半纤维素定义和作用

1、半纤维素定义和作用半纤维素定义和作用1. 半纤维素的组成与分布半纤维素的组成与分布1.1 半纤维素的概述半纤维素的概述l SchulzeSchulze于于18911891年提出，表示植物中能够用碱液抽提出来的年提出，表示植物中能够用碱液抽提出来的聚糖。聚糖。l AspinallAspinall于于19621962年提出，年提出，“半纤维素是来源于植物的聚糖半纤维素是来源于植物的聚糖类，它们分别含有一至几种糖基，如类，它们分别含有一至几种糖基，如D D- -木糖基、木糖基、D-D-甘露糖甘露糖与与D-D-葡萄糖或葡萄糖或D-D-半乳糖基的主链，其它糖基可成为支链半乳糖基的主链，其它糖基可成为支链

2、, ,连连接在主链上。接在主链上。”l TimellTimell于于19641964年指出，年指出，“半纤维素是低分子量的聚糖类，半纤维素是低分子量的聚糖类，它和纤维素正常的产生在植物组织之中，用碱液可提取出它和纤维素正常的产生在植物组织之中，用碱液可提取出来来”l “非纤维素的碳水化合物非纤维素的碳水化合物”这个名词，学术上合理，但由这个名词，学术上合理，但由于半纤维素应用已久，仍习惯沿用。于半纤维素应用已久，仍习惯沿用。半纤维半纤维素与纤维素之间的化学结构差别素与纤维素之间的化学结构差别 不同的糖单元组成；不同的糖单元组成； 短得多的分子链；短得多的分子链； 分子中的分子中的支链；支链；

3、其主链可由一种糖单元构成为均一聚其主链可由一种糖单元构成为均一聚糖；也可由二或更多糖；也可由二或更多 种糖单元构成的非均聚糖；种糖单元构成的非均聚糖； 有些糖单元常是或有时以支链连接到主链上有些糖单元常是或有时以支链连接到主链上。半纤维素不像纤维素那样，仅有葡萄糖基相互以半纤维素不像纤维素那样，仅有葡萄糖基相互以-1，4联接方式形成直链结联接方式形成直链结构的均一聚糖的单一型式。而半纤维素既可成均一聚糖也可成非均聚糖，构的均一聚糖的单一型式。而半纤维素既可成均一聚糖也可成非均聚糖，它还可以由不同的单糖基以不同联接方式连接成结构互不相同的多种结构它还可以由不同的单糖基以不同联接方式连接成结构互不

4、相同的多种结构的各种聚糖，故半纤维素实际是这样一群共聚物的总称。的各种聚糖，故半纤维素实际是这样一群共聚物的总称。 半纤维素的命名半纤维素的命名半纤维素（及其他不均聚糖）的命名有两种：半纤维素（及其他不均聚糖）的命名有两种： 主链糖基法主链糖基法 命名时只写出主链糖基命名时只写出主链糖基, ,前面加前面加“聚聚”字，此法不常用。字，此法不常用。 列出各种糖基列出各种糖基 先枝后主，先少后多，前面加一聚字，此法常用。先枝后主，先少后多，前面加一聚字，此法常用。 聚聚C糖糖B糖糖A糖糖聚聚A糖糖 组成半纤维素的组成半纤维素的主要糖主要糖单元单元（1 1）己糖基：）己糖基：D-D-葡萄糖葡萄糖(Gl

5、ucose)(Glucose)、D-D-甘露糖甘露糖(Mannose)(Mannose)、 D-D-半乳糖半乳糖(Galactose)(Galactose)（2 2）戊糖基：）戊糖基：D-D-木糖木糖(Xylose)(Xylose)、L-L-阿拉伯糖阿拉伯糖(Arabinose)(Arabinose)（3 3）己糖醛酸基：）己糖醛酸基：D-D-葡萄糖醛酸（葡萄糖醛酸（Glucuronic acidGlucuronic acid）、）、 4-O-4-O-甲基甲基-D-D-葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸 （4-O-Methyl-D-Glucuronic acid 4-O-Methyl-D-Glucuroni

6、c acid ） D-D-半乳糖醛酸（半乳糖醛酸（Galacturonic acidGalacturonic acid）（4 4）脱氧己糖基：）脱氧己糖基：L-L-鼠李糖鼠李糖(Rhamnose)(Rhamnose)、L-L-岩藻糖岩藻糖(Fucose)(Fucose)注意：注意：还有一些聚糖类，如果胶质、淀粉、植物胶、种子与树皮中的胶水类物质。还有一些聚糖类，如果胶质、淀粉、植物胶、种子与树皮中的胶水类物质。它们也是由几种糖基组成的混合聚糖，由于它们的含量少，一般把它们归它们也是由几种糖基组成的混合聚糖，由于它们的含量少，一般把它们归为少量组分中，不划归为半纤维素。为少量组分中，不划归为半纤

