( g a l b ea n dz a c c h i ，2 0 0 7 ) ，见表1 - 2 ，故而不能取 得完整的天然木素。酶分离木素因为其分离条件温和，分离过程中木素结构变化较 小，也克服了细胞形态障碍等问题( o b s t ，j r 1 9 8 2 ) ，因此，酶分离木素一般作 为木素研究中的标准品。但酶分离木素在分离过程中，木素和碳水化合物的连接 l c c 没有被断裂开来，所以木素中含有碳水化合物，同时酶本身的蛋白质也会残留 在木素试样中，使得木素的纯度比较低。故而，寻求新的材料和新的方法成为木素 分离提取的关键，以及研究木素结构的前提。 咪唑类离子液体因其常温下呈液态，对木质纤维材料很好的溶解性，以及随着 水的加入离子液体可以使纤维素析出，通过减压抽滤的方法可使纤维素与木素很好 的分离，成为木素分离提取的新溶剂。并且离子液体木素因其作用条件温和，没有 强酸强碱的加入，故而提取的离子液体木素化学改性小，结构上更加接近天然木素。 表卜2 木素的分离方法及其特征( 孙勇等2 0 0 5 ) 山东大学硕士学位论文 1 1 3 木素结构分析 木素结构中存在较多的羰基、羧基、脂肪族羟基、酚羟基和甲氧基，p - o - 4 芳基 醚键、甲氧基等( 詹怀宇2 0 0 5 ) ，因此对木素结构的分析主要是测定木素结构中各 种官能团和结构单元的连接频率。 用于木素结构分析的手段主要有紫外光谱( u v ) 、红外光谱( i r ) 、凝胶渗透 色谱( g p c ) 、气质联用( g c m s ) 、核磁共振( n m r ) 等。光谱分析主要依据能 级跃迁理论，根据木素光谱个吸收峰的位置和形状与已知结构的木素模型物的光谱 做比较，可推断出木素的基本结构。或者根据特征吸收峰的强度，推测每种基团相 应的量的大小。 1 1 3 1 紫外吸收光谱 因为木素的基本结构为苯丙烷基结构单元，以及木素中的各种发色基团，对紫 外光具有强烈的吸收，而作为碳水化合物的纤维素，半纤维素类则几乎没有吸收峰， 故而可以选择特定的条件，用紫外光谱法鉴定木质纤维材料中的木素的结构，性质 和含量。木素的紫外吸收峰一般在2 0 5n m 和2 8 0n m 附近。 1 1 3 2 红外吸收光谱 物质的红外光谱是分子结构的反应，图谱中的吸收峰与分子中的各集团的振动 形式相对应。红外光谱能反映出木素的细微结构，是鉴定木素及其衍生物的有效手 段。木素最特征的红外光谱在1 5 1 0 c r a - 1 、1 6 0 0 c m - 1 ( 芳基环振动) 和1 4 7 0 c m 1 、 1 4 6 0 c m 1 ( c h 变形和芳基环振动) ，在这些光谱的波数范围内很少有其它光带， 因此可以用来去定未知样品中是否有木素的存在( 石淑兰等2 0 0 3 ) 。且木素中的 羟基、羧基、羰基等多种官能基团也能通过红外光谱有效测定，通过这些基团的吸 收强度的改变，有效的表示木素的降解情况。 1 2 木素的生物降解 6 自1 9 8 5 年b u m p u s 等在s c i e n c e 上报道白腐真菌对持久环境污染物的降解 ( b u m p u se ta 1 1 9 8 5 ) 一系列降解复杂芳香化合物的真菌受到了微生物学和环境毒 变仅仅是羟基化，脱甲基等，几乎不能或很少涉及芳环的开裂( e r i k s s o n1 9 8 1 ) 。褐 腐菌致使最终的降解产物含有褐色的木质素成分。软腐菌降解多聚糖的作用优于降 解木质素的作用，它一般只能分解纤维素，木质素则被完整地保留下来。白腐真菌 因其对木素的完全降解能力和对异生质的独特降解能力而颇受关注。 白腐菌( w h i t er o tf u n g i ) 是一类能够引起木质白色腐烂功能的丝状真菌的总称 ( 李慧蓉2 0 0 5 ) ，大多数为担子菌，少数为子囊菌，是研究最为深入、应用最为广泛 的木素降解微生物( g e n ge ta 1 2 0 0 2 ) 。其模式菌种黄孢原毛平革菌( p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m ) 是目前研究最多的木腐微生物( k e r s t e ne ta 1 2 0 0 7 ； k i r ke ta