木質(zhì)素是植物細胞壁的基本組分之一，其含量約為18%～35%，僅次于纖維素，是第二大天然聚合物。在植物細胞壁中，木質(zhì)素以三維網(wǎng)狀形式填充于細胞壁的骨架結(jié)構(gòu)內(nèi)，以此增加細胞壁的硬度，增強細胞的機械性能和抗壓強度，并賦予細胞壁疏水性。

亞麻籽又稱胡麻籽，是亞麻科植物亞麻（

Linum usitatissimum

對木質(zhì)素進行提取前通常需要先進行預(yù)處理。其中，球磨法處理對木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)影響較小，經(jīng)球磨處理后得到的磨木木質(zhì)素（MWL）被認為是原生木質(zhì)素的代表。此外，木質(zhì)素可通過共價鍵和氫鍵等作用形式與半纖維素結(jié)合形成木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體（LCC），繼而與半纖維素、纖維素共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物細胞壁。LCC的連接方式會影響木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和特性，也是影響植物細胞壁中木質(zhì)素分離效果的重要因素。

河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院的徐慧雅、朱曉天、劉華敏*等研究針對亞麻籽皮木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征和理化性質(zhì)開展系統(tǒng)分析，通過對MWL和LCC的單糖組成、分子質(zhì)量、化學(xué)結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)穩(wěn)定性進行表征，旨在為后期研究亞麻籽皮木質(zhì)素的熱降解機制及其高值化利用提供理論支持。

1 單糖組成分析

由表1可知，亞麻籽皮中MWL的得率為0.12%，純度為95.54%，含4.46%的碳水化合物，相比于小麥秸稈和玉米芯等其他植物細胞壁的MWL提取得率低。這可能是由于亞麻籽皮中的木質(zhì)素含量相對較低，并且采用的球磨預(yù)處理相對溫和，從而導(dǎo)致木質(zhì)素的提取得率較低。單糖組成分析結(jié)果表明，MWL和LCC-AcOH樣品中的葡萄糖質(zhì)量分數(shù)分別為87.65%和93.49%，說明葡萄糖是亞麻籽皮中木質(zhì)素的主鏈糖。此外，MWL和LCCAcOH樣品還含有少部分的果糖，這可能是由于亞麻籽皮在進行脫膠預(yù)處理后仍然殘留少量的亞麻籽膠。LCC樣品的半乳糖質(zhì)量分數(shù)較高（33.36%），這可能是由于存在木質(zhì)素-果膠復(fù)合體；阿拉伯糖的質(zhì)量分數(shù)較高（23.31%），這可能是由于存在阿拉伯糖-木質(zhì)素復(fù)合物；木糖的質(zhì)量分數(shù)為12.70%，這主要是線性半纖維素通過乙醛酸或巖藻糖側(cè)鏈與木質(zhì)素連接所導(dǎo)致。

2 傅里葉變換紅外光譜分析

如圖1所示，MWL與LCC-AcOH的紅外光譜非常相似，說明2 種組分的官能團大部分相同。LCC的紅外光譜與其余2 種組分的差異比較明顯，這可能是與LCC中含有碳水化合物有關(guān)。3 433 cm-1處的強吸收帶為羥基中的O—H伸縮振動。2 959 cm-1和2 928 cm-1處的信號峰為甲基和亞甲基中的C—H對稱伸縮振動，說明木質(zhì)素中存在側(cè)鏈結(jié)構(gòu)單元。1 726 cm-1和1 623 cm-1處信號峰產(chǎn)生的原因是由于C＝O的伸縮振動，是非共軛酮、羧基化合物和酯基的特征峰。1 514 cm-1處的信號峰為芳香環(huán)的骨架振動，說明樣品中木質(zhì)素的G型單體數(shù)量要多于S型單體數(shù)量。1 427 cm-1處的信號峰為苯環(huán)骨架的特征吸收峰。1 623、1 514、1 427 cm-1處的信號峰是木質(zhì)素的特征信號峰。1 370 cm-1處的信號峰由羧基對稱與不對稱結(jié)構(gòu)的拉伸振動引起。1 269 cm-1處的信號峰由愈創(chuàng)木基環(huán)和C＝O伸縮振動引起。1 070 cm-1處的信號峰是由于紫丁香核和芳香族的C—H的彎曲振動引起。在1 028 cm-1處的信號峰為碳水化合物的特征吸收峰。814 cm-1處的信號峰由C—H伸縮振動引起。