7、维素。1.2 半纤维素的组成半纤维素的组成 糖单元的缩写：通常都采用该糖单元英文名称的前三个字母。糖单元的缩写：通常都采用该糖单元英文名称的前三个字母。（1 1）己糖基：）己糖基：D-D-葡萄糖葡萄糖(Glu)(Glu)、D-D-甘露糖甘露糖(Man)(Man)、 D-D-半乳糖半乳糖(Gal)(Gal)（2 2）戊糖基：）戊糖基：D-D-木糖木糖(Xyl)(Xyl)、L-L-阿拉伯糖阿拉伯糖(Ara)(Ara)（3 3）己糖醛酸基：）己糖醛酸基：D-D-葡萄糖醛酸（葡萄糖醛酸（GluA)GluA)、 4-O-4-O-甲基甲基-D-D-葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸 （4-O-Me-D-GluA 4-O

8、-Me-D-GluA ） D-D-半乳糖醛酸（半乳糖醛酸（GalAGalA）（4 4）脱氧己糖基：）脱氧己糖基：L-L-鼠李糖鼠李糖(Rha)(Rha)、L-L-岩藻糖岩藻糖(Fuc)(Fuc) 组成半纤维素组成半纤维素主要糖主要糖单元的结构式单元的结构式 针叶材、阔叶材与草类原料中半纤维素的种类和数量不同。针叶材、阔叶材与草类原料中半纤维素的种类和数量不同。1.2 半纤维素的组成半纤维素的组成 禾本科植物的半纤维素主要是阿拉伯糖禾本科植物的半纤维素主要是阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖。甲基葡萄糖醛酸木糖。1.3 半纤维素的分布半纤维素的分布半纤维素在纤维细胞壁中的分布情况，对制浆过程木

9、质素的脱半纤维素在纤维细胞壁中的分布情况，对制浆过程木质素的脱除和纸张性质有一定影响。除和纸张性质有一定影响。1.4 研究半纤维素在纤维细胞壁分布的方法研究半纤维素在纤维细胞壁分布的方法 化学剥皮法化学剥皮法 在不同润胀条件下，使纤维部分酯化，在纤维外表形成一在不同润胀条件下，使纤维部分酯化，在纤维外表形成一层环形圆柱形的酯类物质。层环形圆柱形的酯类物质。 用溶剂溶解用溶剂溶解(剥皮剥皮)生成酯的溶液，再用硫酸水解后分析酯生成酯的溶液，再用硫酸水解后分析酯的水解液。的水解液。 留下未酯化的纤维残余物，用同样方法酯化、留下未酯化的纤维残余物，用同样方法酯化、“剥皮剥皮”、分析，可以知道沿纤维细胞

10、壁径向分布的半纤维素的含量分析，可以知道沿纤维细胞壁径向分布的半纤维素的含量和糖组分的情况。和糖组分的情况。1.4 研究半纤维素在纤维细胞壁分布的方法研究半纤维素在纤维细胞壁分布的方法 骨架法骨架法 将木粉制成综纤维素后，用碱抽提或稀酸水解除去半纤维将木粉制成综纤维素后，用碱抽提或稀酸水解除去半纤维素，在试样上留下骨架。素，在试样上留下骨架。 利用电子显微镜观察骨架与除半纤维素前的细胞壁比较，利用电子显微镜观察骨架与除半纤维素前的细胞壁比较，破坏得比较严重的位置就是半纤维素溶出较多的部位，从破坏得比较严重的位置就是半纤维素溶出较多的部位，从而了解其分布。而了解其分布。 染色法染色法 利用半纤维

11、素的还原性醛末端基容易被氧化成羧基，金属离利用半纤维素的还原性醛末端基容易被氧化成羧基，金属离子与羧基反应后在电子显微镜上显示较深颜色。子与羧基反应后在电子显微镜上显示较深颜色。 半纤维素的醛基数是纤维素的半纤维素的醛基数是纤维素的20一一40倍，羧基多色深。倍，羧基多色深。 根据颜色深浅程度可以观察半纤维素的分布。根据颜色深浅程度可以观察半纤维素的分布。1.5 半纤维素与植物细胞壁中其他组分之间的连接半纤维素与植物细胞壁中其他组分之间的连接 近年来的研究表明，半纤维素、纤维素和蛋白质之间有化近年来的研究表明，半纤维素、纤维素和蛋白质之间有化学键连接或者紧密结合。学键连接或者紧密结合。 （1

12、1）半纤维素和木质素之间的连接）半纤维素和木质素之间的连接 木质素与半纤维素之间存在着化学连接，形成木质素与碳木质素与半纤维素之间存在着化学连接，形成木质素与碳水化合物复合体水化合物复合体LCC (lignin-carbohydrate complex)。 （2 2）半纤维素和纤维素之间的连接）半纤维素和纤维素之间的连接 目前普遍认为在植物细胞壁中纤维素和半纤维素之间没有目前普遍认为在植物细胞壁中纤维素和半纤维素之间没有共价键连接。但半纤维素与纤维素微细纤维之间有氢键连共价键连接。但半纤维素与纤维素微细纤维之间有氢键连接和范德华作用力，从而形成两者之间的紧密结合。接和范德华作用力，从而形成两者

