木质素综述1

木质素化学及其研究
目录
1 序言
2 木质素的研究状况及应用
3 木质素的研究进展
3.1木质素降解菌株和降解酶的研究
3.2木质素合成的基因调控研究
3.3其他酶和小分子物质的研究
4 木质素的测定方法研究进展
4.1木质素总量的测定
4. 2 木质素结构的测定
4. 3 木质素分子量的测定
5 木质素的合成
5．1 木质素单体的生物合成
5．2 木质素单体的聚合
5．3 木质素的提取
6 木质素的降解
6.1 氧化降解
6.2 还原降解
6.3水解及酸解
7主要用途
7.1木质素磺酸的利用
7.2 木质素产品的用途
7.3 高分子材料领域
8 展望
摘要: 通过阅读《木质素化学基础及其应用》和木质素--高分子复合材料发展研究的文献，本文详细介绍了木质素化学的相关知识，包括木质素的化学组成、发展历程、研究现状，还阐述了木质素化学研究的意义。

关键词：木质素，化学基础，复合材料
1 序言：木质素是存在于植物纤维中的一种芳香族高分子化合物，其含量可占木材的50%，在植物组织中具有增强细胞壁及黏合纤维的作用。

木质素是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合物。

在木本植物中，木质素占25%，是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。

木质素单体的分子结构
木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连的作用。

木质素是一种含许多负电集团的多环高分子有机物，对土壤中的高价金属离子有较强的亲和力。

因单体不同，可将木质素分为3种类型：由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素（syringyl lignin，S-木质素），由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素（guajacyl lignin，G-木质素）和由对-羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对-羟基苯基木质素（hydroxy-phenyl lignin，H-木质素）；裸子植物主要为愈创木基木质素（G），双子叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素（G-S），单子叶植物则为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素（G-S-H）。

从植物学观点出发，木质素就是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及厚壁细胞外的物质，并使这些细胞具有特定显色反应（加间苯三酚溶液一滴，待片刻，再加盐酸一滴，即显红色）的物质；从化学观点来看，木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子，它与纤维素、半纤维素一起，形成植物骨架的主要成分，在数量上仅次于纤维素。

木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度，利于输导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。

木质素在木材等硬组织中含量较多，蔬菜中则很少见含有。

一般存在于豆类、麦麸、可可、巧克力、草莓及山莓的种子部分之中。

其最重要的作用就是吸附胆汁的主要成分胆汁酸，并将其排除体外。

另外，虽然其详细情况目前尚不得而知，但木质素的构造与多酚非常相似，故此，木质素与多酚应该有密切的关系。

总之，二者对于身体都有很好的作用。

2 木质素的研究状况及应用
随着人类对环境污染和资源危机等问题的认识不断深入 ,天然高分子所具有的可再生、可降解,性等性质日益受到重视。

废弃物的资源化与可再生资源的利用 ,是当代经济与社会发展的重大课题 ,也是对当代科学技术提出的新要求。

在自然界中 ,木质素的储量仅次于纤维素 ,而且每年都以500 亿吨的速度再生。

制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约 1.4 亿吨纤维素 ,同时得到 5000万吨左右的木质素副产品,但迄今为止 ,超过95 %的木质素仍以“黑液”直接排入江河或浓缩后烧掉 ,很少得到有效利用。

化石能源的日益枯竭、木质素的丰富储量、木质素科学的飞速发展决定木质素的经济效益的可持续发展性。

木质素成本较低，木质素及其衍生物具有多种功能性，可作为分散剂、吸附剂/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂，木质素对人类可持续发展最为重大贡献就在于提供稳定、持续的有机物质来源，其应用
前景十分广阔。

同时木质素含有多种活性官能团，如羟基、羰基、羧基、甲基及侧链结构。

其中羟基在木质素中存在较多，以醇羟基和酚羟基两种形式存在，而酚羟基的多少又直接影响到木质素的物理和化学性质，如能反映出木质素的醚化和缩合程度，同时也能衡量木质素的溶解性能和反应能力；在木质素的侧链上，有对羟基安息香酸、香草酸、紫丁香酸、对羟基肉桂酸、阿魏酸等酯型结构存在，这些酯型结构存在于侧链的α
位或γ位。

