在树木的生长过程中，木质素的生物合成途径在不同的生长期由于受到树木产生的生长激素的影响，使木质素在细胞壁中的分布和含量上都会发生变化(胡新生等，1999)，同时所生成的木质素在化学结构上也会有所不同。这样树木在幼龄期和成熟期所生成的木质素在化学结构上就会有所差异，这种差异可以从木质素的化学官能团和化学键特征的变化上得到体现(秦特夫，2001)。木质素是一种具有芳香族特征的、非结晶性的并具有三维空间结构的高聚合物，其基本结构单元是苯基丙烷，彼此以醚键和碳碳键联结，而在木质素骨架中侧链上有各种化学官能团，这些结构单元间的键型组成变化和化学官能团的差异都会影响木材的力学性质(Abreu et al., 1999)和化学反应性。研究木质素在不同生长期的化学官能团和化学键特征，对进一步了解木质素的生物合成途径，探索木质素合成代谢的基因控制方法，从而实现树木的基因改良，评价木材品质和在木材制浆、漂白、染色和木质素的化学利用等方面都有重要的意义。

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方主要造林树种，具有生长快、适应性强和用途广泛的特点，是我国进行树木基因工程改良的首选树木之一；然而对杉木生长过程的木质素化学官能团和化学键结构的特征变化的研究目前国内尚未见报道。探明杉木木质素在其幼龄期和成熟期的木质素化学官能团和化学键的特征及其差异，对选择适当的杉木木质素基因改良途径和进行杉木的化学改性利用都具有重要的意义。

本文对从杉木幼龄材和成熟材中分离出的磨木木质素通过有机元素分析、FTIR、¹H NMR和化学分析方法进行了系统研究，探明了杉木不同生长期木质素在分子式、主要化学官能团和化学键特征方面的差异。这为了解杉木木质素在不同生长期的形成过程和结构特征，进行杉木木质素的生物合成途径的基因改良和对木质素形成过程进行调节的深入研究，实现杉木品质改良以及对木材性质影响的研究提供了重要依据。

1 材料与方法 1.1 材料

所用杉木采自江西分宜中国林业科学研究院亚热带林业试验中心。

1.2 方法 1.2.1 样品制备

根据杉木试材胸高部位的管胞长度和基本密度径向变化曲线确定其幼龄期为14 a。将试材圆盘气干后，按杉木幼龄材和成熟材分别取样制成木粉，木粉经苯-乙醇提取后，用球磨机在温和条件下研磨成200目以下的粉末。

1.2.2 磨木木质素(MWL)的提取

称取100 g研磨后的木材粉末，在常温下用二氧六环/水(8:2)的混合溶剂在不断的搅拌条件下分3次反复提取，将木材中的可溶性物质和MWL全部提出。提取液用旋转蒸发器在真空条件下于40℃将溶剂蒸干，即可得到粗制磨木木质素。

1.2.3 磨木木质素的提纯

由于在粗制磨木木质素中含有许多诸如糖类的低分子杂质，因此要获得高纯度的磨木木质素就必须进行提纯。提取技术路线参照秦特夫(1999)进行。

1.2.4 磨木木质素的有机元素、FTIR和¹H NMR波谱特征测定

有机元素及甲氧基含量的测定：木质素中的碳(C)和氢(H)的含量用Carlo Zrba1106型元素分析仪测定，氧(O)含量用ST-02.G.C型分析仪测定；木质素中甲氧基含量按照ASTM D1166-84标准方法测定，该方法根据甲氧基与氢碘酸共沸能定量生成碘甲烷的原理进行，反应生成的碘甲烷经溴置换后生成碘酸，然后在酸性条件下用碘化钾处理碘酸，产生的碘用硫代硫酸钠测定。红外光谱(FTIR)的测定：将木质素样品加入适量的KBr中，在干燥条件下混合均匀后研磨，压片。在Nicolet公司的lnpact-410型FTIR光谱仪上进行测定。¹H NMR波谱的测定:将100 mg木质素样品溶于2 mL吡啶/乙酸酐(1:1)混合溶剂中，在反应瓶中充入氮气保护，在黑暗处室温下放置72 h。待反应完成后，将反应物滴入乙醚中沉淀出来，然后用离心机分离。用乙醚反复洗涤沉淀6至8次，直至沉淀中没有吡啶气味。最后得到完全乙酰化的木质素。将经乙酰化处理后的木质素样品溶在0.5 mL CDCl₃中，用四甲基硅烷(TMS)做内标，用BruherDMX300NB型超导核磁共振波谱仪，在300 MHz条件下进行测定。总羟基和酚羟基含量通过¹H NMR的积分换算和图谱中芳香族乙酰基及脂肪族乙酰基的质子数推算得到。

