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