3 分子質(zhì)量分析

MWL、LCC-AcOH和LCC的重均分子質(zhì)量（mw）、數(shù)均分子質(zhì)量（mn）及多分散指數(shù)（mw/mn）的分析結(jié)果見表2。3 種樣品的mw從低到高的順序為MWL＜LCCAcOH＜LCC。LCC組分的mw、mn均最高，這可能是由于碳水化合物和木質(zhì)素之間存在連接，這些連接會通過增加木質(zhì)素的流體動力學(xué)體積而增加摩爾質(zhì)量。LCCAcOH的多分散指數(shù)（2.31）比MWL（1.37）和LCC（2.09）高，說明LCC-AcOH組分中的木質(zhì)素含量較高且含有碳水化合物復(fù)合物。MWL的多分散指數(shù)相對較低，這說明其分子結(jié)構(gòu)相對均一。LCC組分的多分散指數(shù)相對較高，說明LCC和LCC-AcOH樣品中的分子結(jié)構(gòu)不均一。造成這種現(xiàn)象的原因可能與樣品中所含的木質(zhì)素種類不同有關(guān)。LCC-AcOH樣品的多分散指數(shù)最高，說明其中既存在不同分子質(zhì)量的木質(zhì)素又存在LCC。

如圖2所示，3 種樣品的分子質(zhì)量分布曲線均為單峰形式，且MWL最大峰的位置明顯傾向于高分子質(zhì)量區(qū)域，說明MWL樣品中所含的木質(zhì)素分子質(zhì)量較大。LCC和LCC-AcOH樣品的mw最高峰位置相近，這可能與2 種組分均含有碳水化合物有關(guān)。

4 熱穩(wěn)定性分析

木質(zhì)素的高值化利用高度依賴對其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的深入解析。木質(zhì)素由苯丙烷單元通過醚鍵（C—O）和碳碳鍵（C—C）交聯(lián)形成三維芳香網(wǎng)絡(luò)，其分子質(zhì)量分布、官能團（酚羥基、甲氧基）及單體比例（C/H/G/S型）直接影響化學(xué)活性。本實驗通過研究木質(zhì)素以及木質(zhì)素碳水化合物復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)研究亞麻籽皮中木質(zhì)素在不同溫度進行焙炒后的結(jié)構(gòu)變化及其熱降解機制提供理論基礎(chǔ)，從而尋找提高亞麻籽油穩(wěn)定性的方法。本研究通過熱重分析和微商熱重分析比較3 種樣品的熱穩(wěn)定性差異。

由圖3可知，MWL、LCC-AcOH和LCC組分的熱解過程可以分為3 個階段。第1階段發(fā)生在50～200 ℃范圍內(nèi)，與樣品中殘留水分的損失有關(guān)；第2階段發(fā)生在200～400 ℃范圍內(nèi)，與樣品中的木質(zhì)素和碳水化合物（纖維素和半纖維素）的降解有關(guān)，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元間的連接鍵（醚鍵）發(fā)生大量斷裂，且在350～400 ℃范圍內(nèi)會發(fā)生木質(zhì)素側(cè)鏈的氧化，如脂肪族羥基的羧化。在200 ℃時，3 種樣品的質(zhì)量分別為原始樣品質(zhì)量的94.59%、94.67%和90.04%，這是因為木質(zhì)素和碳水化合物發(fā)生了降解。在700 ℃時，3 種樣品的殘?zhí)悸史謩e為25.32%、22.22%和28.55%，LCC的殘?zhí)悸首罡?，說明LCC組分中碳水化合物的含量較高，這與單糖分析結(jié)果相印證。LCC樣品中的木質(zhì)素通過苯甲醚鍵或酯鍵與半纖維素交聯(lián)，形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，因此在700 ℃時LCC的殘?zhí)悸首罡?。而LCC-AcOH的酯鍵被水解，殘留的α-醚鍵（C—O—C）穩(wěn)定性較低，半纖維素部分脫乙?；瘜?dǎo)致分子鏈剛性下降，且碳水化合物組分（如阿拉伯糖基）在高溫條件下易發(fā)生脫水、焦糖化反應(yīng)，破壞復(fù)合體結(jié)構(gòu)。因此，LCC熱穩(wěn)定性最高，而LCC-AcOH熱穩(wěn)定性最低。

