Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ЛИГНИНА В ДРЕВЕСИНЕ МЕТОДОМ ИК ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ

Хвиюзов С.С. 2 Боголицын К.Г. 1, 2 Гусакова М.А. 2 Зубов И.Н. 2
1 ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
2 ФГБУН «Институт экологических проблем Севера» УрО РАН
Разработан методический подход для определения содержания лигнина в древесине методом ИК Фурье-спектроскопии. Методика определения содержания лигнина основана на расчете величины относительной оптической плотности полосы поглощения лигнина с использованием внутреннего стандарта. Предложенная методика апробирована на широком круге образцов хвойной и лиственной древесины. Проанализированы различия ИК-спектров хвойной и лиственной древесины. Выполнены сопоставительные исследования изменения содержания лигнина в древесине можжевельника обыкновенного (Juniperus communis), ели обыкновенной (Picea abies) и осины обыкновенной (Populus tremula) классическими химическими и спектральными методами. Разработанные подходы были использованы для исследования процессов лигнификации древесины. Показано, что при изменении возраста можжевельника обыкновенного в процессе лигнификации происходит изменение относительного содержания лигнина в древесине.
компонентный состав древесины
лигнин
инфракрасная спектроскопия
1. Боголицын К.Г., Лунин В.В. Физическая химия лигнина. – М.: Академкнига, 2010. – 492 с.
2. Жбанков Р.Г., Козлов П.В. Физика целлюлозы и ее производных. – Минск: Наука и техника, 1983. – 296 с.
3. Зубов И.Н., Хвиюзов С.С., Лобанова М.А., Гусакова М.А., Боголицын К.Г. Влияние абиотических факторов на формирование лигноуглеводной матрицы древесины можжевельника // Лесной журнал. – 2012. – № 1. – С. 113–120.
4. Карклинь В.Д. ИК-спектроскопия древесины и ее основных компонентов. V. Количественное сравнение ИК-спектров древесины на основе внешнего стандарта – гексаферрицианида калия // Химия древесины. – 1975. – № 1. – С. 56–62.
5. Карклинь В.Б., Крейцберг З.Н., Екабсоне М.Я. ИК-спектроскопия древесины и ее основных компонентов. VII. Определение по ИК-спектрам содержания лигнина в препаратах березовой древесины, разрушенной грибом Fomitopsis Pinicola // Химия древесины. – 1975. – № 2. – C. 53–57.
6. Левин Э.Д., Рубчевская Л.П. О представительности проб при изучении химического состава древесины // Химия древесины. – 1980. – № 4. – С. 103–106.
7. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. – М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 712 с.
8. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. – М.: Экология, 1991. – 320 с.
9. Пустынная М.А., Гусакова М.А., Боголицын К.Г. Региональные и возрастные изменения химического состава лигноуглеводной матрицы лиственной древесины (на примере осины Populus Tremula) // Лесной журнал. – 2015. – № 1. – С. 133–143.
10. Сарканен К.В., Людвиг К.Х. Лигнины. – М.: Лесная промышленность, 1975. – 632 с.
11. Хабаров Ю.Г., Песьякова Л.А. Аналитическая химия лигнина. – Архангельск: АГТУ, 2008. 172 с.
12. Adams R.P., Pandey R.N., Leverenz J.W., Dignard N., Hoegh K., Thorfinnsson T. Pan-Arctic variation in Juniperus communis: Historical Biogeography based on DNA fingerprinting // Biochem. Syst. Ecol. – 2003. – Vol. 31. – P. 181–192.
13. Derkacheva O., Sukhov D. Investigation of lignins by FTIR spectroscopy // Macromolecular Symposia. – 2008. – Vol. 265, No. 1. – P. 61-68.
14. Lin S.Y., Dence C.W. Methods in Lignin Chemistry. – Berlin: Springer-Verlag, 1992. – 578 p.
15. Vanholme R., Demedts B., Morreel K., Ralph J., and Boerjan W. Lignin Biosynthesis and Structure // Plant Physiol. – 2010. – Vol. 153. – P. 895–905.

