耿星月　劉　葦　侯慶喜　陳　威

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300457)

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·聚木糖分布·

自水解預(yù)處理對(duì)楊木聚木糖分布的影響

耿星月劉葦侯慶喜*陳威

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300457)

采用免疫熒光標(biāo)記法結(jié)合共聚焦顯微鏡(CLSM)研究了自水解強(qiáng)度對(duì)楊木聚木糖分布的影響。結(jié)果表明,聚木糖熒光信號(hào)較均勻地分布于楊木纖維細(xì)胞壁中,隨強(qiáng)度因子的增大細(xì)胞壁中心部位熒光信號(hào)下降逐漸增多,細(xì)胞壁邊緣熒光信號(hào)下降較少,有些部位甚至?xí)栽S增加。采用高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)法測(cè)得強(qiáng)度因子增強(qiáng)到3.72時(shí),聚木糖含量從原料的14.64%下降到7.33%；對(duì)聚木糖熒光圖譜進(jìn)行區(qū)域強(qiáng)度統(tǒng)計(jì),可得出與HPLC檢測(cè)法結(jié)果相同的變化趨勢(shì)。

自水解預(yù)處理；楊木聚木糖；免疫熒光標(biāo)記法；共聚焦顯微鏡

(*E-mail: qingxihou@tust.edu.cn)

由于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)生物質(zhì)能源需求量不斷增長(zhǎng),生物質(zhì)精煉與制漿造紙技術(shù)相結(jié)合的概念受到了人們的廣泛關(guān)注。為使生物質(zhì)精煉過程更具經(jīng)濟(jì)性,不但要有廣泛適用于生物質(zhì)精煉的原料,對(duì)生物質(zhì)原料預(yù)處理過程的深入理解也十分必要[1]。在制漿造紙前將生物質(zhì)原料進(jìn)行預(yù)處理,可使原料中的半纖維素和木素等組分部分溶出,有利于后續(xù)對(duì)其高值化利用。目前關(guān)于木質(zhì)纖維原料預(yù)處理方面大量的報(bào)道中[2-3],自水解有望成為一種簡(jiǎn)潔高效、對(duì)環(huán)境友好、成本又低的預(yù)處理技術(shù)[4]。

植物纖維主要由纖維素、半纖維素及木素三大組分構(gòu)成,另外也含有一些少量組分。半纖維素中的聚木糖降解成的低聚木糖可作為一種功能性低聚糖與飲料、食品、乳制品、保健品及藥品配合使用以增加產(chǎn)品功能性。如在飲料中,低聚木糖以其良好的耐熱、耐酸及儲(chǔ)藏穩(wěn)定性,增加了飲料的穩(wěn)定性,是蔗糖的良好替代物[5]。在纖維細(xì)胞壁的形成階段,半纖維素的合成和沉積始終與纖維素有著緊密聯(lián)系,如部分半纖維素可以通過增加氫鍵結(jié)合吸附在纖維素的表面來提高纖維網(wǎng)絡(luò)之間的強(qiáng)度[6-8]。目前，為了更有效地利用生物質(zhì)原料中各組分對(duì)其進(jìn)行酶水解是最常用的方法之一，而在酶水解的過程中,為了提高酶水解效率,關(guān)鍵是要提高纖維素酶對(duì)纖維素降解的可及性[9]。作為纖維細(xì)胞壁的重要組成部分,聚木糖和果膠質(zhì)也為細(xì)胞壁中纖維素晶體的結(jié)合提供了基質(zhì),從而使纖維細(xì)胞壁內(nèi)各種物質(zhì)更加緊密地結(jié)合在一起。正因?yàn)槿绱?聚木糖在某種程度上阻礙了纖維素酶對(duì)纖維素的降解作用[10-11]。為了使酶解過程更加有效,必須對(duì)聚木糖進(jìn)行去除。