微商熱重曲線的峰值為最大降解率所對應(yīng)的溫度，可以反映不同組分的熱穩(wěn)定性。由圖4可知，LCC-AcOH組分有2 個不同的峰，第1個峰出現(xiàn)在305 ℃，第2個峰出現(xiàn)在362 ℃。第1個峰可能是木質(zhì)素的醚鍵和碳水化合物的熱解導(dǎo)致；第2個峰可能是芳香環(huán)降解或者碳碳鍵的分解導(dǎo)致。MWL組分的出峰溫度為312 ℃，而LCC組分出峰溫度為291 ℃，表明MWL的木質(zhì)素?zé)岱€(wěn)定性比LCC好。

5 Py-GC-MS分析

MWL組分含有木質(zhì)素衍生物和少量的碳水化合物衍生物，而LCC-AcOH和LCC組分的熱解產(chǎn)物則較少。這可能是因為兩個餾分中的碳水化合物在木質(zhì)素?zé)峤膺^程中抑制了木質(zhì)素衍生物的形成。由于LCC-AcOH和LCC組分的熱解產(chǎn)物較少，本研究重點關(guān)注MWL樣品的熱解產(chǎn)物，其熱裂解產(chǎn)生的酚類化合物種類、化學(xué)結(jié)構(gòu)及相對含量見表3、圖5。

MWL的熱裂解酚類化合物來源可分為4 類：紫丁香基型（S）、愈創(chuàng)木基型（G）、對羥苯基型（H）和兒茶酚型（C），其中兒茶酚型（C）是一種新型的木質(zhì)素單體。MWL中的S型、G型、H型和C型木質(zhì)素的相對含量分別為0.30%、62.85%、27.50%和9.35%，以G型單體居多而S型單體較少。MWL組分的熱裂解衍生物共有21 種，這些衍生物主要來源于H、G和S型木質(zhì)素單體。與此同時，在熱裂解產(chǎn)物中也發(fā)現(xiàn)了C型木質(zhì)素來源的兒茶酚及其衍生物，如甲基丁香酚和兒茶酚。4-烯丙基-2,6-二甲氧基苯酚為S型單體的熱裂解衍生物，其含量較低，這與2D HSQC NMR分析結(jié)果相印證。G型單體的衍生化合物種類最多且含量高，主要包括愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚、2-甲氧基-3丙烯基苯酚、4-乙基愈創(chuàng)木酚、2-甲氧基-4-丙基-苯酚、對乙烯基愈創(chuàng)木酚、4-羥基-3-甲氧基苯乙酮、4-羥基-3-甲氧基苯丙酮、丁香酚和香蘭素。亞麻籽皮木質(zhì)素原始結(jié)構(gòu)以G型單體為主，其次是C型和H型，相對含量最低的是S型。