В настоящее время древесное вещество рассматривается как бионанокомпозит, основу которого составляют полисахаридные компоненты целлюлоза и гемицеллюлоза, а также ароматический полифункциональный полимер нерегулярного строения – лигнин. В процессе биосинтеза древесного вещества при непосредственном участии мультиферментативных комплексов формируются состав, строение и свойства лигноуглеводных композитов, которые определяют поведение растительных полимеров при различных воздействиях. В связи с этим исследование биосинтеза компонентов клеточных оболочек, химического состава древесины и влияния на него различных факторов является актуальной научной задачей и представляет значительный интерес [1, 7, 15].

Инфракрасная Фурье-спектроскопия используется для исследования строения, структуры, функциональной природы компонентов древесины, технических целлюлоз как информативный метод исследования [2, 11, 13, 14]. Вместе с тем возможности применения ИК-спектроскопии для количественного определения содержания лигнина в растительных матрицах до конца не изучены. Целью данной работы является разработка нового методологического подхода и расширение возможностей применения метода ИК-спектроскопии для исследования изменения содержания лигнина в процессе лигнификации древесины.

Материалы и методы исследования

В качестве объектов исследования выбраны ель обыкновенная (Picea abies) и осина обыкновенная (Populus tremula) как наиболее распространенные виды хвойной и лиственной древесины, а также можжевельник обыкновенный (Juniperus communis) как наименее изученный реликтовый представитель хвойных. Представительные образцы древесины были отобраны в районах северной, средней тайги и тундры Европейского Севера России в пределах их естественного ареала и вне зоны влияния антропогенных факторов.

Химический состав более 30 образцов древесины определен по стандартным методикам [8]. Для анализа использовали опилки влажностью 5–8 %, подготовленные из стволовой части древесины [6]. Определение содержания целлюлозы проводилось азотно-спиртовым методом, лигнина – методом Класона в модификации Комарова по данным четырех параллельных определений. При анализе лиственной древесины сернокислотным методом растворяется до 25 % лигнина, поэтому для древесины осины определено общее содержание с учетом кислоторастворимого лигнина по данным УФ-спектрофотометрического метода [9].

В сочетании с классическими методами анализа для исследования компонентного состава древесины использован неразрушающий метод ИК Фурье-спектроскопии. Для характеристики относительного содержания лигнина в образцах древесины была разработана методика, основанная на расчете величины относительной оптической плотности Клиг по формуле

Kлиг = Dлиг/Dст,

где Dлиг – оптическая плотность полосы поглощения лигнина; Dст – оптическая плотность полосы поглощения внутреннего стандарта.

ИК-спектры срезов древесины толщиной 0,12 ± 0,04 мм записаны в диапазоне от 4000 до 400 см–1 при спектральном разрешении 4 см–1 и числе сканов 50 относительно воздуха. Интенсивность полосы поглощения 1504–1508 см–1 была использована для определения содержания лигнина. В качестве внутреннего стандарта использованы полосы поглощения при 1425 и 895 см–1 [4, 5]. Оптические плотности определены относительно базовой линии, которую проводили по волновым числам 4000, 3700, 2700, 1800, 850 см–1.

Результаты исследования и их обсуждение

Химический состав древесины не является постоянным и зависит от ряда факторов: вида и части исследуемой древесины, условий произрастания, влияния биотических факторов, возраста древесины [7]. В табл. 1 приведены экспериментальные данные по содержанию основных компонентов древесины, доверительный интервал при вероятности 95 % не превышает ± 1 %.

Выполненные спектральные исследования образцов хвойной и лиственной древесины выявили наличие на ИК-спектрах полос поглощения групп различных компонентов древесины, а также полос, характеризующих связи между компонентами (рис. 1).

Так, интенсивная полоса поглощения в области 3200–3500 см–1 вызвана валентными колебаниями ОН-групп, вовлечённых в водородные связи, полоса при 3000–2800 см–1 – валентными колебаниями связей в СН- и СН2-группах, а при 1735–1740 см–1 – валентными колебаниями С = O-групп. Поглощение при 1160, 1107, 1060 и 1033 см–1 обусловлено валентными колебаниями С–О простых эфирных связей, а при 900 и 663 – деформационными колебаниями С–Н-связей. Поглощение при 1630 и 1650 см–1 вызвано наличием связанной воды в древесине. Скелетные колебания ароматического кольца лигнина проявляются при 1605, 1510 см–1 [13, 14].