楊木以其生長(zhǎng)迅速、適應(yīng)性強(qiáng)、易繁殖、砍伐期短、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn),已成為我國(guó)北方,特別是平原地區(qū)栽培面積最大、木材產(chǎn)量最高的重要樹種之一。闊葉木纖維細(xì)胞壁中半纖維素的含量一般為18%～23%[12],其主要成分是4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖,由(1- 4)-β-D-木糖構(gòu)成主鏈,主鏈的C-2位被4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸取代,C-2或C-3位發(fā)生乙?；〈鶾13-15]。為了更好地了解楊木在自水解過程中細(xì)胞壁內(nèi)聚木糖的分布及變化情況,本實(shí)驗(yàn)采用免疫熒光標(biāo)記法結(jié)合共聚焦顯微鏡(CLSM)對(duì)其進(jìn)行了研究,以共聚焦圖譜中各處熒光信號(hào)的強(qiáng)弱來表征該處聚木糖濃度的大?。浑S機(jī)選取多段細(xì)胞壁對(duì)其熒光強(qiáng)度進(jìn)行積分,所得結(jié)果來表征細(xì)胞壁中聚木糖總量。同時(shí)采用高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)法來測(cè)定細(xì)胞壁中聚木糖總量隨自水解預(yù)處理強(qiáng)度變化的情況。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

楊木片由山東某造紙廠提供。楊木片經(jīng)篩選、洗滌、風(fēng)干后,裝入密封袋中備用。參照美國(guó)能源實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)NREL/TP-510- 42618[16]和NERL/TP-510- 42619[17]分析楊木片的化學(xué)組分,結(jié)果見表1。

表1　楊木的化學(xué)組分

1.2主要實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

M/K雙缸蒸煮鍋(CN3000,EOMEGA)；高效液相色譜儀(1200Series,美國(guó)Agilent Technologies)；立式壓力蒸汽滅菌器(LDZX-30FB,上海申安醫(yī)療器械廠)；冷凍切片機(jī)(cco944c1403 Thermo Scientific)；共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)(Olympus IX81,美國(guó)奧林巴斯公司)。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

按：冠，指古代帝王、官員所帶的帽子。秩，俸祿?！吨芏Y·天官·宮伯》：“行其秩敘”，鄭玄注：“秩，祿稟也。”《左傳·莊公十九年》：“王奪子禽、祝跪與詹父田，而收膳夫之秩?！倍蓬A(yù)注：“秩，祿也。”《晏子春秋·雜上八》：“今請(qǐng)求老弱之不養(yǎng)，鰥寡之無室者，論而共秩焉”。張純一校注：“秩，祿也。所以為養(yǎng)也。”故“冠秩”用來比喻仕宦?！肮谥取币辉~，《漢語大詞典》未收。

1.3.1自水解預(yù)處理

自水解預(yù)處理在M/K雙缸蒸煮鍋中進(jìn)行。取150 g絕干楊木置于雙缸蒸煮鍋中,設(shè)定液比為1∶10；先使蒸煮鍋內(nèi)蒸餾水升溫至100℃再放入事先準(zhǔn)備好的楊木,之后使其升至所需溫度并保溫一定時(shí)間。自水解預(yù)處理結(jié)束后使自水解液迅速冷卻,水解后的楊木用自來水充分洗滌以減少溶出物的粘附。

1.3.2聚木糖含量的測(cè)定

采用高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)法測(cè)定自水解液中聚木糖及自水解預(yù)處理后楊木中剩余聚木糖的含量。自水解液中聚木糖含量的測(cè)定：25℃下取一定量自水解液,將其用4%稀硫酸在高壓滅菌鍋內(nèi)水解1 h,之后迅速冷卻；然后用G4漏斗過濾水解液,取若干液體經(jīng)過0.22 μm微孔水性濾膜后進(jìn)行HPLC分析。測(cè)得木糖含量,再經(jīng)系數(shù)換算得到自水解液中聚木糖的含量(相對(duì)于原料中聚木糖含量)[17]。本實(shí)驗(yàn)使用型號(hào)為Biorad Aminex HPX-87H的高壓液相色譜柱。