6 二維NMR分析

3 種組分的二維NMR信號分配見表4，HSQC分析結(jié)果見圖6。其中，脂肪族區(qū)域涉及的相關(guān)信號反映的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)信息相對較少，所以在本研究中不對此區(qū)域的信號進行詳述，只對側(cè)鏈區(qū)域和芳香族區(qū)域的相關(guān)信號進行分析。δC/δH 50～90/2.5～5.5為二維NMR圖譜的側(cè)鏈區(qū)域，其中，甲氧基（OCH3）的相關(guān)信號在δC/δH 56.4/3.68處檢測出，而且3 種樣品的信號強度大小為MWL＞LCCAcOH＞LCC，說明MWL和LCC-AcOH樣品具有更高含量的木質(zhì)素，這與上述分析結(jié)果相印證。MWL和LCCAcOH組分側(cè)鏈區(qū)域的圖譜相似度較高，除了甲氧基的相關(guān)信號外，3 種組分在側(cè)鏈區(qū)存在4 種構(gòu)型，即β-β樹脂醇結(jié)構(gòu)、β-O-4芳基醚結(jié)構(gòu)、β-5苯香豆素結(jié)構(gòu)和苯二氧六環(huán)鍵的反式構(gòu)型（Ctγ）的相關(guān)信號，而且苯二氧六環(huán)鍵是一種C型木質(zhì)素所特有的相關(guān)信號；可以觀察到的主要信號為Aα、Aγ、Bα、Bβ、Bγ、Cγ、Ctγ這些官能團。其中，在δC/δH 54.1/3.01處的相關(guān)信號Bβ是由于β-β樹脂醇結(jié)構(gòu)中的Cβ—Hβ；在δC/δH 60.6/3.59處的相關(guān)信號Aγ是由于β-O-4芳基醚結(jié)構(gòu)中的Cγ—Hγ；在δC/δH 60.8/3.63處的相關(guān)信號來源于苯二氧六環(huán)鍵中的Ctγ—Htγ；在δC/δH 63.9/3.99處的相關(guān)信號來源于β-5苯香豆素結(jié)構(gòu)中的Cγ—Hγ；在δC/δH 71.5/3.74處的相關(guān)信號來源于β-β樹脂醇結(jié)構(gòu)中的Cβ—Hβ；在δC/δH 73.5/4.95處的相關(guān)信號來源于β-O-4芳基醚結(jié)構(gòu)中的Cα—Hα；在δC/δH 85.3/4.64處的相關(guān)信號來源于β-β芳基醚結(jié)構(gòu)中的Cα—Hα。此外，在δC/δH 67.4～78.6/2.63～4.64處區(qū)域內(nèi)還檢測到一些與碳水化合物相關(guān)的信號，這些信號可能來源于3 種樣品中殘留的糖。

3 種樣本木質(zhì)素組分的相關(guān)NMR信號主要在芳香族區(qū)域，即δC/δH 90～130/5.5～8.0區(qū)域。在MWL和LCCAcOH樣品中都觀察到芳香族區(qū)域4 個木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單體（紫丁香基S、愈創(chuàng)木基G、對羥基苯基H和兒茶酚單元C）的信號峰。其中，紫丁香基單元的C2,6—H2,6交叉信號峰在δC/δH 104.2/6.65處觀察到，但是信號強度很低，這可能是在提取過程中低分子質(zhì)量的木質(zhì)素（主要是S單元）與大多數(shù)碳水化合物一起沉淀，也可能是由于亞麻籽皮中紫丁香基單元本身含量低，這與之前的結(jié)果相印證。2 種樣品中H單體木質(zhì)素結(jié)構(gòu)含量較低，這可能與H單體會通過酯鍵連接到木質(zhì)素大分子上有關(guān)。此外，酯鍵在提取環(huán)境中不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致H單體結(jié)構(gòu)的大量破壞。另外，在δC/δH 111.2/6.94處觀察到歸屬于愈創(chuàng)木基（G）單元的C2—H2交叉信號峰，愈創(chuàng)木基（G）單元的C5—H5和C6—H6信號峰分別出現(xiàn)在δC/δH 116.1/6.77和δC/δH 118.7/6.84處。從2 種組分中均檢測到在δC/δH 113.3/6.48處和δC/δH 130.5/7.11處與PCE中C8—H8和C2,6—H2,6相關(guān)的信號。從2 種樣品中檢測到在δC/δH 111.5/7.30和δC/δH 123.5/7.11處分別與FA中C2—H2和C6—H6相關(guān)的信號。此外，在δC/δH 116.9/7.01處還觀察到歸屬于兒茶酚單元（C）中的C2—H2交叉信號峰。上述結(jié)果證實了存在S型、G型，H型和C型的熱解產(chǎn)物。Tobimatsu等認為C型和G/S型木質(zhì)素可以共存，這與本研究中亞麻籽皮C型和G/S型木質(zhì)素同時存在的結(jié)論一致。