在侧链α位除了酯型结构外，还有醚型连接，或作为联苯型结构的碳-碳联结。

同酚羟基一样，木质素的侧链结构也直接关系到它的化学反应性。

对羟苯基结构愈创木基结构紫丁香基结构。

由于木质素的分子结构中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、碳基共扼双键等活性基团，因此可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解甲氧基、梭基、光解、酞化、磺化、烷基化、卤化、硝化、缩聚或接枝共聚等许多化学反应。

其中，又以氧化、酞化、磺化、缩聚和接枝共聚等反应性能在研究木质素的应用中显示着尤为重要的作用，同时也是扩大其应用的重要途径。

在此过程中，磺化反应又是木质素应用的基础和前提，到目前为止，木质素的应用大都以木质素磺酸盐的形式加以利用。

在亚硫酸盐法生产纸浆的工艺中，正是由于亚硫酸盐溶液与木粉中的原本木质素发生了磺化反应，引进了磺酸基，增加了亲水性，而后这种木质素磺酸盐在酸性蒸煮液中进一步发生水解反应，使与木质素结合着的半纤维素发生解聚，从而使木质素磺酸盐溶出，实现了木质素、纤维素与半纤维素的分离，得到了纸浆，同时也使木质素的应用成为了可能。

利用木质素作为橡胶补强剂的方法，属木质素在橡胶工业中应用的技术领域。

其要点是在浓缩的造纸废液中加进甲醛制成木质素甲醛树脂，再按比例加入硫磺、氧化锌、硬脂酸、硫化剂、硫化促进剂、硫化活化剂与橡胶在一定温度下进行硫化。

本发明可使橡胶中填充大量木质素仍不需加软化剂，这既节省大量橡胶，又可获得优良性质的硫化胶，同时硫化中不会尘土飞扬污染环境，又使造纸废液变害为利，有着很大的社会和经济效益。

随着人类对环境污染和资源危机等问题的认识不断深入 ,天然高分子所具有的可再生、可降解,性等性质日益受到重视。

废弃物的资源化与可再生资源的利用 ,是当代经济与社会发展的重大课题 ,也是对当代科学技术提出的新要求。

在自然界中 ,木质素的储量仅次于纤维素 ,而且每年都以500 亿吨的速度再生。

制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约 1.4 亿吨纤维素 ,同时得到 5000万吨左右的木质素副产品,但迄今为止 ,超过95 %的木质素仍以“黑液”直接排入江河或浓缩后烧掉 ,很少得到有效利用。

化石能源的日益枯竭、木质素的丰富储量、木质素科学的飞速发展决定木质素的经济效益的可持续发展性。

木质素成本较低，木质素及其衍生物具有多种功能性，可作为分散剂、吸附剂/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂，木质素对人类可持续发展最为重大贡献就在于提供稳定、持续的有机物质来源，其应用前景十分广阔。