自水解后楊木中剩余聚木糖的測(cè)定：自水解后的楊木風(fēng)干后磨粉,取40～60目木粉,經(jīng)乙醇抽提后,取相當(dāng)于0.3 g絕干質(zhì)量的木粉,用72%硫酸在30℃下水解1 h,再將水解液稀釋至硫酸濃度為4%,然后在高壓滅菌鍋內(nèi)水解1 h,之后迅速冷卻；用G4漏斗過濾水解液,取若干自水解液經(jīng)0.22 μm微孔水性濾膜后進(jìn)行HPLC分析。測(cè)得木糖含量,再經(jīng)系數(shù)換算得到自水解后楊木中剩余聚木糖含量(相對(duì)于原料中聚木糖含量)[18]。

1.3.3自水解后楊木中剩余聚木糖分布的測(cè)定

采用免疫熒光標(biāo)記法對(duì)聚木糖在楊木細(xì)胞壁中分布進(jìn)行測(cè)定。楊木中聚木糖對(duì)抗體LM11具有特異的結(jié)合性能[18],用抗體LM11對(duì)聚木糖進(jìn)行標(biāo)記,并用能顯示熒光的二抗 Alexa Fluor 488抗體進(jìn)行染色,使其能在共聚焦顯微鏡下顯示熒光。具體實(shí)驗(yàn)樣品制備過程如下：隨機(jī)從自水解預(yù)處理后的楊木片中挑出幾片,將其裁剪成10 mm(長(zhǎng)) × 1 mm(寬) × 1 mm(厚)的小木條數(shù)根；將小木條在2.5%的戊二醛溶液中浸泡10 h,以使植物組織固定；固定后用自來水沖洗12 h,之后風(fēng)干,再經(jīng)NEG50樹脂包埋后進(jìn)行冷凍切片,切出厚度為5 μm的薄片。用蒸餾水對(duì)切片進(jìn)行脫樹脂,3%的牛血清蛋白磷酸鹽緩液(BSA)孵育 30 min,去除非特異性結(jié)合位點(diǎn)。之后用磷酸鹽緩沖液稀釋一抗大鼠單克隆抗體(聚木糖-雜交瘤細(xì)胞上清液)LM11擬糖蛋白,稀釋5倍后于室溫下孵育1 h(可根據(jù)樣品具體情況延長(zhǎng)孵育時(shí)間),用磷酸鹽緩沖液沖洗3遍,每遍 5 min；再經(jīng)磷酸鹽緩沖液稀釋100倍的二抗 Alexa Fluor 488繼續(xù)孵育切片1 h,之后磷酸鹽緩沖液洗 3 遍,每遍5 min,封片。采用CLSM對(duì)楊木切片進(jìn)行觀察、拍照。激光波長(zhǎng)選為488 nm。

2　結(jié)果與討論

2.1自水解預(yù)處理對(duì)楊木得率及聚木糖含量的影響

本實(shí)驗(yàn)主要研究自水解預(yù)處理過程中自水解溫度和保溫時(shí)間對(duì)水解效果的影響,因此引入了強(qiáng)度因子這一概念來綜合評(píng)價(jià)自水解預(yù)處理強(qiáng)度對(duì)楊木細(xì)胞壁中聚木糖分布的影響。強(qiáng)度因子(R0)首先由R. P. Overend等人[19]提出，其計(jì)算公式見式(1)。

(1)

自水解預(yù)處理?xiàng)l件和相應(yīng)的強(qiáng)度因子如表2所示。

表2　自水解預(yù)處理?xiàng)l件與相應(yīng)的強(qiáng)度因子

按照所選定的條件對(duì)楊木進(jìn)行自水解預(yù)處理,自水解后測(cè)定楊木的得率及楊木中剩余聚木糖含量,結(jié)果如圖1所示。自水解過程中,楊木中的糖類、木素等成分都會(huì)有不同程度的溶出,造成楊木得率的下降。隨著自水解強(qiáng)度的增加,楊木得率和聚木糖的含量都呈不斷下降的趨勢(shì)。當(dāng)自水解強(qiáng)度因子增加到3.72(即自水解溫度160℃、保溫時(shí)間90 min)時(shí),楊木得率下降到了84.85%,楊木中有15.15%的組分被溶出；在此預(yù)處理?xiàng)l件下,楊木中聚木糖含量只有7.33%,相比原料中的14.64%約有50%的聚木糖被溶出。