2 结果与讨论 2.1 有机元素分析和甲氧基含量

表 1列出了杉木幼龄材和成熟材两种磨木木质素的有机元素组成、甲氧基含量及C₉结构经验式。分析结果可见：杉木幼龄材木质素中碳元素和氢元素含量分别比成熟材低0.24%和0.20%，而氧元素的含量则高2.42%。两种木质素结构中甲氧基的含量相差0.81%；而在阔叶材杨树(Populus×canadensis cv.‘I-214’)的心、边材木质素中两者甲氧基含量相差可达8.73%(秦特夫，2001)。根据有机元素分析和甲氧基含量的测定结果，按报道的方法换算和计算(Lenz，1968；Vazquez et al., 1997)，分别推导出杉木幼龄材与成熟材磨木木质素苯基丙烷结构单元的经验式。从结果可见：组成杉木幼龄材与成熟材的磨木木质素具有不同的化学构成。

2.2 红外光谱(FTIR)特征

表 2列出了杉木幼龄材与成熟材木质素的红外光谱吸收峰特征，从表中可见这两种木质素化学官能团的组成波数基本相同，但在成熟材中有1 329 cm^-1处所表征的紫丁香基的特征峰存在。这表明在杉木的木质素结构中：幼龄材部分的芳香环结构主要由愈疮木基组成，而在成熟材部分除愈疮木基外还有少量的紫丁香基存在。这一试验结果证实了在针叶材中组成木质素的芳香基主要为愈疮木基这一事实，也发现了紫丁香基的存在。在木质素的紫丁香基官能团上有两个甲氧基，这也可解释在杉木成熟材中具有较高的甲氧基含量的原因。由于木质素在植物内形成愈疮木基和紫丁香基具有不同生物合成过程，且促进这两种木质素合成的酶的作用各不相同，因此可以推断杉木幼龄材与成熟材的木质素在树木的不同年龄段受到不同的生物合成酶的作用。深入研究这一过程和因素，对促进树木的基因改良具有重要的意义。

杉木幼龄材、成熟材木质素在结构上除在成熟材中具有紫丁香基官能团这一差异外，其它官能团在组成上基本相同；但其化学结构中构成各种官能团的相对含量却存在差异，这从红外光谱图中各特征峰强度之间的差异即可判断。从图 1可见：在1 720 cm^-1处表征非共轭的酮、羰基和酯中的C－O伸缩振动的信号和在1 663 cm^-1处表征木质素共轭羰基C－O伸缩振动的信号之间的强度成熟材和幼龄材具有较大的差别。成熟材木质素在1 663 cm^-1处与1 720 cm^-1处之间的信号强度差异比幼龄材中两峰强度之间的差异要大，这意味着在成熟材木质素中共轭羰基C－O官能团数量相对于非共轭的酮、羰基和酯中的C－O官能团的数量比幼龄材中要高。红外光谱分析结果表明：杉木幼龄材与成熟材两种木质素化学官能团之间不但在组成上存在差异，而且在某些相同化学官能团的相对含量上也存在差异。

