【文献解读】Green Chem. 新型简易的木质素含量测定方法

背景

木质素含量是木质纤维素的重要基本参数，对于木质纤维素三大组分的利用和研究极其重要。目前常见的木质素含量分析方法为Klason法（美国可再生能源实验室（NREL）制定的标准方法也与此类似）。其基本原理为：将木质纤维素先在72%的硫酸中水解，然后稀释并在稀酸中进一步水解；纤维素和半纤维素被水解为糖后溶于水中，而大部分木质素则以固体形式保存；通过测定固体质量以确定木质素含量。除此以外，其他的方法大多基于水解碳水化合物或使用核磁或紫外等方法测量。这些方法或多或少有一些缺点，例如Klason法步骤多、需加热、耗时等。

华南理工大学的吕发创教授和威斯康辛大学-麦迪逊的John Ralph教授等人提出一种新的木质素含量测量方法，测量结果与Klason法几乎一致但操作明显比Klason法简便。

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图文解读

该方法被称为半胱氨酸辅助硫酸法（Cysteine-Assisted Sulfuric Acid, CACA），具体操作为：称取一定量（5-10 mg）生物质（预先溶剂萃取除杂），加入1 ml含有0.1 g/ml半胱氨酸的72%硫酸；在室温（24 ℃）下搅拌反应1 h；反应后将溶液稀释至100 ml，然后测量溶液在283 nm UV的吸光度，经计算即可得到木质素含量。

该法与Klason法第一步非常相似，均用72%硫酸水解，目的是对碳水化合物进行水解；但该法的特点在于加入了半胱氨酸。在半胱氨酸和硫酸的共同作用下，所有生物质组分全部溶解；而不加半胱氨酸时（Klason法）会有大量不容物（即Klason木质素）。也就是说，半胱氨酸在生物质水解中促进了木质素的溶解。然而本文没有深入解释该溶解方法的机理。

使用UV测量水解后的溶液，发现溶液的紫外光谱在283 nm处有吸收峰。通过对比确认该吸收峰来自于木质素组分。

作者对各种质量（4-9 mg）的松木（代表软木）、杨木（代表硬木）和竹子（代表草本植物）的木质素含量进行了测定，发现它们的结果与相应的Klason木素含量存在很高的相关性线性。从这三种植物得到的拟合线性方程的斜率分别为17.61、12.27和11.85，它们也就是三种植物的Klason木素的吸光度系数(Fig.3 A-C)。

作者以G/S/H为单体，通过“Zutropf”法合成了脱氢聚合物（DHP）以模拟木质素来做进一步研究。将这些DHP溶解后发现，全由G单体聚合得到的聚合物（代表软木）的吸光度系数为17.25 g^-1·L·cm^-1；G/S混合且G:S小于1（代表硬木和草本，大多数硬木和草本植物的G：S小于1）的吸光度系数为11.23 g^-1·L·cm^-1；而含有GSH的吸光度系数为12.35 g^-1·L·cm^-1。上述数据与图3的结果非常接近，表明每种底物对应的吸光度系数与植物种类有关。进一步，通过小分子模型化合物的吸光结果发现，G单体在283 nm处的吸光度明显高于相应的S和H单体。因此，作者提出以17.25 g^-1·L·cm^-1用于计算软木木质素含量；以11.23 g^-1·L·cm^-1来计算硬木和草本植物的木质素含量。

为进一步确认该法的可靠性和准确性，作者使用了7种软木、6种硬木和6种草本植物，来与传统的Klason法进行对比。结果发现两种方法得到的结果非常接近，CACA法的结果尤其接近总木质素（酸溶木素+酸不容木质素）含量， 相关系数R²可达0.9829。表明该法具有较高的准确度(Fig.7 和Table S3)。

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结论

本文提出了一种新的生物质中木质素含量的测定方法，该法用含半胱氨酸的硫酸溶液在常温下溶解生物质，然后用UV光谱仪测量起在283 nm处的吸光度，经计算得出木质素含量。相比于传统的Klason法，该法具有如下优势：1）所用试剂易得且环境友好；2）操作流程快速且无需加热；3）结果非常灵敏，仅需几毫克原料即可分析；4）与传统Klason法结果非常相近；5）该法可高通量地进行。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D1GC01507A

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