13、之间的紧密结合。（3 3）半纤维素和蛋白质之间的连接）半纤维素和蛋白质之间的连接 植物细胞初生壁中含有植物细胞初生壁中含有2%10%的蛋白质，蛋白质与半的蛋白质，蛋白质与半纤维素之间有化学连接。纤维素之间有化学连接。 2. 半纤维素的分离半纤维素的分离木质素与半纤维素之间有化学连接，纤维素与半纤维素之间虽然没有化学木质素与半纤维素之间有化学连接，纤维素与半纤维素之间虽然没有化学连接，但它们之间的结合比较紧密，所以，半纤维素的分离是比较困难和连接，但它们之间的结合比较紧密，所以，半纤维素的分离是比较困难和复杂的。复杂的。2.1 分离前的准备分离前的准备（1 1）半纤维素可从植物纤维原料分离。）半

14、纤维素可从植物纤维原料分离。 首先需用中性有机溶剂处理，有些特殊原料还需进行水抽提，得到无抽首先需用中性有机溶剂处理，有些特殊原料还需进行水抽提，得到无抽提物的原料，以此作为起始物料。阔叶材和草类可利用此直接抽提法。提物的原料，以此作为起始物料。阔叶材和草类可利用此直接抽提法。（2 2）半纤维素可从从综纤维素或纸浆中分离。）半纤维素可从从综纤维素或纸浆中分离。 针叶材一般经无抽提物制成综纤维素后再抽提分离半纤维素。针叶材一般经无抽提物制成综纤维素后再抽提分离半纤维素。 落叶松（含有较高量的水溶性聚阿拉伯糖半乳糖）除外。落叶松（含有较高量的水溶性聚阿拉伯糖半乳糖）除外。2.2 半纤维素的分离半纤

15、维素的分离 浓碱溶解硼酸络合分级抽提法浓碱溶解硼酸络合分级抽提法 逐步提高碱浓度分级抽提法逐步提高碱浓度分级抽提法 单纯碱抽提法单纯碱抽提法 碱性过氧化物抽提法碱性过氧化物抽提法 氢氧化钡选择性分级抽提法氢氧化钡选择性分级抽提法 二甲亚砜抽提法二甲亚砜抽提法 超声辅助抽提法等其他新方法超声辅助抽提法等其他新方法 分离半纤维素一般是用各种溶剂抽提综纤维素，利用不同浓度的碱液分离半纤维素一般是用各种溶剂抽提综纤维素，利用不同浓度的碱液与某些助剂的共同作用或某种有机溶剂的单独作用，将不同的聚糖抽与某些助剂的共同作用或某种有机溶剂的单独作用，将不同的聚糖抽提出来并加以分离。提出来并加以分离。 各种植物

16、纤维原料中的半纤维素组成和结构特性各不相同，分离方法各种植物纤维原料中的半纤维素组成和结构特性各不相同，分离方法也不尽相同，常用的方法如下：也不尽相同，常用的方法如下：浓碱溶解硼酸络合分级抽提法浓碱溶解硼酸络合分级抽提法 溶液 聚木糖 沉淀聚半乳糖葡萄糖甘露糖24%KOH溶解Ba(OH)2沉淀 针叶木综纤维素针叶木综纤维素 抽出液抽出液 粗聚木糖粗聚木糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖 聚木糖聚木糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖乙醇乙醇不溶性残渣不溶性残渣不溶性残渣不溶性残渣溶液溶液聚葡萄糖甘露糖聚葡萄糖甘露糖聚葡萄糖甘露糖聚葡萄糖甘露糖Ba2+络合物络合物聚葡萄糖甘露糖聚葡

17、萄糖甘露糖乙醇沉淀乙醇沉淀17.5%NaOH+4%H3BO35%Ba(OH)250%HAC乙醇沉淀乙醇沉淀24%KOHNaClO脱木素脱木素氢氧化钡选择性分级抽提法氢氧化钡选择性分级抽提法阔叶木半纤维素的分离阔叶木半纤维素的分离 阔叶木的半纤维素主要是聚木糖类，只有很少量的聚萄糖阔叶木的半纤维素主要是聚木糖类，只有很少量的聚萄糖甘露糖，故而可以只抽提聚木糖。用甘露糖，故而可以只抽提聚木糖。用KOH抽提木粉或综抽提木粉或综纤维素即可分离。纤维素即可分离。 如经有机溶剂抽提的桦木用如经有机溶剂抽提的桦木用10%KOH抽提，抽提所得聚抽提，抽提所得聚木糖溶液用含过量醋酸的乙醇液沉淀，所得聚木糖沉淀用

