《食品科学》：河南工业大学刘华敏教授等：亚麻籽皮木质素的结构鉴定及热稳定性分析

木质素是植物细胞壁的基本组分之一，其含量约为18%～35%，仅次于纤维素，是第二大天然聚合物。在植物细胞壁中，木质素以三维网状形式填充于细胞壁的骨架结构内，以此增加细胞壁的硬度，增强细胞的机械性能和抗压强度，并赋予细胞壁疏水性。

亚麻籽又称胡麻籽，是亚麻科植物亚麻（

Linum usitatissimum

对木质素进行提取前通常需要先进行预处理。其中，球磨法处理对木质素的化学结构影响较小，经球磨处理后得到的磨木木质素（MWL）被认为是原生木质素的代表。此外，木质素可通过共价键和氢键等作用形式与半纤维素结合形成木质素-碳水化合物复合体（LCC），继而与半纤维素、纤维素共同构成结构复杂的植物细胞壁。LCC的连接方式会影响木质素的结构和特性，也是影响植物细胞壁中木质素分离效果的重要因素。

河南工业大学粮油食品学院的徐慧雅、朱晓天、刘华敏*等研究针对亚麻籽皮木质素的结构特征和理化性质开展系统分析，通过对MWL和LCC的单糖组成、分子质量、化学结构及热力学稳定性进行表征，旨在为后期研究亚麻籽皮木质素的热降解机制及其高值化利用提供理论支持。

1 单糖组成分析

由表1可知，亚麻籽皮中MWL的得率为0.12%，纯度为95.54%，含4.46%的碳水化合物，相比于小麦秸秆和玉米芯等其他植物细胞壁的MWL提取得率低。这可能是由于亚麻籽皮中的木质素含量相对较低，并且采用的球磨预处理相对温和，从而导致木质素的提取得率较低。单糖组成分析结果表明，MWL和LCC-AcOH样品中的葡萄糖质量分数分别为87.65%和93.49%，说明葡萄糖是亚麻籽皮中木质素的主链糖。此外，MWL和LCCAcOH样品还含有少部分的果糖，这可能是由于亚麻籽皮在进行脱胶预处理后仍然残留少量的亚麻籽胶。LCC样品的半乳糖质量分数较高（33.36%），这可能是由于存在木质素-果胶复合体；阿拉伯糖的质量分数较高（23.31%），这可能是由于存在阿拉伯糖-木质素复合物；木糖的质量分数为12.70%，这主要是线性半纤维素通过乙醛酸或岩藻糖侧链与木质素连接所导致。

2 傅里叶变换红外光谱分析

如图1所示，MWL与LCC-AcOH的红外光谱非常相似，说明2 种组分的官能团大部分相同。LCC的红外光谱与其余2 种组分的差异比较明显，这可能是与LCC中含有碳水化合物有关。3 433 cm-1处的强吸收带为羟基中的O—H伸缩振动。2 959 cm-1和2 928 cm-1处的信号峰为甲基和亚甲基中的C—H对称伸缩振动，说明木质素中存在侧链结构单元。1 726 cm-1和1 623 cm-1处信号峰产生的原因是由于C＝O的伸缩振动，是非共轭酮、羧基化合物和酯基的特征峰。1 514 cm-1处的信号峰为芳香环的骨架振动，说明样品中木质素的G型单体数量要多于S型单体数量。1 427 cm-1处的信号峰为苯环骨架的特征吸收峰。1 623、1 514、1 427 cm-1处的信号峰是木质素的特征信号峰。1 370 cm-1处的信号峰由羧基对称与不对称结构的拉伸振动引起。1 269 cm-1处的信号峰由愈创木基环和C＝O伸缩振动引起。1 070 cm-1处的信号峰是由于紫丁香核和芳香族的C—H的弯曲振动引起。在1 028 cm-1处的信号峰为碳水化合物的特征吸收峰。814 cm-1处的信号峰由C—H伸缩振动引起。