Таблица 1

Содержание основных компонентов древесины

Древесина

Возраст, лет

Лигнин, %

Целлюлоза, %

Ель

44–148

26,6–32,8

38,9–48,8

Можжевельник

47–140

28,3–35,2

36,4–47,0

Осина

10–70

23,9–29,2

44,8–51,1

pic_71.wmf

Рис. 1. ИК-спектры срезов хвойной и лиственной древесины

Основные различия ИК-спектров хвойной и лиственной древесины выражены в положении максимумов поглощения ароматических колец лигнина в диапазоне 1504–1508 см–1, что обусловлено особенностями строения лигнинов – наличием сирингильных структур в лиственных лигнинах [10]. На ИК-спектрах полоса поглощения ароматических структур лигнина для древесины ели наблюдается при 1508 см–1, можжевельника – 1506–1508 см–1, осины – 1504 см–1. Интенсивности данных полос поглощения были использованы для расчета величин Клиг и оценки его содержания в древесине. Показано (рис. 2), что при увеличении общего содержания лигнина наблюдается линейное возрастание величин Клиг.

pic_72.wmf

Рис. 2. Корреляция величины Клиг от содержания лигнина в древесине

pic_73.wmf

Рис. 3. Изменение содержания лигнина в зависимости от возраста древесины можжевельника

Установлено, что для расчета содержания лигнина предпочтительно использовать в качестве внутреннего стандарта полосу поглощения 895 см–1, при этом линейные зависимости Клиг от содержания лигнина в древесине (рис. 2) имеют большие коэффициенты корреляции, доверительный интервал при вероятности 95 % составляет ± 3,5 %. Разработанная методика является экспрессной и универсальной, применимой для малоизмененных образцов хвойной и лиственной древесины. Важным преимуществом разработанного подхода является возможность оценить общее содержание лигнина в процессе одного анализа. Полученные данные показывают применимость данной методики для исследования процессов биосинтеза лигнина в древесине.

Воспользуемся предлагаемой методикой для характеристики изменения содержания лигнина в древесине в процессе жизненного цикла растений. Общее изменение содержания лигнина в процессе его биосинтеза зависит от вида растения. В качестве биообъекта нами выбран можжевельник обыкновенный (Juniperus communis), обладающий обширным ареалом распространения и длительным периодом жизни [12]. Изменение общего содержания лигнина, по данным метода ИК-спектроскопии, представлено на рис. 3.

В процессе роста и развития можжевеловых деревьев в условиях Европейского Севера идет активный процесс лигнификации древесного вещества, увеличивается содержание лигнина, максимальное количество которого наблюдается в возрасте 90 лет. При достижении можжевельником возраста зрелой древесины, вероятно, интенсифицируются окислительные процессы с участием оксикоричных кислот, что приводит к уменьшению образования основных монолигнолов п-оксикоричного, кониферилового и синапового спирта и в конечном итоге к уменьшению содержания лигнина [3]. Таким образом, изменение содержания лигнина свидетельствует об изменении окислительно-восстановительного баланса древесной матрицы в процессе жизненного цикла растений.

Выводы

1. Предложен методический подход для определения содержания лигнина в древесине методом ИК Фурье-спектроскопии.

2. На примере можжевельника обыкновенного показано, что при изменении возраста древесины в процессе лигнификации происходит изменение относительного содержания лигнина в древесине.

Исследования выполнены при финансовой поддержке ФАНО России в рамках проекта № 0410-2014-0029 и при финансовой поддержке РФФИ грант № 14-03-31551 мол_а на оборудовании ЦКП КТ РФ Арктика (ИЭПС, ИФПА УрО РАН).

Рецензенты:

Карманов А.П., д.х.н., профессор, ведущий научный сотрудник, Институт биологии Коми научного центра УрО РАН, г. Сыктывкар;

Хабаров Ю.Г., д.х.н., профессор кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, г. Архангельск.


Библиографическая ссылка

Хвиюзов С.С., Боголицын К.Г., Гусакова М.А., Зубов И.Н. ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ЛИГНИНА В ДРЕВЕСИНЕ МЕТОДОМ ИК ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 9-1. – С. 87-90;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38970 (дата обращения: 29.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074