18、木糖溶液用含过量醋酸的乙醇液沉淀，所得聚木糖沉淀用5% KOH溶解，再用含醋酸的乙醇液沉淀进行提纯。溶解，再用含醋酸的乙醇液沉淀进行提纯。 如需将聚葡萄糖甘露糖分离出来，可按下图进行。如需将聚葡萄糖甘露糖分离出来，可按下图进行。阔叶木半纤维素的分离阔叶木半纤维素的分离不溶残渣不溶残渣聚葡萄糖甘露糖聚葡萄糖甘露糖 56%得率得率Ba(OH)2沉淀沉淀 白桦综纤维素白桦综纤维素 抽出液抽出液聚聚4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖甲基葡萄糖醛酸木糖 抽出液抽出液粗聚葡萄糖甘露糖粗聚葡萄糖甘露糖 81%得率得率不溶性残渣不溶性残渣-纤维素纤维素KOH不溶性残渣不溶性残渣NaOH+硼酸盐硼酸盐 溶液溶液 聚木糖

19、聚木糖 聚葡萄糖甘露糖聚葡萄糖甘露糖 1.1.聚半乳糖葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖3. 半纤维素的化学结构半纤维素的化学结构3.1 半纤维素聚糖的类型及化学结构式半纤维素聚糖的类型及化学结构式（一）针叶木（一）针叶木 针叶木半纤维素中最多的是聚半乳糖葡萄糖甘露针叶木半纤维素中最多的是聚半乳糖葡萄糖甘露糖，含量大约为糖，含量大约为20%20%。 包括两类结构：包括两类结构： 一类含有少量（一类含有少量（3-5%3-5%）的半乳糖基；）的半乳糖基； 另一类含有的半乳糖基较多一些（少量）。另一类含有的半乳糖基较多一些（少量）。结构特点： a、主链：D葡萄糖与D甘露糖通过-1,4苷键联接； b、

20、支链：半乳糖与主链糖基在C6上形成-1,6苷键联接。 c、O乙酰基约含6%，一般与主链的甘露糖基及葡萄糖基在C2或C3位上形成醋酸酯。 -4- -D-Glcp-1-4- -D-Manp-1-4- -D-Manp-1-4- -D-Manp-1- 6 2,3 1 -D-Galp Ac 聚半乳糖葡萄糖甘露糖聚半乳糖葡萄糖甘露糖R=CHR=CH3 3COCO或或H H2.2.聚阿拉伯糖聚阿拉伯糖-4-4-O O- -甲基甲基- -葡萄糖醛酸木糖葡萄糖醛酸木糖 在针叶木中的含量一般约为在针叶木中的含量一般约为7%12%，有些低于，有些低于7%。 结构特点：结构特点： a a、主链：、主链：D吡喃式木糖基

21、，吡喃式木糖基，通过通过-1,4-1,4苷键联苷键联接。接。 b b、支链：、支链：4O甲基葡萄糖醛酸联接到主链木糖甲基葡萄糖醛酸联接到主链木糖基的基的C C2 2上，有上，有L呋喃式阿拉伯糖基联接到呋喃式阿拉伯糖基联接到C C3 3上，上，还有少量的木糖支链存在，不含乙酰基。还有少量的木糖支链存在，不含乙酰基。 聚阿拉伯糖聚阿拉伯糖-4-4-O O- -甲基葡萄糖醛酸木糖甲基葡萄糖醛酸木糖 -3- -D-Galp1-3- -D-Galp1-3- -D-Galp1-3- -D-Galp1-3- -D-Galp1- 6 6 6 6 6 1 1 1 1 1 -D-Galp -D-Galp -D-G

22、alp R -L-Araf 6 6 6 3 1 1 1 1 -D-Galp -D-Galp -D-Galp -L-Arap R可为可为 -D-Galp或较少情况是或较少情况是 -L-Araf 或或 -D-GlcpA 3.3.聚阿拉伯糖半乳糖聚阿拉伯糖半乳糖 这种聚糖在针叶木中都存在，一般含量很少，但落叶松属含这种聚糖在针叶木中都存在，一般含量很少，但落叶松属含量比较多，约量比较多，约5%30%。 特点：特点：ua、是高分枝度水溶性聚糖；、是高分枝度水溶性聚糖；ub、常与水溶性的聚半乳糖葡萄糖甘露糖一起存在；、常与水溶性的聚半乳糖葡萄糖甘露糖一起存在；uc c、主链是、主链是- -1,3键键联接

23、的联接的D吡喃式半乳糖基；吡喃式半乳糖基；ud d、支链是、支链是L呋喃式阿拉伯糖基联接于主链半乳糖呋喃式阿拉伯糖基联接于主链半乳糖基的基的C C6 6上。上。 (还有其他支链还有其他支链)1.1.聚聚- -O O- -乙酰基乙酰基-4-O-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖甲基葡萄糖醛酸木糖（二）阔叶木（二）阔叶木-4- -D-Xylp1-4- -D-Xylp1-4- -D-Xylp1-4- -D-Xylp1- 3 2 67 1 R 4-O-Me- -D-GlcpA R=AC ( CH3CO-)1 一般占木材的一般占木材的20%25%，也有高达，也有高达35%。特点：特点：u主链：主链：D吡喃式木糖