圖1　自水解強(qiáng)度對(duì)楊木得率及聚木糖含量的影響

2.2自水解預(yù)處理對(duì)固液兩相中聚木糖含量的影響

自水解預(yù)處理后,對(duì)自水解液中的聚木糖占原料中總聚木糖的百分比(即聚木糖含量)及楊木中的聚木糖減少量占原料中聚木糖的百分比(即聚木糖溶出率)進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,預(yù)處理后楊木中聚木糖的溶出率總是高于水解液中聚木糖的含量,但兩者變化趨勢(shì)一致。當(dāng)自水解強(qiáng)度因子為3.24時(shí),楊木中聚木糖溶出率為17.8%,而水解液中檢測(cè)到聚木糖含量?jī)H有6.8%,這很可能是由于水解液中的部分溶出物在自水解結(jié)束后迅速冷卻的過程中重新吸附在自水解預(yù)處理后的楊木上所致。Wen Jialong等人[20]在對(duì)預(yù)處理后木片進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)觀察時(shí)發(fā)現(xiàn),水解后木片纖維表面形成很多球形顆粒物質(zhì),這可能是在高溫酸性條件下從木片中溶解出的木素·碳水化合物復(fù)合體(LCC)遇冷重新沉積到纖維表面所致,經(jīng)洗滌使部分粘附于木片上的這些物質(zhì)流失,從而使木片中聚木糖的溶出率大于水解液中聚木糖的含量。另一方面,在自水解預(yù)處理過程中隨著自水解強(qiáng)度因子的增加,部分溶解在水解液中的聚木糖降解成糠醛等副產(chǎn)物，也減少水解液中聚木糖的含量[21],使實(shí)際測(cè)得的水解液中聚木糖含量低于預(yù)處理后楊木中聚木糖的溶出率。

圖2　自水解強(qiáng)度對(duì)固液兩相聚木糖含量的影響

2.3自水解預(yù)處理對(duì)楊木纖維細(xì)胞壁中聚木糖分布的影響

采用免疫熒光標(biāo)記法結(jié)合共聚焦顯微鏡對(duì)自水解預(yù)處理后楊木中聚木糖的分布進(jìn)行拍照觀察,并用Fluoviewer Viewer軟件對(duì)所得圖像進(jìn)行處理,結(jié)果如圖3～圖5所示。圖3、圖4、圖5中,A為CLSM拍攝得到圖片；B為A中1、2處細(xì)胞壁放大圖,C為圖片A中1、2處兩條測(cè)量線所對(duì)應(yīng)的熒光信號(hào)強(qiáng)度,此信號(hào)的強(qiáng)弱表征該處聚木糖濃度的大小。由圖3可以看到,未經(jīng)自水解預(yù)處理的楊木中聚木糖熒光信號(hào)強(qiáng)度雖然在不同地方有所波動(dòng),但其波動(dòng)幅度很小,相對(duì)均勻地分布于細(xì)胞壁內(nèi)。由此可以推斷,在未經(jīng)自水解預(yù)處理的楊木纖維細(xì)胞壁內(nèi)聚木糖的濃度相對(duì)均勻。這一點(diǎn)與Jong Sik Kim等人[22]在用熒光標(biāo)記及金標(biāo)記法觀察不同生長(zhǎng)狀況的楊木時(shí)所得到的結(jié)果相一致,并且他們?cè)谄溲芯恐兄赋?正常生長(zhǎng)的楊木纖維細(xì)胞次生壁內(nèi)的聚木糖呈現(xiàn)較強(qiáng)且相對(duì)均勻的分布趨勢(shì)。

