同位素示踪法研究纤维素与木素复合体的化学结构

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植物体内有纤维素-木素复合体的存在,它使得在制浆造纸过程中纤维素不能与木素完全分离,这严重影响了制浆的得率以及在纸张抄造过程中纸张的物理性能。前人的研究证实了纤维素与木素之间的化学键连接是存在的,纤维素与木素之间有苯甲醚键、苯甲酯键和缩醛键等连接。本文以(6-13C)葡萄糖为原料以化学方法合成了C6位上带有13C标记的纤维素前驱物尿苷二磷酸葡糖,并利用熔点测定仪、FT-IR及高效液相色谱对目标产物进行了分析及验证。本文还合成了不带标记的外源性木素前驱物松柏醇-β-D葡萄糖苷,并通过熔点测定仪和FT-IR检测验证了产物的结构。本文向正在生长中的四年生银杏植物里投入了带标记的纤维素前驱物尿苷二磷酸葡糖、外源性木素前驱物松柏醇-β-D葡萄糖苷及苯丙氨酸解氨酶的抑制剂L-2-氨氧基-3-苯基丙酸(AOPP),在人工培养箱里培养一个月,培养结束后发现上述外源性物质的投入并没有影响银杏的正常生长。用Vario PYRO cube元素分析仪检测银杏新生木质部的13C丰度,结果表示银杏新生木质部的碳13丰度值比空白样品增加了11.81,说明带13C同位素的纤维素前驱物能在植物体内很好的代谢成纤维素,从而使得纤维素C6位被13C标记。用高分辨率的CP/MAS13C-NMR测定了13C标记的银杏新生木质部,峰度得到了明显的增强,说明了纤维素C6位上的C与木素之间是以苯甲醚键连接。以带标记的银杏新生木质部为原料,提取纤维素、半纤维素、木素,并检测其碳13丰度,发现抑制剂成功的阻止了尿苷二磷酸葡萄糖向木素方向的转化,使得纤维素成功的被上碳13选择性标记成功,同时也有部分尿苷二磷酸葡糖向半纤维素方向转化了。通过提取不同厚度层次的纤维素,检测其碳13丰度,由分析可知纤维素在细胞壁上的沉积规律,纤维素在细胞壁的沉积主要是从初生壁开始的,其次在次生壁。本论文采用Bj rkman的方法从带标记的银杏新生木质部获得木素-碳水化合物复合体(Lignin-carbohydrate complexes,LCC),结合FT-IR和高分辨率的液态13C-NMR核磁波普分析发现纤维素C6位上的碳原子与木素苯丙烷结构上的α-C以醚键的形式连接。为了尽可能除去与木素没有化学键连接的糖单元以提高分析LCC连接键的正确性,本论文采用纤维素酶和半纤维素酶酶解木素-碳水化合物复合体,并对酶解后的产物进行高分辨率的液体13C-NMR核磁共振分析进一步证实了纤维素C6位上的碳原子与木素苯丙烷结构上的α-C确实以醚键的形式连接。为了从植物体外in vitro的方法来验证上述结论的正确性,本论文在实验室的条件下,分别在葡萄糖和纤维二糖的存在下生物聚合成DHP,最后生成相应的葡萄糖-DHP复合体和纤维二糖-DHP复合体。通过FT-IR、高分辨率的液体13C-NMR核磁共振分析证实了纤维素C6位上的碳原子与木素苯丙烷结构上的α-C确实是以醚键的形式连。
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