24、基通过吡喃式木糖基通过-1,4-1,4苷键联接而苷键联接而成。成。u支链：乙酰基与主链支链：乙酰基与主链C C3 3成醋酸酯联接，成醋酸酯联接， 4O甲基甲基D吡喃式葡萄糖醛酸吡喃式葡萄糖醛酸基一般联接到主链木糖基基一般联接到主链木糖基C C2 2位上。位上。-1-4- -D-Xylp1-4- -D-Xylp1-3- - L-Ra1-2- -D-GaAp-1-4- -D-Xylp2.2.聚葡萄糖甘露糖聚葡萄糖甘露糖3.3.聚鼠李糖半乳糖醛酸木糖聚鼠李糖半乳糖醛酸木糖-4- -D-Glcp-1-4- -D-Manp-1-4- -D-Glcp-1-4- -D-Manp-1-4- -D-Manp-1

25、- 一般在阔叶木中的含量为一般在阔叶木中的含量为3%5%；葡萄糖基与甘；葡萄糖基与甘露糖基的比例为：露糖基的比例为：1:21:1；是否乙酰化尚未清楚。；是否乙酰化尚未清楚。桦木半纤维素中含有聚鼠李糖半乳糖醛酸木糖，桦木半纤维素中含有聚鼠李糖半乳糖醛酸木糖，鼠李糖基联接在两个相邻木糖基与半乳糖醛酸基之间。鼠李糖基联接在两个相邻木糖基与半乳糖醛酸基之间。4.4.聚木糖葡萄糖聚木糖葡萄糖 在阔叶木细胞初生壁中含有较大量的聚木糖葡萄糖类半纤维在阔叶木细胞初生壁中含有较大量的聚木糖葡萄糖类半纤维素，其在初生壁中的含量为素，其在初生壁中的含量为20%25%。聚木糖葡萄糖的。聚木糖葡萄糖的化学结构有多种形式

26、。化学结构有多种形式。-4- -D-Glcp-1-4- -D-Glcp-1-4- -D-Glcp-1-4- -D-Glcp-1- 66 1 -D-Xylp6 1 -D-Xylp1 -D-Xylp特点：特点：（1 1）主链由）主链由-D-D-葡萄糖基构成；葡萄糖基构成；（2 2）主链的糖基的）主链的糖基的C C6 6位置上链有位置上链有-D-D-木糖基；木糖基；（3 3）木糖基上有时还连接有岩藻糖和乙酰基。）木糖基上有时还连接有岩藻糖和乙酰基。3.2 研究半纤维素化学结构的方法l 在鉴定半纤维化学结构之前，首先需制得均一性好，变化少在鉴定半纤维化学结构之前，首先需制得均一性好，变化少和得率高的试

27、样。和得率高的试样。l 试样还需证实为纯试样。可测定试样的比旋光度、糖基比及试样还需证实为纯试样。可测定试样的比旋光度、糖基比及其它特性系数都恒定来确认。其它特性系数都恒定来确认。l 研究内容包括：研究内容包括：半纤维素聚糖由哪些单糖构成？各单糖游离羟基的数目和位置？半纤维素聚糖由哪些单糖构成？各单糖游离羟基的数目和位置？单糖的环型结构？单糖间的连接方式？结构中支链的种类？支单糖的环型结构？单糖间的连接方式？结构中支链的种类？支链的分布？聚糖分子量及分子量分布等。链的分布？聚糖分子量及分子量分布等。 糖基的分析糖基的分析 甲基化分析甲基化分析 部分水解法部分水解法 高碘酸盐氧化法高碘酸盐氧化法

28、 Smith降解法降解法 其他研究方法其他研究方法研究半纤维素化学结构的主要方法： 糖基的分析l 目的：为了弄清楚半纤维素的种类和纯度，以及进一步作为目的：为了弄清楚半纤维素的种类和纯度，以及进一步作为决定化学结构的基础。决定化学结构的基础。l方法：酸水解试样，然后用色谱法对所得的单糖进行分离和方法：酸水解试样，然后用色谱法对所得的单糖进行分离和定量。定量。（1 1）酸性水解）酸性水解一般分两级进行：第一级用浓硫酸室温水解；第二级用稀酸高一般分两级进行：第一级用浓硫酸室温水解；第二级用稀酸高温水解。常用的酸为硫酸和盐酸。温水解。常用的酸为硫酸和盐酸。近年来推出用三氟乙酸（近年来推出用三氟乙酸（

29、TFATFA），可更适用于各种原料，且水解），可更适用于各种原料，且水解后可蒸发除去后可蒸发除去TFATFA。（2 2）单糖的定性和定量）单糖的定性和定量分离的方法可用纸色谱法、薄层色谱法、气相色谱法和液相色分离的方法可用纸色谱法、薄层色谱法、气相色谱法和液相色谱法等。谱法等。 气相色谱法原理：用硫酸把造纸原料或纸浆中的纤维素和半纤维素水解成原理：用硫酸把造纸原料或纸浆中的纤维素和半纤维素水解成单糖，以碳酸铅中和后采用硼氢化钠还原，使之成为糖醇，糖单糖，以碳酸铅中和后采用硼氢化钠还原，使之成为糖醇，糖醇与乙酸酐酯化成衍生物，然后进行气相色谱分析，内标法定醇与乙酸酐酯化成衍生物，然后进行气相色谱

