山核桃外果皮的漆酶改性处理研究

王 进， 韩素芳， 张飞英， 刘亚群

(浙江省林业科学研究院， 浙江 杭州 310023)

·研究报告——生物质材料·

山核桃外果皮的漆酶改性处理研究

王 进， 韩素芳， 张飞英， 刘亚群

(浙江省林业科学研究院， 浙江 杭州 310023)

为高效利用山核桃外果皮资源，对山核桃外果皮进行了漆酶改性处理。测定了改性处理前后样品的化学成分含量，采用SEM观测改性前后样品的微观结构，FT-IR和13C NMR分析改性处理前后样品的化学结构变化。结果表明：漆酶处理后，山核桃外果皮木质素和抽提物含量降低，粉末的分散效果更好，表面更多的木质素裸露出来。山核桃外果皮以愈创木基和紫丁香基结构单元为主的木质素结构单元，在漆酶处理过程中发生β-O-4断裂产生较多的活性氧类自由基，使山核桃外果皮表面获得较多的活性基团，从而具有更高的反应活性。

山核桃外果皮；漆酶活化；SEM；FT-IR；13C NMR

我国是山核桃原产国之一，近年来在山核桃品种选育、种植推广、产品加工、电子商务等方面均取得了很大的发展，山核桃产业逐步成为我国山区农民增收的支柱产业。山核桃采下山是带外果皮，俗称果蒲,在制作加工过程中，首先要将山核桃去蒲再去壳，然后再加工成香脆的山核桃籽。山核桃外果皮与果实质量比接近1∶1，据此推算每年山核桃采摘产生了大量的山核桃外果皮资源，但山核桃外果皮通常是丢弃路边或者就地焚烧，综合开发利用较少。现在国内外已有学者对山核桃外果皮利用开展了相关研究，主要集中在提取山核桃外果皮中的化学成分用来制备抗肿瘤药物或抑菌剂，或者用于制造活性炭或抗氧化剂等[1-4]。为了更进一步提升资源综合利用率，促进山核桃产业健康可持续发展，本课题组的前期研究中对山核桃外果皮的化学成分进行测定并进行改性处理后，以此作为添加剂加入到竹碎料中制造一种环保型竹刨花板[5]。为更好揭示改性处理的山核桃外果皮作为无甲醛胶黏剂制造环保型人造板的内在机理，本研究探讨了漆酶改性处理对山核桃外果皮的微观结构、化学成分、化学结构的影响。

1 实 验

1.1 原料、试剂与仪器

山核桃外果皮，在临安市岛石镇采集，经烘干、粉碎后，筛选颗粒粒径小于178 μm部分待用。漆酶，活性为900 U/mL，购于诺维信中国有限公司(Novozyme China)。磷酸二氢钠、柠檬酸、硫酸铜、二氯甲烷，均为国产分析纯。综纤维素测定仪，S-3400N扫描电镜(日本岛津公司)，7890A+5975C气质色谱(美国安捷伦公司)，AVANCEⅡ 300MHz核磁共振谱仪(瑞士Bruker 公司)，iS10傅里叶变换红外光谱仪(美国尼高力公司)。

1.2 漆酶改性处理

山核桃外果皮粉3 g、 60 mmol/L硫酸铜溶液15 mL、漆酶300 μL分别加入50 mL反应管中，再将pH值为4的磷酸二氢钠-柠檬酸缓冲液加入使反应体系总体积为30 mL，漩涡混合均匀，置于水浴温度60 ℃下处理2 h，反应结束后过滤，用去离子水洗涤残留固体，在50 ℃下干燥24 h。

1.3 分析与表征

1.3.1 化学成分分析 根据造纸原料国家标准GB/T 2677.4—1993、 GB/T 2677.6—1994、 GB/T 2677.5—1993、 GB/T 2677.8—1994、 GB/T 2677.9—1994、 GB/T 2677.10—1995和GB/T 2677.3—1993，分别测定改性前后样品的冷水/热水抽提物、苯醇抽提物、1% NaOH抽提物、酸不溶木质素、多戊糖、综纤维素和灰分等成分含量。

1.3.2 SEM分析 采用扫描电子显微镜在加速电压12.5 kV下观察改性前后样品的微观形貌。

1.3.3 FT-IR分析 采用溴化钾压片法对改性前后的样品做红外光谱(FT-IR)分析。

1.3.413C NMR分析 溶剂为氘代DMSO, 以13C NMR表征改性前后山核桃外果皮粉末的结构变化。

2 结果与讨论

2.1 化学成分分析

山核桃外果皮漆酶改性处理前后的化学成分测定结果以及文献报道的松木、杨木、毛竹的化学成分含量结果[6-8]，见表1。改性前，山核桃外果皮的木质素含量达到46.13%，要远高于松木的26.08%、杨木的19.85%和5年生毛竹竹材的25.06%。同时，山核桃外果皮的综纤维素和多戊糖含量远低于木材和竹材。在不同溶剂抽提物中，冷水抽提物和热水抽提物含量较木材和竹材高，1% NaOH抽提物含量最高，可见天然山核桃外果皮中具有较高含量易被碱溶出的物质。经漆酶改性处理后，木质素含量降低，多戊糖的含量升高，综纤维素含量升高，抽提物含量下降，尤其是冷水、热水和1% NaOH抽提物含量下降明显。漆酶的改性处理最主要的是降低了木质素含量及抽提物的含量，由此表明，漆酶主要作用于山核桃外果皮中的木质素容易被水、氢氧化钠抽提出的成分。