研究木质素性能和结构的关系，利用木质素制造可降解、可再生的聚合物。

木质素的物化性能和加工性能、工艺成为目前木质素研究的障碍。

Kim JW 等研究了煤与造纸黑液的共液化，他们认为木质素的热解形成苯氧自由基，以及其它反应性自由基在低温下对于煤基有很重要的热解作用。

这些自由基是高效的活性中间体，能够使得煤中的亚甲基断裂从而促进煤的解聚。

Akash BA 等研究了煤与木质素共液化动力学。

采用伊利诺斯州烟煤与腐蚀性的木质素混合物，反应在初始氢压1.1MPa、375°C、四氢萘作溶剂下完成的。

煤和木质素混合物液化产品与单独用煤液化得到的产物相比，含较少苯不溶物。

排阻色谱研究表明，煤和木质素混合物液化产品平均分子量比用单煤或单木质素液化得到的产品的分子量要低。

试验数据表明，在加入木质素后煤的转化率提高了22%，通过研究分析得到了描述化学反应的数学模型。

他们对液体产品循环的影响也进行了研究。

初步试验表明，随着产品循环的增加，煤总的分解率是减小的。

以上的研究表明，当煤与木质素共液化时，煤的液化温度可降低。

而且不同研究者得到的实验结果都表明，与煤单独液化相比，煤与生物质共液化所得到的液化产品质量得到改善，液相产物中低分子量的戊烷可溶物有了增加。

产生这些结果的原因可能是木质素的热解形成苯氧自由基，以及其它反应性自由基在
低温下对于煤基有很重要的热解作用。

当使用含有苯酚类基团的溶剂进行液化时，煤的转化率也有显著增加，虽然国内外对生物质与煤的共液化取得了一定的进展，但还有许多不够深入，以后应着力研究煤与木质素共液化工艺条件，改性生物质与煤液化试验研究、木质素与煤共液化动力学、木质素与煤催化剂的专用高效催化剂方面的研究。

3 木质素的研究进展
3.1木质素降解菌株和降解酶的研究
在木质素的自然降解中,降解能力最强的是白腐菌,此外还有褐腐菌、软腐菌以及细菌。

白腐菌为丝状真菌,因腐生在木材上引起木材的白色腐朽而得名。

白腐菌降解木质素是发生在次级阶段的,在主要营养物质(碳,氮,硫等) 受限制条件下启动降解系统。

白腐菌能分泌氧化性酶到细胞外,在催化氧化过程中形成自由基,攻击木质素结构,能把复杂的木质素高分子一直降解为CO2 和H2O ,只有白腐菌在纯培养条件下能将木质素矿化,而褐腐菌,软腐菌和细菌对木质素的降解是不彻底的。

自然界中,很多真菌和细菌形成的微生物群落可有效地降解木质素,单一菌株的作用比混合菌株明显减弱。

目前,白腐菌降解木质素研究中所用到的多为烟管菌属( Bjerkanderasp) ,香菇菌属(Lentinulasp) ,平革菌属( Phanerochaetesp) ,侧耳属( Pleurotussp) 和栓菌属( Trametessp) 等中的一些菌种,黄孢原毛平革菌( Phanerochaete chrysosporium)是研究所用较为广泛的模式菌株【1】。

白腐菌对木质素的降解主要通过三种酶来完成:木质素过氧化物酶(Lignin peroxidase ,LiP) 、锰过氧化物酶(Manganese - dependent peroxidase ,MnP) 、漆酶(laccase) 。