3 分子质量分析

MWL、LCC-AcOH和LCC的重均分子质量（mw）、数均分子质量（mn）及多分散指数（mw/mn）的分析结果见表2。3 种样品的mw从低到高的顺序为MWL＜LCCAcOH＜LCC。LCC组分的mw、mn均最高，这可能是由于碳水化合物和木质素之间存在连接，这些连接会通过增加木质素的流体动力学体积而增加摩尔质量。LCCAcOH的多分散指数（2.31）比MWL（1.37）和LCC（2.09）高，说明LCC-AcOH组分中的木质素含量较高且含有碳水化合物复合物。MWL的多分散指数相对较低，这说明其分子结构相对均一。LCC组分的多分散指数相对较高，说明LCC和LCC-AcOH样品中的分子结构不均一。造成这种现象的原因可能与样品中所含的木质素种类不同有关。LCC-AcOH样品的多分散指数最高，说明其中既存在不同分子质量的木质素又存在LCC。

如图2所示，3 种样品的分子质量分布曲线均为单峰形式，且MWL最大峰的位置明显倾向于高分子质量区域，说明MWL样品中所含的木质素分子质量较大。LCC和LCC-AcOH样品的mw最高峰位置相近，这可能与2 种组分均含有碳水化合物有关。

4 热稳定性分析

木质素的高值化利用高度依赖对其复杂结构的深入解析。木质素由苯丙烷单元通过醚键（C—O）和碳碳键（C—C）交联形成三维芳香网络，其分子质量分布、官能团（酚羟基、甲氧基）及单体比例（C/H/G/S型）直接影响化学活性。本实验通过研究木质素以及木质素碳水化合物复合体的结构，为后续研究亚麻籽皮中木质素在不同温度进行焙炒后的结构变化及其热降解机制提供理论基础，从而寻找提高亚麻籽油稳定性的方法。本研究通过热重分析和微商热重分析比较3 种样品的热稳定性差异。

由图3可知，MWL、LCC-AcOH和LCC组分的热解过程可以分为3 个阶段。第1阶段发生在50～200 ℃范围内，与样品中残留水分的损失有关；第2阶段发生在200～400 ℃范围内，与样品中的木质素和碳水化合物（纤维素和半纤维素）的降解有关，木质素结构单元间的连接键（醚键）发生大量断裂，且在350～400 ℃范围内会发生木质素侧链的氧化，如脂肪族羟基的羧化。在200 ℃时，3 种样品的质量分别为原始样品质量的94.59%、94.67%和90.04%，这是因为木质素和碳水化合物发生了降解。在700 ℃时，3 种样品的残碳率分别为25.32%、22.22%和28.55%，LCC的残碳率最高，说明LCC组分中碳水化合物的含量较高，这与单糖分析结果相印证。LCC样品中的木质素通过苯甲醚键或酯键与半纤维素交联，形成稳定网络，因此在700 ℃时LCC的残碳率最高。而LCC-AcOH的酯键被水解，残留的α-醚键（C—O—C）稳定性较低，半纤维素部分脱乙酰化导致分子链刚性下降，且碳水化合物组分（如阿拉伯糖基）在高温条件下易发生脱水、焦糖化反应，破坏复合体结构。因此，LCC热稳定性最高，而LCC-AcOH热稳定性最低。

微商热重曲线的峰值为最大降解率所对应的温度，可以反映不同组分的热稳定性。由图4可知，LCC-AcOH组分有2 个不同的峰，第1个峰出现在305 ℃，第2个峰出现在362 ℃。第1个峰可能是木质素的醚键和碳水化合物的热解导致；第2个峰可能是芳香环降解或者碳碳键的分解导致。MWL组分的出峰温度为312 ℃，而LCC组分出峰温度为291 ℃，表明MWL的木质素热稳定性比LCC好。

5 Py-GC-MS分析

MWL组分含有木质素衍生物和少量的碳水化合物衍生物，而LCC-AcOH和LCC组分的热解产物则较少。这可能是因为两个馏分中的碳水化合物在木质素热解过程中抑制了木质素衍生物的形成。由于LCC-AcOH和LCC组分的热解产物较少，本研究重点关注MWL样品的热解产物，其热裂解产生的酚类化合物种类、化学结构及相对含量见表3、图5。