本研究通過2D HSQC譜圖對各樣品中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元的比例及各連接鍵相對含量進行了定量分析。由于LCC組分的木質(zhì)素含量較低，因此不對此樣品進行分析。由表5可知，MWL樣品中β-O-4芳基醚鍵（A）的含量為28.3%，β-β樹脂醇鍵（B）的含量為30.6%，β-5苯香豆素鍵（C）的含量為32.9%，而苯二氧六環(huán)鍵（Ct）的含量較少，只有8.2%；在LCC-AcOH樣品中β-O-4芳基醚鍵（A）的含量為27.8%，β-β樹脂醇鍵（B）的含量為29.5%，β-5苯香豆素鍵（C）的含量為34.1%，而苯二氧六環(huán)鍵（Ct）的含量為8.6%。MWL樣品中S/G/C/H值為1/72/18/9；LCC-AcOH樣品中S/G/C/H值為1/70/21/8。這與熱裂解的分析結(jié)果相印證，表明2 種樣品中均含有4 種單體，而且G單體的含量最高。

731P NMR分析

31P NMR分析結(jié)果可反映木質(zhì)素的連接鍵和羥基含量。如表6所示，在MWL和LCC-AcOH樣品中，脂肪族OH出現(xiàn)在δ 145.5～148.0處，其含量分別為0.24 mmol/g和0.53 mmol/g；縮合酚OH出現(xiàn)在δ 142.2～145.0處，其含量分別為0.14 mmol/g和0.21 mmol/g；愈創(chuàng)木基OH和兒茶酚OH出現(xiàn)在δ 138.3～140.6處，其含量分別為0.67 mmol/g和0.98 mmol/g；對羥基苯基OH出現(xiàn)在δ 137.2～138.1處，其含量分別為0.27 mmol/g和0.06 mmol/g；COOH出現(xiàn)在δ 134.4～135.8處，其含量分別為0.09 mmol/g和0.26 mmol/g。2 種樣品的脂肪族OH含量均低于總酚OH含量；愈創(chuàng)木基OH和兒茶酚OH含量明顯高于縮合酚OH、對羥基苯基OH以及COOH的含量，這與之前的熱裂解分析結(jié)果相印證。LCC-AcOH組分的羧基含量高于MWL組分的羧基含量，這可能是采用乙酸進行LCC-AcOH組分提取所導(dǎo)致的結(jié)果。

結(jié) 論

本實驗采用球磨預(yù)處理結(jié)合溶劑萃取法從亞麻籽皮中提取出了MWL、LCC和LCC-AcOH，并對其化學(xué)結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的表征與分析。結(jié)果表明，亞麻籽皮中存在4 種單體類型的木質(zhì)素，即G型、C型、S型和H型，且以G型單體為主。亞麻籽皮中的木質(zhì)素提取得率為0.12%，純度為95.54%，含有質(zhì)量分數(shù)為4.46%的碳水化合物，其主鏈糖結(jié)構(gòu)單元為葡萄糖。苯二氧六環(huán)鍵是3 個組分中LCC的主要連接鍵。MWL和LCC-AcOH組分中木質(zhì)素的主要連接鍵為β-O-4、β-β、β-5鍵。MWL的熱穩(wěn)定性最高，LCC的熱穩(wěn)定性最低。本研究分析了亞麻籽皮木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)穩(wěn)定性，不僅有助于了解木質(zhì)素和LCC大分子在植物細胞壁中的存在形式，而且可為后期研究亞麻籽皮木質(zhì)素的熱降解機制及其高值化開發(fā)利用提供一定的理論支持和數(shù)據(jù)支撐。

本文《亞麻籽皮木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)鑒定及熱穩(wěn)定性分析》來源于《食品科學(xué)》2025年46卷第16期107 -115 頁，作者：徐慧雅，朱曉天，李月華，張碩，陳晴雨，張晗喆，王翊暄，方旭，蔡小雙，劉華敏*。DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20250124-179. http://www.spkx.net.cn 點擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。

實習(xí)編輯：申婧婧；責(zé)任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網(wǎng)