并不是所有的白腐菌都能分泌这三种酶,如黄孢原毛平革菌只分泌LiP 和MnP。

迄今为止,利用LiP ,MnP 和漆酶作用木质素仍是木质素降解的最主要手段,但由于白腐菌所产酶量有限及酶活较低的局限性,仍不能大规模应用到工业生产中。

LiP 是一系列含Fe3+、卟啉环和血红素附基的同工酶,能以H2O2 为电子受体氧化富含电子的酚型或非酚型芳香化合物。

电子传递体攻击木质素时,它能从苯酚或非酚类的苯环上夺取一个电子,将其氧化成自由基,然后以链式反应产生许多不同的自由基,导致木质素分子中主要键断裂。

MnP 也是血红素过氧化物酶,能够氧化酚型木质素,MnP 在H2O2 的启动下,氧化Mn2 + 为Mn3 + ,然后后者进一步氧化各种酚型化合物。

漆酶是最早被发现的木质素降解酶,大多分布在担子菌( Basidimycetes ) ,多孔菌( Polyporus) ,柄孢壳菌( Podospora) 等中。

漆酶是以O2 为电子受体的含铜单电子氧化酶。

其作用是使固体木质素的羧基增加而成为水溶性的状态,易于接受后续酶的作用,漆酶同时还有解聚木质素的作用。

因此降解木质素和难处理的污染物时,白腐菌借助H2O2 激活,形成具有高度活性的自由基中间体,由酶启动一系列反应,促使底物氧化【2】。

现在,国内外对白腐菌所产生的重要木质素降解酶的cDNA 进行了克隆和测序,研究LiP 和MnP 的同质、异质表达和调控机制。

已发现黄孢原毛平革菌有15 种LiP 同工酶,且同源性很高。

现已建立LiP 基因组的物理图谱,发现LiP 序列排列紧密且高度保守【3】。

实验发现,胞内次级信号分子cAMP 的浓度在进入次级代谢时迅速升高,LiP 酶活性也伴随上升。

氧是LiP 产生的限制因素,高氧环境引起自由基积累对LiP 合成是必须的[7 ] 。

3 个MnP 同工酶基因测序完成,MnP 含有6 个或7 个内含子,且位置保守。

MnP 在转录水平受Mn2+,热休克及氧胁迫调控【4】。

至今,大约20 种漆酶基因已完成克隆。

降解木质素的细菌主要有放线菌,如链霉菌( Streptomyces) 、节杆菌(Arthrobacter) 、小单孢杆菌( Micromonospora) ,还有非丝状细菌,如不动杆菌属(Acinetobactersp. ) 、黄杆菌属( Flaobacteriumsp. ) 、微球菌属( Micrococcus sp. ) 、假单胞菌属( Pseudomonassp. ) 等属的菌株。

其中链霉菌和假单胞菌属的降解能力较强。

这些菌株通过产生的木质素降解酶作用,使木质素结构发生部分改性,增溶等作用降解木质素为低分子量的聚合木质素片段。

细菌在初级阶段降解木质素有利于后续真菌的有效降解。

研究人员对绿孢链霉菌产生木质素降解酶的主要调控因子进行了研究,发现在高氮低碳条件下,细菌产酶能力较。

在含有木质素的降解基质中加入易降解物质(如低糖) ,可加速木质素的转化。

另外,加入适量的表面活性剂,Mn, Cu有利于产酶和降解。

随着白腐菌在造纸工业和处理环境污染的应用前景看好,白腐菌的研究越来越深入,白腐菌制品会逐渐产业化,商品化。

3.2木质素合成的基因调控研究
目前,通过转基因技术调控植物木质素的含量和组成,培养木质素含量低的转基因新品种以达到减轻造纸废水污染和降低造纸成本的目的。

木质素生物合成途径上的基因调控的步骤大致如下:首先找到木质素合成的生物酶并将其分离出来,分析蛋白质氨基酸序列,找到功能基因外显子的编码序列,用脓杆菌介导或基因枪直接转移的方法将构建的反义基因导入细胞中,从而获得突变体。

现在转基因植物的研究主要关系到以下几种酶:苯丙酸途径上的苯丙氨酸裂解酶(PAL) ,肉桂酸—4—羟基化酶(C4H) ,4—香豆酸辅酶A连接酶(4CL) ;木质素单体特异合成相关的咖啡酸—O—甲基转移酶( COMT) , 咖啡酰辅酶A—O—甲基转移酶(CCoAOMT) ,阿魏酸—5—羟基化酶(F5H) 以及木质素特异合成下游的还原酶:肉桂醇脱氢酶(CAD) 和肉桂酰—辅酶A 还原酶(CCR) 。

