《食品科學》：河南工業(yè)大學劉華敏教授等：亞麻籽皮木質(zhì)素的結構鑒定及熱穩(wěn)定性分析

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構內(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處理。其中，球磨法處理對木質(zhì)素的化學結構影響較小，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合形成木質(zhì)素-碳水化合物復合體（LCC），繼而與半纖維素、纖維素共同構成結構復雜的植物細胞壁。LCC的連接方式會影響木質(zhì)素的結構和特性，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)大學糧油食品學院的徐慧雅、朱曉天、劉華敏*等研究針對亞麻籽皮木質(zhì)素的結構特征和理化性質(zhì)開展系統(tǒng)分析，通過對MWL和LCC的單糖組成、分子質(zhì)量、化學結構及熱力學穩(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，并且采用的球磨預處理相對溫和，從而導致木質(zhì)素的提取得率較低。單糖組成分析結果表明，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鏈與木質(zhì)素連接所導致。

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。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)素中存在側鏈結構單元。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構的拉伸振動引起。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合物。MWL的多分散指數(shù)相對較低，這說明其分子結構相對均一。LCC組分的多分散指數(shù)相對較高，說明LCC和LCC-AcOH樣品中的分子結構不均一。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。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。

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雜結構的深入解析。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，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)素碳水化合物復合體的結構，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構變化及其熱降解機制提供理論基礎，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；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，木質(zhì)素結構單元間的連接鍵（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)悸首罡撸f明LCC組分中碳水化合物的含量較高，這與單糖分析結果相印證。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，因此在700 ℃時LCC的殘?zhí)悸首罡摺６鳯CC-AcOH的酯鍵被水解，殘留的α-醚鍵（C—O—C）穩(wěn)定性較低，半纖維素部分脫乙酰化導致分子鏈剛性下降，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，破壞復合體結構。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致；第2個峰可能是芳香環(huán)降解或者碳碳鍵的分解導致。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)素熱穩(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)素熱解過程中抑制了木質(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、化學結構及相對含量見表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)素原始結構以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分析結果見圖6。其中，脂肪族區(qū)域涉及的相關信號反映的木質(zhì)素結構信息相對較少，所以在本研究中不對此區(qū)域的信號進行詳述，只對側鏈區(qū)域和芳香族區(qū)域的相關信號進行分析。δC/δH 50～90/2.5～5.5為二維NMR圖譜的側鏈區(qū)域，其中，甲氧基（OCH3）的相關信號在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，這與上述分析結果相印證。MWL和LCCAcOH組分側鏈區(qū)域的圖譜相似度較高，除了甲氧基的相關信號外，3 種組分在側鏈區(qū)存在4 種構型，即β-β樹脂醇結構、β-O-4芳基醚結構、β-5苯香豆素結構和苯二氧六環(huán)鍵的反式構型（Ctγ）的相關信號，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處的相關信號Bβ是由于β-β樹脂醇結構中的Cβ—Hβ；在δC/δH 60.6/3.59處的相關信號Aγ是由于β-O-4芳基醚結構中的Cγ—Hγ；在δC/δH 60.8/3.63處的相關信號來源于苯二氧六環(huán)鍵中的Ctγ—Htγ；在δC/δH 63.9/3.99處的相關信號來源于β-5苯香豆素結構中的Cγ—Hγ；在δC/δH 71.5/3.74處的相關信號來源于β-β樹脂醇結構中的Cβ—Hβ；在δC/δH 73.5/4.95處的相關信號來源于β-O-4芳基醚結構中的Cα—Hα；在δC/δH 85.3/4.64處的相關信號來源于β-β芳基醚結構中的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)素結構單體（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，這與之前的結果相印證。2 種樣品中H單體木質(zhì)素結構含量較低，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。此外，酯鍵在提取環(huán)境中不穩(wěn)定，從而導致H單體結構的大量破壞。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)素同時存在的結論一致。

本研究通過2D HSQC譜圖對各樣品中木質(zhì)素結構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組分提取所導致的結果。

結 論

本實驗采用球磨預處理結合溶劑萃取法從亞麻籽皮中提取出了MWL、LCC和LCC-AcOH，并對其化學結構與熱穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的表征與分析。結果表明，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，其主鏈糖結構單元為葡萄糖。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)素的結構與熱力學穩(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)素的結構鑒定及熱穩(wěn)定性分析》來源于《食品科學》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信息。

實習編輯：申婧婧；責任編輯：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)