MWL的热裂解酚类化合物来源可分为4 类：紫丁香基型（S）、愈创木基型（G）、对羟苯基型（H）和儿茶酚型（C），其中儿茶酚型（C）是一种新型的木质素单体。MWL中的S型、G型、H型和C型木质素的相对含量分别为0.30%、62.85%、27.50%和9.35%，以G型单体居多而S型单体较少。MWL组分的热裂解衍生物共有21 种，这些衍生物主要来源于H、G和S型木质素单体。与此同时，在热裂解产物中也发现了C型木质素来源的儿茶酚及其衍生物，如甲基丁香酚和儿茶酚。4-烯丙基-2,6-二甲氧基苯酚为S型单体的热裂解衍生物，其含量较低，这与2D HSQC NMR分析结果相印证。G型单体的衍生化合物种类最多且含量高，主要包括愈创木酚、4-甲基愈创木酚、2-甲氧基-3丙烯基苯酚、4-乙基愈创木酚、2-甲氧基-4-丙基-苯酚、对乙烯基愈创木酚、4-羟基-3-甲氧基苯乙酮、4-羟基-3-甲氧基苯丙酮、丁香酚和香兰素。亚麻籽皮木质素原始结构以G型单体为主，其次是C型和H型，相对含量最低的是S型。

6 二维NMR分析

3 种组分的二维NMR信号分配见表4，HSQC分析结果见图6。其中，脂肪族区域涉及的相关信号反映的木质素结构信息相对较少，所以在本研究中不对此区域的信号进行详述，只对侧链区域和芳香族区域的相关信号进行分析。δC/δH 50～90/2.5～5.5为二维NMR图谱的侧链区域，其中，甲氧基（OCH3）的相关信号在δC/δH 56.4/3.68处检测出，而且3 种样品的信号强度大小为MWL＞LCCAcOH＞LCC，说明MWL和LCC-AcOH样品具有更高含量的木质素，这与上述分析结果相印证。MWL和LCCAcOH组分侧链区域的图谱相似度较高，除了甲氧基的相关信号外，3 种组分在侧链区存在4 种构型，即β-β树脂醇结构、β-O-4芳基醚结构、β-5苯香豆素结构和苯二氧六环键的反式构型（Ctγ）的相关信号，而且苯二氧六环键是一种C型木质素所特有的相关信号；可以观察到的主要信号为Aα、Aγ、Bα、Bβ、Bγ、Cγ、Ctγ这些官能团。其中，在δC/δH 54.1/3.01处的相关信号Bβ是由于β-β树脂醇结构中的Cβ—Hβ；在δC/δH 60.6/3.59处的相关信号Aγ是由于β-O-4芳基醚结构中的Cγ—Hγ；在δC/δH 60.8/3.63处的相关信号来源于苯二氧六环键中的Ctγ—Htγ；在δC/δH 63.9/3.99处的相关信号来源于β-5苯香豆素结构中的Cγ—Hγ；在δC/δH 71.5/3.74处的相关信号来源于β-β树脂醇结构中的Cβ—Hβ；在δC/δH 73.5/4.95处的相关信号来源于β-O-4芳基醚结构中的Cα—Hα；在δC/δH 85.3/4.64处的相关信号来源于β-β芳基醚结构中的Cα—Hα。此外，在δC/δH 67.4～78.6/2.63～4.64处区域内还检测到一些与碳水化合物相关的信号，这些信号可能来源于3 种样品中残留的糖。

3 种样本木质素组分的相关NMR信号主要在芳香族区域，即δC/δH 90～130/5.5～8.0区域。在MWL和LCCAcOH样品中都观察到芳香族区域4 个木质素结构单体（紫丁香基S、愈创木基G、对羟基苯基H和儿茶酚单元C）的信号峰。其中，紫丁香基单元的C2,6—H2,6交叉信号峰在δC/δH 104.2/6.65处观察到，但是信号强度很低，这可能是在提取过程中低分子质量的木质素（主要是S单元）与大多数碳水化合物一起沉淀，也可能是由于亚麻籽皮中紫丁香基单元本身含量低，这与之前的结果相印证。2 种样品中H单体木质素结构含量较低，这可能与H单体会通过酯键连接到木质素大分子上有关。此外，酯键在提取环境中不稳定，从而导致H单体结构的大量破坏。另外，在δC/δH 111.2/6.94处观察到归属于愈创木基（G）单元的C2—H2交叉信号峰，愈创木基（G）单元的C5—H5和C6—H6信号峰分别出现在δC/δH 116.1/6.77和δC/δH 118.7/6.84处。从2 种组分中均检测到在δC/δH 113.3/6.48处和δC/δH 130.5/7.11处与PCE中C8—H8和C2,6—H2,6相关的信号。从2 种样品中检测到在δC/δH 111.5/7.30和δC/δH 123.5/7.11处分别与FA中C2—H2和C6—H6相关的信号。此外，在δC/δH 116.9/7.01处还观察到归属于儿茶酚单元（C）中的C2—H2交叉信号峰。上述结果证实了存在S型、G型，H型和C型的热解产物。Tobimatsu等认为C型和G/S型木质素可以共存，这与本研究中亚麻籽皮C型和G/S型木质素同时存在的结论一致。