陈建荣和赵华燕等对不同酶受抑制的转基因植物的研究作了归纳,如表1 :
表1 不同酶受抑制的转基因植物木质素含量变化及生长情况
受抑制酶酶的作用转基因植物的木
质素含量
S/G值变化转基因植物生产状况
PAL
C4H
4CL COMT CCoAOMT F5H 催化苯丙氨酸向肉桂醛的转化
催化肉桂酸向香豆酸的转化
连接苯丙酸途径与木质素特异合
成途径的关键酶
催化咖啡酸向阿魏酸的反应
催化木质醇甲基化
催化阿魏酸向阿魏酸—5—羟基
的转化
降低
降低
降低
少数含量减少
明显降低
降低
S/G值升高
S 型木质素减少明
显,SPG值下降
转基因烟草中S/G比值
减小
S型木质素有下降趋
势,G型木质素无变化
S/G比值增加
F5H活性缺失的拟南芥
突变体中仅含有少
量的S 木质素
非正常生长,难以实际利用
植物生长大多数无异常现象
发生,少数植株出现异常
植株表型矮化
木质素结构致密,在造纸中影
响质量和漂白
植株生长正常木质素结构疏
松易于去除
植株结构组分发生很大变化
由此可见,C4H ,COMT,F5H 与S 型木质素的形成紧密相关,而CCoAOMT 与G 型木质素的形成较密切。

C4H ,4CL ,CCoAOMT和F5H受抑制的转基因植物有利于造纸工业木素的分离,其中以抑制CCoAOMT活性的效果最佳。

木质素的生物合成是多途径的,途径间存在相互交叉和替换,而且不同植物实验结果也有很大差异。

现在木质素合成的基因调控还处于实验阶段,未种植成林,需要对转基因植物进行稳定性评估,同时也要注意木质素含量降低程度不能有损于植物的水分输导系统和支持系统。

3.3其他酶和小分子物质的研究
在木质素的生物降解中,LiP 和MnP 一直被认为是木质素降解的关键性酶,一些学者认为其他酶类或因子参与也是必须的。

刘稳等以大豆种皮过氧化物酶(SHP) 替代LiP 和MnP 对木质素进行氧化作用。

SHP 在水相系统中对工业木素和天然木素无降解作用,但在微水(90 %二氧六环) 有机相中SHP 对天然木素有部分解聚作用【5】。

其他酶类对木质素降解的研究进行的很少,且效果不是很明显。

木质素生物降解体系中除大分子酶外还有起重要作用的小分子非酶物质的参与羟基自由基,铁离子,草酸,锰离子,藜芦醇等分子质量小,具有超强的渗透力,可以打开木质素降解酶进入木材纤维层的S2 通道。

通过对小分子介体作用机理的研究,有望寻找木质素新的降解途径。

二价铁离子及H2O2 参与了高反应活力的羟基自由基产生的反应,羟基自由基可启动木材中纤维素的解聚反应。

在白腐菌和褐腐菌中得到一种小分子物质,能还原三价铁离子为二价铁离子,且强烈吸附二价铁。

草酸作为一种酸可直接攻击木材中的纤维素和半纤维素,还可以还原三价铁离子为二价铁离子,二价铁离子再与H2O2 反应生成羟基自由基。

草酸在LiP 系统中和MnP 系统中作用不同。

在LiP 系统中草酸通过还原藜芦醇阳离子自由基而抑制LiP 对藜芦醇的氧化作用,最
终抑制木质素降解作用【6-7】。

在MnP 系统中,草酸可作为不稳定的Mn3 +的螯合剂,Mn3 +可氧化木素,MnP 对Mn2 +的氧化作用依赖于有机酸的存在。

草酸在MnP 系统降解木质素起着积极的作用。

藜芦醇是LiP 的底物,在液体培养条件下,加入藜芦醇会提高LiP的活力,还可促进14C-木素的矿化作用。

2.4木质素化学改性的研究
木质素的分子结构中存在着芳香基,醇羟基,酚羟基,羰基等一系列活性基团。

通过氧化反应、磺化反应、接枝共聚反应、缩合反应和烷基化反应等化学改性可改善木质素的性能,突出某方面的特性,提高木质素的应用价值,这对木质素在造纸工业中某些利用以及作为高分子材料的研发上都有显著作用,从基团出发,通过对木质素一个或几个基团进行改性,可以扩大木质素的应用范围,提高其价值。

除此以外,还有一些其他方面的研究,例如:木质素的电氧化降解,主要是针对木质素合成的木质素表面活化剂用于三次采油中地层吸附损失大的问题上,需要获得适宜分子量的木质素。