2.3 ¹H NMR特征 2.3.1 木质素中的羟基官能团

从杉木幼龄材木质素的经验式C₉H_8.73O_2.57(OCH)_0.84和表 3中所列的其每C₉单元的脂肪基和芳香基质子数可知，杉木幼龄材木质素中醋酸酯(OAc)/甲氧基(OCH₃)的克分子比例为(0.87+2.04)/0.84=3.00，从而可知杉木幼龄材木质素中醋酸酯(OAc)/C₉的总比例为(0.84 OCH₃/C₉)×(3.00 OAc/每个OCH₃)=2.52，其中脂肪族醋酸酯(OAc)/C₉的比例为(0.84 OCH₃/C₉)×(2.04 OAc/2.52 OCH₃)=0.68，芳香族的醋酸酯(OAc)/C₉比例为(0.84 OCH₃/C₉)×(0.87 OAc/2.52OCH₃)=0.29。从而可以计算出，杉木幼龄材木质素中的脂肪族羟基(OH_aliph)和游离酚羟基(OH_ph)的数量为：在每C₉单元中分别是0.68利0.29。由此可知，在杉木幼龄材木质素中脂肪族羟基(OH_aliph)占总羟基数的70.1%，游离酚羟基(OH_ph)占总羟基数的29.9%。

杉木成熟材木质素的经验式为C₉H_9.01O_2.24(OCH₃)_0.90，根据相同的计算方法，杉木成熟材木质素中的脂肪族羟基(OH_aliph)和游离酚羟基(OH_ph)的数量在每C₉单元中分别为0.68和0.22。杉木成熟材木质素中的脂肪族羟基(OH_aliph)占总羟基数的75.6%，游离酚羟基(OH_ph)占总羟基数的24.4%。

2.3.2 木质素的芳香族官能团

与阔叶材的木质素不同，针叶材芳香族在¹H NMR的波谱范围内仅出现一个愈疮木基强特征峰(图 2)，这一现象与红外光谱的测定结果有所不同，在成熟材的波谱图中并未出现明显的紫丁香基特征峰。其原因可能为：在成熟材木质素中的紫丁香基数量较少，在¹H NMR的波谱中表示紫丁香基的特征峰被表示愈疮木基的强特征峰所覆盖。表 3所列数据表明：杉木幼龄材木质素中每C₉单元的愈疮木基质子信号数为1.35，杉木成熟材木质素中每C₉单元的愈疮木基质子信号数为1.49，这意味着杉木成熟材的木质素中具有较多的芳香族化合物。

2.3.3 木质素的主要化学键

从表 3可见：杉木幼龄材和成熟材木质素结构单元中的主要化学键型有4种，分别为β-O-4键、β-5键、β-β键和β-1键，其数量可根据木质素每C₉单元的质子数的分布得到。从测定结果可见：在成熟材木质素中各种键型的数量均比在幼龄材中的多。

上述研究结果表明：杉木幼龄材和成熟材木质素的单元结构具有不同的化学官能团和化学键组成，这种差异对了解木质素的生物合成方式和化学反应性都具有重要意义。因此，对杉木幼龄材和成熟材的化学特性应作为两个不同的对象进行研究。

3 结论

杉木幼龄材与成熟材的磨木木质素具有不同的化学构成。幼龄材木质素的C₉经验式为C₉H_8.73O_2.57(OCH₃)_0.84，成熟材木质素的C₉经验式为C₉H_9.01O_2.24(OCH₃)_0.90。

红外光谱研究表明：杉木幼龄材木质素的芳香环结构主要由愈疮木基组成，成熟材除愈疮木基外还有紫丁香基基团存在。成熟材木质素中共轭羰基C－O官能团数量相对于非共轭的酮、羰基和酯中的C－O官能团的数量比幼龄材中要高。

杉木木质素的¹H NMR研究表明：杉木幼龄材木质素中脂肪族羟基(OH_aliph)占总羟基数的70.1%，游离酚羟基(OH_ph)占总羟基数的29.9%。成熟材木质素中的脂肪族羟基(OH_aliph)占总羟基数的75.6%，游离酚羟基(OH_ph)，占总羟基数的24.4%。杉木成熟材的木质素中具有较多的芳香族化合物。

杉木幼龄材和成熟材木质素结构单元中的主要化学键型为β-O-4键、β-5键、β-β键和β-1键，且成熟材木质素中各种键型的数量均比幼龄材中的多。