本研究通过2D HSQC谱图对各样品中木质素结构单元的比例及各连接键相对含量进行了定量分析。由于LCC组分的木质素含量较低，因此不对此样品进行分析。由表5可知，MWL样品中β-O-4芳基醚键（A）的含量为28.3%，β-β树脂醇键（B）的含量为30.6%，β-5苯香豆素键（C）的含量为32.9%，而苯二氧六环键（Ct）的含量较少，只有8.2%；在LCC-AcOH样品中β-O-4芳基醚键（A）的含量为27.8%，β-β树脂醇键（B）的含量为29.5%，β-5苯香豆素键（C）的含量为34.1%，而苯二氧六环键（Ct）的含量为8.6%。MWL样品中S/G/C/H值为1/72/18/9；LCC-AcOH样品中S/G/C/H值为1/70/21/8。这与热裂解的分析结果相印证，表明2 种样品中均含有4 种单体，而且G单体的含量最高。

731P NMR分析

31P NMR分析结果可反映木质素的连接键和羟基含量。如表6所示，在MWL和LCC-AcOH样品中，脂肪族OH出现在δ 145.5～148.0处，其含量分别为0.24 mmol/g和0.53 mmol/g；缩合酚OH出现在δ 142.2～145.0处，其含量分别为0.14 mmol/g和0.21 mmol/g；愈创木基OH和儿茶酚OH出现在δ 138.3～140.6处，其含量分别为0.67 mmol/g和0.98 mmol/g；对羟基苯基OH出现在δ 137.2～138.1处，其含量分别为0.27 mmol/g和0.06 mmol/g；COOH出现在δ 134.4～135.8处，其含量分别为0.09 mmol/g和0.26 mmol/g。2 种样品的脂肪族OH含量均低于总酚OH含量；愈创木基OH和儿茶酚OH含量明显高于缩合酚OH、对羟基苯基OH以及COOH的含量，这与之前的热裂解分析结果相印证。LCC-AcOH组分的羧基含量高于MWL组分的羧基含量，这可能是采用乙酸进行LCC-AcOH组分提取所导致的结果。

结 论

本实验采用球磨预处理结合溶剂萃取法从亚麻籽皮中提取出了MWL、LCC和LCC-AcOH，并对其化学结构与热稳定性进行了系统的表征与分析。结果表明，亚麻籽皮中存在4 种单体类型的木质素，即G型、C型、S型和H型，且以G型单体为主。亚麻籽皮中的木质素提取得率为0.12%，纯度为95.54%，含有质量分数为4.46%的碳水化合物，其主链糖结构单元为葡萄糖。苯二氧六环键是3 个组分中LCC的主要连接键。MWL和LCC-AcOH组分中木质素的主要连接键为β-O-4、β-β、β-5键。MWL的热稳定性最高，LCC的热稳定性最低。本研究分析了亚麻籽皮木质素的结构与热力学稳定性，不仅有助于了解木质素和LCC大分子在植物细胞壁中的存在形式，而且可为后期研究亚麻籽皮木质素的热降解机制及其高值化开发利用提供一定的理论支持和数据支撑。

本文《亚麻籽皮木质素的结构鉴定及热稳定性分析》来源于《食品科学》2025年46卷第16期107 -115 页，作者：徐慧雅，朱晓天，李月华，张硕，陈晴雨，张晗喆，王翊暄，方旭，蔡小双，刘华敏*。DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20250124-179. http://www.spkx.net.cn 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：申婧婧；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网