研究发现,在以PbO2 膜电极为阳极的反应槽,对木质素磺酸钙进行电氧化,木质素分子量明显降低【8】。

4 木质素的测定方法研究进展
4.1木质素总量的测定
4.1.1重量分析法( Gravimetric methods, Klasonlignin)
在克拉松木质素的测定过程中,首先将样品在72%的硫酸中进行降解,并加热使糖类化合物变成可溶性成分而溶解,同时有一小部分木质素也被溶解而带来相应误差。

剩余难溶解的固体就是木质素,该固体物质经过滤、洗涤、干燥、称重等步骤,就可以得到木质素的质量。

为了比较精确得到木质素的含量,有必要对溶解失去的那部分木质素进行测定,以校正木质素含量的数值。

这种方法已被制浆和造纸工业技术协会所接受和认可的方法.该测定方法也有人用来校正其他方法测定木质素的数值如NIRS方法[9]。

不过,这种方法具有一定的局限性。

它只适合与硬木木质素,而不适合软木木质素、草本木质素以及一年生植物木质素含量的测定。

因为这些植物体内不明确的蛋白质和矿物质会对木质素测定产生干扰。

4.1.2酸性洗涤纤维法(ADF法)
ADF法也是一种常见的木质素的测定方法,一般用于草本植物或一年生植物木质素的测定。

其理论基础是根据(W2-W3)/W1×100方程式,其中W1 是干植物材料质量,W2 经过酸化处理并干燥后的质量,W3 将沉淀物灼烧后灰分的质量。

ELLIS改进了这种方法,以消除植物体内这些不明确的矿物质和蛋白质干扰,其操作是:首先用蛋白质酶对样品进行预处理,使其中的蛋白质水解,以除去体内的蛋白质。

然后稀释,再放入72%的硫酸中进行处理,得到酸不溶的木质素。

这种方法的缺点是:蛋白质不一定完全被除去。

因此,这种方法要求用氮分析计算的校正数值来校正酸不溶性木质素的数值。

该方法已被农业化学家协会所接受和认可[ 25 ]。

GOER ING等对这一方法进行改进:首先用中性的洗涤剂处理,然后再用酸洗涤剂处理。

这样就可以除去植物体内许多木质素的干扰物,只是这种方法不能除去角质和软木质等。

一般说来,ADF法特点是可以得到样品中50%或者更高的木质素[10]。

4.1.3 巯基乙酸法( TGA法)
TGA法主要的理论依据是在碱性条件下木质素会发生降解。

该方法最初是将样品放巯基乙酸和HCl的混合物中加热,将不溶物过滤,风干。

然后放入乙醇溶液里存放一段时间,再转入NaOH溶液里,随后用比较浓的盐酸溶液酸化沉淀出木质素。

然后将其放在二氧六环中纯化,经过沉淀、过滤、干燥可得到木质素。

后来这种方法经过改进,将样品的使用量减少到10～15 mg。

一般来说, TGA法测定得到的木质素的值要比用其他方法如ADF法、AB法等低一些,同时由于没有合适的木质素标准来校正测得的数值,因此这种方法的应用推广也就收到很大的限制。

4.1.4 乙酰溴法(AB法)
该方法是借助于紫外吸收,可以方便地进行木质素的测定。

最早Johnson将紫外吸收(UV)的方法用于测定木质素的含量。

其基础是根据比尔(Beer’s law)定律: A=εcd,式中的A为吸光度( absorbance) ,ε为吸光系数, c为质量浓度( g·L - 1 ) , d为光程或者样品溶液的厚度。

这种方法是在70 ℃条件下,将样品放入含有乙酰溴25%的乙酸溶液中进行处理,然后在280 nm处测定UV的吸收。

后来,Vanzal以及Iiyama等改进了技术,用高氯酸来处理木质素,以提高木质素的溶解性。

根据IIYAMA 等的方法,首先是将样品放入乙酰溴。