圖3　未經(jīng)自水解預(yù)處理的楊木中聚木糖分布的CLSM圖

圖4　自水解預(yù)處理后楊木中聚木糖分布的CLSM圖(強(qiáng)度因子2.65)

圖5　自水解預(yù)處理后楊木中聚木糖分布的CLSM圖(強(qiáng)度因子3.54)

經(jīng)自水解預(yù)處理后部分聚木糖從纖維細(xì)胞壁中溶出,從圖4可以看到經(jīng)強(qiáng)度因子為2.65(即自水解溫度140℃、保溫時(shí)間30 min)的自水解預(yù)處理后,楊木纖維細(xì)胞壁中心部位的熒光信號(hào)比未經(jīng)處理?xiàng)钅镜穆杂邢陆?line 1中2.0～3.0 μm之間及4.0 μm前后,line 2中2.0 μm前后和4.0 μm前后),而靠近纖維細(xì)胞腔周圍及胞間層的熒光信號(hào)幾乎沒有減弱,有些細(xì)胞壁中甚至還有少許增加,如圖4 C中1.0 μm左右處。從HPLC檢測(cè)結(jié)果可知在此條件下聚木糖溶出率較少,僅為6.35%(相對(duì)原料中聚木糖),另外90%以上的聚木糖還存在于纖維細(xì)胞壁內(nèi)。從圖4中也可看出,楊木次生壁部分的熒光信號(hào)雖有所下降,但下降幅度不大,說明聚木糖的溶出量也較小。這一點(diǎn)與HPLC測(cè)得的結(jié)果(見圖2)相吻合。

采用HPLC對(duì)強(qiáng)度因子為3.54(即自水解溫度160℃、保溫時(shí)間60 min)的自水解預(yù)處理后的楊木進(jìn)行了聚木糖含量的測(cè)定。從分析結(jié)果(圖2)可知,在此條件下楊木中的聚木糖溶出率較大,有34.22%的聚木糖被溶出。圖5為經(jīng)強(qiáng)度因子3.54自水解預(yù)處理后的楊木在共聚焦顯微鏡下得到的熒光譜圖。從圖5中可以看出,相鄰兩個(gè)纖維細(xì)胞的細(xì)胞壁靠近胞腔部分信號(hào)最強(qiáng)(C部分中1.0 μm 左右)。與未經(jīng)自水解預(yù)處理的楊木相比,表征聚木糖濃度的熒光信號(hào)強(qiáng)度下降程度較低,而纖維細(xì)胞壁中心部位熒光信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)未處理的楊木有明顯的下降。

在自水解預(yù)處理的過程中,楊木中的聚木糖隨著自水解強(qiáng)度的增加而不斷的溶出,且強(qiáng)度因子越大,聚木糖溶出率越大。由CLSM測(cè)定的結(jié)果可看出,在同一預(yù)處理?xiàng)l件下楊木中聚木糖不斷溶出的過程中,纖維細(xì)胞壁中心部位的熒光信號(hào)降低程度較胞間層及細(xì)胞腔附近部位要大；同一預(yù)處理?xiàng)l件下細(xì)胞腔附近及胞間層部分聚木糖熒光信號(hào)減少很??；在自水解預(yù)處理強(qiáng)度因子較小的條件下,有些細(xì)胞的胞腔附近及胞間層聚木糖熒光信號(hào)甚至還會(huì)有所增加。這可能是由于在自水解預(yù)處理結(jié)束時(shí),溫度的下降導(dǎo)致尺寸較大的低聚木糖的溶解度減小,之后低聚木糖又重新沉積在細(xì)胞壁外表面所造成。Gray M. C.等人[23]在對(duì)玉米秸稈進(jìn)行自水解預(yù)處理時(shí),觀察到當(dāng)溫度從80℃下降到25℃時(shí)聚合度較大的低聚木糖溶解度有明顯的降低。導(dǎo)致上述結(jié)果的另一種可能原因是：經(jīng)自水解后楊木表面會(huì)沉積很多木素或LCC的球形顆粒[24],該球形顆粒中可能包含有水解過程中溶出的聚木糖,從而使纖維細(xì)胞壁表面及胞腔附近的聚木糖熒光信號(hào)比其內(nèi)部強(qiáng)。也可以說,在自水解預(yù)處理過程中纖維細(xì)胞壁內(nèi)的聚木糖發(fā)生了再分布。