30、分析，内标法定量。量。硼氢化钠还原：使一种单糖出现一个峰，适合定量分析。硼氢化钠还原：使一种单糖出现一个峰，适合定量分析。衍生化：将单糖转化为受热后具有挥发性和热稳定性的衍生物。衍生化：将单糖转化为受热后具有挥发性和热稳定性的衍生物。内标物：肌醇标准品内标物：肌醇标准品GB/T 12033-2008 造纸原料和纸浆中糖类组分的气相色谱的测定造纸原料和纸浆中糖类组分的气相色谱的测定 气相色谱法 甲基化分析l 目的：用于鉴定主链糖基和支链糖基或糖醛酸基的联接位置。目的：用于鉴定主链糖基和支链糖基或糖醛酸基的联接位置。l 方法：方法：（1 1）首先将聚糖全部甲基化）首先将聚糖全部甲基化（2 2）进行

31、甲醇解或酸水解，得到中性糖经水解后用气相色谱分析）进行甲醇解或酸水解，得到中性糖经水解后用气相色谱分析其糖组分结构其糖组分结构（3 3）对酸性糖要先还原、水解后用气相色谱分析）对酸性糖要先还原、水解后用气相色谱分析（4 4）哪个位置上没有甲氧基，就表示该位置为联接的位置）哪个位置上没有甲氧基，就表示该位置为联接的位置 中性部分1,4联接联接l白桦聚木糖完全甲基化，然后在不使任何形式醛式糖醛白桦聚木糖完全甲基化，然后在不使任何形式醛式糖醛酸裂开的条件下甲醇解，所得配糖化物被定量分离成中性酸裂开的条件下甲醇解，所得配糖化物被定量分离成中性部分和酸性部分。部分和酸性部分。 酸性部分2，3，4-三三-

32、甲氧基甲氧基-D葡萄糖葡萄糖3-甲氧基甲氧基-D-木糖木糖 葡糖糖醛酸的葡糖糖醛酸的C1上无甲氧基，是与木糖基联接的位置；木上无甲氧基，是与木糖基联接的位置；木糖基的糖基的C1、 C2和和C4上无甲氧基，上无甲氧基， C1和和C4 是主链木糖基联是主链木糖基联接的位置，接的位置， C2与葡萄糖醛酸的与葡萄糖醛酸的C1 形成形成1,2联接。联接。 目的：主要用于鉴定主链糖基与支链糖基或糖醛酸基的联接位置。 方法： （1）聚糖用甲酸或低浓度的硫酸，先部分水解为低聚糖，包括酸性糖和中性糖以及形成的单糖和糖醛酸； （2）用阴离子交换树脂分离酸性糖和中性糖； （3）酸性糖经酯化及甲基化，用氢化铝锂还原和

33、水解，从水解产物确定聚糖的支链在主链上的联接位置； （4）中性糖直接甲基化、水解、GC检测。 部分水解法部分水解法l 以白桦的综纤维素为原料，用碱溶液抽提得到半纤维素。l 将半纤维素水解，得到糖的混合物，主要含糖醛酸和木糖。l 用阴离子交换树脂将两种糖分离。l 糖醛酸用色谱法分成三组糖醛酸。 第一种为少量己糖酸，它能还原成半乳糖，因此，它是半乳糖醛酸，此糖醛酸被认为是来自被包藏的果胶物料中。 第二种是单-O-甲基糖醛酸，将其酯化，还原成4-O-甲基-D-葡萄糖，证明是4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸。 第三种糖醛酸为单-O-甲基醛式糖醛酸 将其完全甲基化，还原，水解，得到 3，4-二氧甲基-D-木

34、糖（C2上无甲基） 及2，3，4-三氧甲基-D-葡萄糖（C1上无甲基）。 证明：4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸基联接接在木糖的C2位，且是1,2连接。 高碘酸盐氧化法高碘酸盐氧化法l 目的：利用高碘酸盐的氧化作用，可以测定聚糖的还原性末目的：利用高碘酸盐的氧化作用，可以测定聚糖的还原性末端基和支链的数量。端基和支链的数量。l原理：聚糖经高碘酸盐氧化后，某些糖基上的原理：聚糖经高碘酸盐氧化后，某些糖基上的C-CC-C键断裂，形键断裂，形成一成一CHOCHO基，并生成甲酸。根据高碘酸盐的消耗量和产生的甲酸基，并生成甲酸。根据高碘酸盐的消耗量和产生的甲酸量，可以测定聚糖还原性末端基和支链的数量。量，可