表1 改性前后山核桃外果皮的化学成分变化1)

1)以绝干物料为基准based on dry bagasse

2.2 微观形貌分析

图1为样品的SEM图，可观察到改性处理前的山核桃外果皮粉末表面未被破坏且形成团聚，而处理后的山核桃外果皮粉末分散较开，表面遭到破坏，即漆酶处理后粉末具有更好的分散效果，由此可知漆酶处理后容易使山核桃外果皮改性粉末表面有更多的木质素裸露出来，这与文献[9]的结论相吻合，在粉末表面容易形成更多具有高反应活性的活性氧自由基。若将漆酶改性处理后的山核桃外果皮粉末加入到竹刨花材料中，在热压条件下更容易参与反应生成胶黏物质，证实了山核桃外果皮粉末进行改性处理后可作为胶黏物质予以开发利用。

图1 山核桃外果皮粉末SEM图

2.3 FT-IR分析

2.4 核磁共振波谱分析

图3为改性处理前后的山核桃外果皮粉末的13C NMR谱图。

图2 改性处理前后山核桃外果皮粉末的FT-IR图 图3 改性处理前后的山核桃外果皮粉末的13C

由图3可知，未改性山核桃外果皮粉末在δ20.92处是饱和侧链中的CH3；δ30.53处是轭酮的侧链CH3；δ55.93和δ64.85处是C-γ、β-O-4 单元和C-β、β-O-4 单元；δ72.63和δ88.00处是C-α、β-O-4 单元和C-β、β-β单元[12-13]；δ105.26处C-2/C-6、紫丁香基单元；δ116.53处是C-3/C-5；δ153.32处是C-3/C-5、紫丁香基单元；δ173.74处为对香豆酯或阿魏酸醚的γ位。改性后山核桃外果皮粉末在δ26.82处是轭酮的侧链CH3；δ49.98处是C-γ、β-O-4单元；δ58.38处是C-β、β-O-4 单元；δ67.03处是C-α、β-O-4 单元；δ76.05处是C-β、β-β单元；δ98.73处是C-2 /C-6、紫丁香基单元[14]。

对比分析可知，未改性山核桃外果皮粉末的吸收峰明显比改性处理后样品要多。对于改性前样品，饱和侧链和轭酮中的CH3较多，主要结构以C-α、C-γ、β-O-4 单元等为主，其中β-O-4 单元所占的比例最大，β-β结构的含量较少。可知，山核桃外果皮中木质素单元的链接方式主要是β-O-4 结构。改性后山核桃外果皮粉末改性后较改性前其吸收位置有一定程度的蓝移，山核桃外果皮粉中饱和侧链中的CH3、紫丁香基单元和C-3/C-5等相对改性前减少，表明改性处理导致了山核桃外果皮中木质素在漆酶处理中发生催化降解，主要发生木质素结构单元β-O-4结合处断裂，结合文献[9]可知断裂过程产生的活性氧类自由基较多，有利于粉末表面的活性官能团数量提高，起到活化山核桃外果皮的效果，提高其参与化学反应的活性。

3 结 论

3.1 对山核桃外果皮进行漆酶改性处理，测定了改性处理前后样品的化学成分含量，并采用SEM观测改性前后样品的微观结构。结果表明，改性后木质素含量及抽提物的含量降低，山核桃外果皮分散效果更好，使其表面更多的木质素裸露出来。由此说明，漆酶主要作用于山核桃外果皮中木质素和容易被水、氢氧化钠溶液抽提出的成分。

3.2 采用FT-IR和13C NMR对山核桃外果皮改性前后样品的化学结构进行分析。结果表明，山核桃外果皮木质素以愈创木基和紫丁香基结构单元为主，在漆酶催化降解反应中主要发生β-O-4断裂，从而产生了较多的活性氧类自由基进入反应溶液中，同时山核桃外果皮表面获得较多的活性基团，提高了其参与化学反应的活性。

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Laccase Treatment of Cathay Hickory Ectocarp

WANG Jin, HAN Su-fang, ZHANG Fei-ying, LIU Ya-qun

(Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China)

In order to use the resources of the cathay hickory exocarp efficiently, the ectocarp powder was treated by laccase. The chemical compositions of the samples were determined, the microstructures of the lacasse treated and untreated ectocarp were observed by SEM, and the chemical structures of the samples were analyzed by using FT-IR and13C NMR. The results showed that after laccase activation, the contents of lignin and extracts of cathay hickory ectocarps de creased and the powders were dispersed better, moreover, there was more exposed lignin on the surface. And the guaiacyl and syringyl lignin were degraded byβ-O-4 fracture, and meanwhile more reactive oxygen species free radicals produced. This made the ectocarp surface to obtain more active groups and had higher reaction activity.

cathay hickory ectocarp; laccase activation; FT-IR;13C NMR; SEM

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.06.006

2015- 06- 24

浙江省公益技术研究农业项目(2013C32104)

王 进(1984—)，男，湖北通山人，助理研究员，博士生，研究方向：木材科学与技术；E-mail:whuwj@sina.com。

TQ35

A

1673-5854(2015)06- 0027- 04