2.4CLSM分析法與HPLC檢測(cè)法的比較

利用HPLC測(cè)定楊木中的聚木糖含量,可以得知聚木糖含量在自水解過程中的整體變化趨勢(shì)(見圖2)。通過CLSM拍攝得到各強(qiáng)度因子下自水解預(yù)處理后楊木中聚木糖的分布圖,對(duì)每個(gè)自水解條件下CLSM圖中多個(gè)區(qū)域進(jìn)行熒光強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)并求其平均值。假設(shè)未經(jīng)自水解預(yù)處理的空白樣中平均熒光強(qiáng)度為1,計(jì)算其余各處理?xiàng)l件下樣品中熒光強(qiáng)度與空白樣熒光強(qiáng)度的比值,這樣也可以表征整個(gè)纖維細(xì)胞壁內(nèi)聚木糖含量的變化趨勢(shì)。將上述兩種方法測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到的結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出,采用CLSM的熒光強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果與采用HPLC檢測(cè)法測(cè)定的結(jié)果相比較,兩者的變化趨勢(shì)完全一致。

圖6　CLSM分析法與HPLC檢測(cè)法比較

3　結(jié)　論

3.1楊木自水解預(yù)處理過程中楊木得率隨著自水解強(qiáng)度因子的增大而減小,聚木糖溶出率隨自水解強(qiáng)度因子增大而增大。溶出的聚木糖一部分分布于自水解液中,一部分在水解過程中不斷降解成糠醛等副產(chǎn)物,還有一部分在自水解預(yù)處理結(jié)束后的冷卻過程中沉積在細(xì)胞壁表面,在木片洗滌過程中這部分聚木糖會(huì)有所流失。

3.2未經(jīng)自水解預(yù)處理的楊木中的聚木糖較均勻地分布于纖維細(xì)胞壁中；而經(jīng)自水解預(yù)處理后細(xì)胞壁中心部位的聚木糖含量減少較多,細(xì)胞腔附近及胞間層內(nèi)的聚木糖減少量較小。

3.3采用共聚焦顯微鏡(CLSM)的熒光強(qiáng)度分析法與高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)法測(cè)定楊木中剩余聚木糖含量,結(jié)果兩種檢測(cè)法有相同的變化趨勢(shì)。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Effect of Auto-hydrolysis Pretreatment on Xylan Distribution in the Cell Walls of Poplar Chips

GENG Xing-yueLIU WeiHOU Qing-xi*CHEN Wei

(TianjinKeyLabofPulp&Paper,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457)

The change of xylan distribution in the cell wall of poplar chips caused by auto-hydrolysis pretreatment was studied by using immunofluorescence combined with confocal laser scanning microscopy (CLSM). A gradual loss of xylan antibody signals in the center of the poplar cell wall was observed but only a slight loss at the edge or even a slight increase at some places of the cell walls were found as the intensity factor of auto-hydrolysis pretreatment increased. HPLC analysis was also conducted to measure the overall change of xylan content. As the intensity factor increased to 3.72, xylan content decreased from 14.64% to 7.33%. The change of the xylan signal intensity from spectra of the CLSM had the same trend as that of the xylan content determined by using the HPLC analysis.

auto-hydrolysis pretreatment; xylan in poplar chips; immunofluorescence; confocal laser scanning microscopy

耿星月女士,在讀碩士研究生；主要研究方向：清潔制漿技術(shù)與機(jī)理,生物質(zhì)資源利用。

2015-11-29(修改稿)

本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31270630)的資助。

侯慶喜先生,E-mail:qingxihou@tust.edu.cn。

TS721+.1

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.001