35、以测定聚糖还原性末端基和支链的数量。高碘酸盐对聚糖的氧化作因糖基的情况而异：高碘酸盐对聚糖的氧化作因糖基的情况而异：（1 1）聚糖上的还原末端基形成两个醛基，并生成两分子甲酸）聚糖上的还原末端基形成两个醛基，并生成两分子甲酸（2）对非还原末端基形成两个醛基，但只生成一分子甲酸）对非还原末端基形成两个醛基，但只生成一分子甲酸（3）其他糖基如在）其他糖基如在C2或或C3上无支链，形成两个醛基，不生成上无支链，形成两个醛基，不生成 甲酸甲酸（4）其他糖基如在）其他糖基如在C2或或C3上有支链，则不会形成醛基上有支链，则不会形成醛基（5）每个还原性和非还原性末端基氧化时都要消耗两个分子）每个还原性和非

36、还原性末端基氧化时都要消耗两个分子高碘酸盐，而高碘酸盐，而C2和和C3氧化只消耗氧化只消耗1分子高碘酸盐。分子高碘酸盐。l 亚砷酸盐法l 碘量法（1）取5ml高碘酸盐氧化液放入三角瓶中，迅速加入40ml水， 2ml20%KI，硫酸溶液（2）用硫代硫酸酸钠滴定生成碘，以淀粉做指示剂l 光谱法（1）将试样溶解在高碘酸盐溶液中，在黑暗中保持35（2）用注射器吸取少量溶液，稀释250倍，在223nm测定其吸光度（3）与高碘酸原液(稀释250倍)和同浓度高碘酸盐作比较 (前者吸光度A为，后者为0.1)。高碘酸盐的消耗量的测定高碘酸盐的消耗量的测定从上述关系，可以计算还原性末端基的数量和支链的数量。从上述

37、关系，可以计算还原性末端基的数量和支链的数量。l 电位滴定法 （1）取高碘酸盐反应液10ml，加入无酸乙二醇1ml，摇匀后在室温下放10min （2）通入10min氮气，用氢氧化钠（无CO2）进行电位滴定，滴定过程继续通气。l NaOH滴定法 （1）试样的处理同上 （2）用氢氧化钠或氢氧化钡滴定，用甲基红指示剂 （3）作空白试验，两者差值（酸度差）为甲酸的生成量l 碘量法甲酸的测定甲酸的测定此法是在高碘酸盐氧化法的基础上发展起来的方法。原理：l 聚糖先经高碘酸盐氧化后，用硼氢化物还原形成多元醇l 然后酸水解，其产物视糖基不同而异l 用气相色谱测定水解产物的种类和数量，可测定聚糖结构 Smith

38、降解法降解法聚木糖主链的聚木糖主链的Smith降解反应降解反应反应特征：反应特征：（1）还原性末端基反应后生成）还原性末端基反应后生成2个甲酸和个甲酸和1个甘油；个甘油；（2）非还原性末端基反应后生成）非还原性末端基反应后生成1个甲酸，个甲酸，1个乙二醇和个乙二醇和1个羟个羟基乙醛；基乙醛；（3）聚木糖主链中间部分，每个木糖基反应生成）聚木糖主链中间部分，每个木糖基反应生成1个甘油和个甘油和1个个羟基乙醛。羟基乙醛最后也能还原为乙二醇；羟基乙醛。羟基乙醛最后也能还原为乙二醇；（4）聚木糖主链中间与支链联接于）聚木糖主链中间与支链联接于C2或或 C3的木糖基不发生反的木糖基不发生反应，产物为应，

39、产物为D-木糖。木糖。 因此，当因此，当Smith降解法得到大量的丙三醇及少量未氧化的降解法得到大量的丙三醇及少量未氧化的D-木木糖，则表明聚木糖主链是糖，则表明聚木糖主链是1,4联接，少量木糖基联接，少量木糖基C2或或 C3与支与支链联接。链联接。 聚木糖各种糖醛酸支链的聚木糖各种糖醛酸支链的Smith降解反应降解反应 半纤维素聚木糖的葡萄糖醛酸半纤维素聚木糖的葡萄糖醛酸SmithSmith降解得到降解得到2-O-2-O-甲基甲基- -赤藓醇，赤藓醇，从其数量可计算出从其数量可计算出4-O-4-O-甲基甲基- -葡萄糖醛酸基支链的数目。葡萄糖醛酸基支链的数目。 此外，还可用气相色谱-质谱联用

40、法及13C谱和1谱根据化学位移来确定糖基结构。 质谱法原理： 利用电磁学原理，使分子、原子电离为离子，离子按照质量与电荷之比（质荷比）不同进行分离。根据物质质量与电荷之比值以及质谱峰大小（离子流强度）来测定物质的质量和含量。 其他研究方法其他研究方法4. 半纤维素的化学反应半纤维素的化学反应4.1 4.1 半纤维素的酸性水解半纤维素的酸性水解 半纤维素苷键在酸性介质中会被裂开而使半纤维素发生降半纤维素苷键在酸性介质中会被裂开而使半纤维素发生降解，这一点与纤维素酸性水解是一样的。但两者在结构上解，这一点与纤维素酸性水解是一样的。但两者在结构上有很大差别，如糖基种类和糖基之间的连接方式种类多，有很

41、大差别，如糖基种类和糖基之间的连接方式种类多，因此，半纤维素的反应情况比纤维素复杂。因此，半纤维素的反应情况比纤维素复杂。 4.2 4.2 半纤维素的碱性降解半纤维素的碱性降解 半纤维素在碱性条件下可以降解，碱性降解包括碱性水解与半纤维素在碱性条件下可以降解，碱性降解包括碱性水解与剥皮反应。例如在剥皮反应。例如在5%NaOH溶液中，溶液中，170时，半纤维素时，半纤维素苷键可被水解裂开，发生碱性水解。在较温和的碱性条件下，苷键可被水解裂开，发生碱性水解。在较温和的碱性条件下，即可发生剥皮反应。即可发生剥皮反应。 此外，在碱性条件下，半纤维素分子上的乙酰基易于脱落。此外，在碱性条件下，半纤维素分

42、子上的乙酰基易于脱落。 4.3 4.3 半纤维素对热的行为半纤维素对热的行为 半纤维素和纤维素以及木质素相同，加热则软化。松木的葡半纤维素和纤维素以及木质素相同，加热则软化。松木的葡甘露聚糖，桦木木聚糖的酸型和钾盐型，其绝干试样的软化甘露聚糖，桦木木聚糖的酸型和钾盐型，其绝干试样的软化点分别为点分别为181、217、167 。吸湿试样的软化点则有所降。吸湿试样的软化点则有所降低。低。 若在超过软化点温度继续加热时，半纤维素则在固态形式下若在超过软化点温度继续加热时，半纤维素则在固态形式下遭受热解。遭受热解。在真空下加热时重量开始降低的温度，阿拉伯糖基半乳聚糖在真空下加热时重量开始降低的温度，阿

43、拉伯糖基半乳聚糖为为194 ，葡萄醛酸基木聚糖为，葡萄醛酸基木聚糖为200 ，比纤维素的重量开始降比纤维素的重量开始降低的温度低。低的温度低。 4.3 4.3 半纤维素对热的行为半纤维素对热的行为 半纤维素在热解时的初期反应与纤维素相同，是糖苷键的开半纤维素在热解时的初期反应与纤维素相同，是糖苷键的开裂。裂。 根据葡糖醛酸基木聚糖热解初期反应时，每个分子的断裂数根据葡糖醛酸基木聚糖热解初期反应时，每个分子的断裂数和其失重的关系提出了初期的热解机理：和其失重的关系提出了初期的热解机理： 基于无秩序的链断裂的起始反应；基于无秩序的链断裂的起始反应； 由链断裂所产生的还原性末端基开始的剥皮反应而使木

44、糖由链断裂所产生的还原性末端基开始的剥皮反应而使木糖基脱离；基脱离； 不稳定的末端基由于稳定化而产生的终止反应。不稳定的末端基由于稳定化而产生的终止反应。 4.4 4.4 半纤维素的酶降解半纤维素的酶降解 半纤维素是一群复合聚糖的总称，它的复杂结构决定了半纤半纤维素是一群复合聚糖的总称，它的复杂结构决定了半纤维素的酶降解需要多种酶的协同作用。维素的酶降解需要多种酶的协同作用。 一般而言，水溶性聚糖水解酶的作用形式可分为内切型和外一般而言，水溶性聚糖水解酶的作用形式可分为内切型和外切型两种。切型两种。 内切型酶使聚糖分子主链的苷键随机断裂，急速的低分子化。内切型酶使聚糖分子主链的苷键随机断裂，急

45、速的低分子化。 外切型酶只能断裂聚糖分子非还原性末端基的苷键，只有与外切型酶只能断裂聚糖分子非还原性末端基的苷键，只有与游离羧基相邻近的糖苷键才会被外切酶所断裂，游离出单糖游离羧基相邻近的糖苷键才会被外切酶所断裂，游离出单糖或寡糖。或寡糖。4.4 4.4 半纤维素的酶降解半纤维素的酶降解 目前，对半纤维素的酶降解研究较多的是聚木糖的酶降解。目前，对半纤维素的酶降解研究较多的是聚木糖的酶降解。首先，由内切首先，由内切1,4-D-聚木糖酶随机断裂聚木糖骨架，产聚木糖酶随机断裂聚木糖骨架，产生木聚糖，降低了聚合度。生木聚糖，降低了聚合度。 然后由外切酶然后由外切酶- -木糖苷酶将木寡糖和木二糖分解为木糖。木糖苷酶将木寡糖和木二糖分解为木糖。 支链糖基的存在能阻抑聚木糖酶的作用，因此需有不同的糖支链糖基的存在能阻抑聚木糖酶的作用，因此需有不同的糖苷酶水解木糖基与支链糖基之间的糖苷键。苷酶水解木糖基与支链糖基之间的糖苷键。 这些特异性糖苷酶能以协同方式与内切和外切酶一起高效降这些特异性糖苷酶能以协同方式与内切和外切酶一起高效降解聚木糖。解聚木糖。4.5 4.5 半纤维素的化学改性半纤维素的化