通过直接浸渍电喷雾离子化傅里叶变换离子回旋共振质谱法对小麦秸秆、大麦秸秆和桦木半纤维素的组成进行分析

《ACS Sustainable Resource Management》：Compositional Analysis of Wheat Straw, Barley Straw, and Birch Wood Hemicelluloses via Direct-Infusion Electrospray Ionization Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry

半纤维素提取物的质谱分析揭示不同来源的化学结构差异，包括乙酰化程度和木质素-碳水化合物复合物的存在。摘要：本研究利用高分辨质谱技术分析小麦秸秆、大麦秸秆和桦木半纤维素的组成，发现桦木半纤维素含有大量木质素-碳水化合物复合物，而其他来源以乙酰化寡糖为主，且正负离子模式提供互补信息。

　　本研究聚焦于一种重要的生物聚合物——半纤维素的化学组成分析。半纤维素是地球上最丰富的生物聚合物之一，广泛存在于木质纤维素生物质中，其结构和组成因植物种类而异。由于半纤维素具有复杂的化学结构和多样的单体组成，其在工业生物精炼中的应用一直受到限制。本研究通过使用一种先进的分析技术——直接注入超高分辨率电喷雾电离傅里叶变换离子回旋共振质谱（DI-HRMS），对三种潜在的生物质来源（小麦秸秆、大麦秸秆和桦木）的半纤维素提取物进行了深入的化学组成分析，旨在揭示其结构特征，从而为未来更高效地利用这些生物质资源提供理论依据和技术支持。

### 一、研究背景与意义

半纤维素作为木质纤维素生物质的重要组成部分，其化学复杂性决定了其在生物精炼中的应用潜力。尽管半纤维素在可持续生产平台化学品、特种化学品、食品添加剂和药物原料等方面展现出广阔的前景，但其复杂的结构、多样的单体组成以及在高效分离和转化过程中遇到的挑战，使得半纤维素的利用效率相对较低。特别是，半纤维素中的木聚糖（xylan）和阿拉伯木聚糖（arabinoxylan）在不同植物来源中表现出显著的差异。例如，木聚糖在硬木中以葡萄糖醛酸木聚糖（glucuronoxylan, GX）为主，而在禾本科植物中则以阿拉伯木聚糖为主。此外，半纤维素与木质素之间的共价连接（即木质素-碳水化合物复合物，LCCs）也是影响其化学行为和应用潜力的重要因素。

为了更全面地理解半纤维素的化学组成，研究者需要一种高分辨率、高灵敏度的分析手段。传统方法如气相色谱或液相色谱通常需要对样品进行预处理和衍生化，而这些过程可能会改变半纤维素的原始结构，影响后续的转化效率。相比之下，直接注入电喷雾电离傅里叶变换离子回旋共振质谱（DI-HRMS）技术能够在不进行分离或衍生化的情况下，直接对复杂的有机混合物进行分析，具有极高的分辨率和准确性。这一技术在揭示半纤维素的单体组成、侧链结构以及与其他成分的相互作用方面展现出独特的优势。

### 二、实验材料与方法

本研究使用的三种半纤维素样品分别来源于小麦秸秆（WS）、大麦秸秆（BS）和桦木（BW）。其中，桦木样品为水溶液，而小麦和大麦样品则为乙醇沉淀后的固体。所有样品均在实验前进行了适当的预处理，以确保其在质谱分析中的可溶性和稳定性。例如，桦木样品在实验前经过离心处理，以去除可能存在的不溶性残留物；而小麦和大麦样品则通过超声波处理使其充分溶解，随后稀释至适当的浓度以进行电喷雾电离（ESI）分析。

实验过程中，所有样品均通过12特斯拉（12-T）的Bruker solariX XR傅里叶变换离子回旋共振质谱仪进行分析。该仪器配备了动态谐振的ICR单元和Apollo-II ESI源，能够提供超高分辨率的质谱数据。样品以2 μL/min的流速引入离子源，并在不同的离子模式（正离子和负离子）下进行分析。正离子模式下，样品主要以钠和钾的加合物形式存在，而负离子模式则更倾向于检测酸性化合物，如含有葡萄糖醛酸（GlcA）或其甲基化形式（4-O-甲基葡萄糖醛酸，MeGlcA）的半纤维素片段。通过这种方式，研究者能够更准确地识别半纤维素的不同结构类型，并评估其在不同来源中的化学组成差异。

### 三、实验结果与分析

在正离子模式下，三种样品的质谱图显示出不同的峰分布模式。其中，小麦秸秆样品（WS）的质谱图中，未取代的木聚糖（Xyl?）和其乙酰化形式（Xyl?-OAc）的信号较为显著。值得注意的是，WS样品的乙酰化程度明显高于BS样品，这可能与其植物来源或种植条件有关。而在负离子模式下，WS样品中检测到的信号主要来自含有葡萄糖醛酸的木聚糖（Xyl?-GlcA）及其甲基化形式（Xyl?-MeGlcA）。这些信号的存在表明，WS样品中可能含有较多的酸性取代基，这可能与其在提取过程中与木质素的相互作用有关。

相比之下，大麦秸秆样品（BS）的质谱图中，MeGlcA取代的木聚糖信号更为显著，而GlcA取代的信号则相对较少。这一现象可能与BS和WS在植物生理上的差异有关，例如对土壤中碱金属的吸收程度不同，从而影响了其半纤维素的乙酰化水平。此外，BS样品中还检测到了一些双乙酰化木聚糖的信号，但其强度相对较低，表明乙酰化在BS样品中并不如在WS样品中普遍。

桦木样品（BW）的质谱图则表现出显著的差异。除了木聚糖和其乙酰化形式外，BW样品中还检测到了大量木质素-碳水化合物复合物（LCCs）和其他酚类化合物的信号。这些信号在正离子模式下尤为明显，表明LCCs在样品中的含量较高。这可能是由于桦木样品在提取过程中采用了水作为溶剂，而水在某些情况下能够溶解部分木质素残留物，从而导致LCCs的出现。此外，BW样品的乙酰化程度也较高，甚至检测到了三乙酰化的木聚糖信号，这表明其在化学修饰方面具有更高的复杂性。

为了进一步揭示半纤维素的化学结构，研究者还采用了碰撞诱导解离（CID）-MS/MS技术，对BW样品中检测到的Xyl?-MeGlcA分子进行了深入分析。CID-MS/MS的结果表明，该分子在断裂过程中产生了多种Y和B型碎片离子，这些离子的分布和强度提供了关于其单体组成和侧链结构的重要信息。例如，Y型离子的出现表明该分子在非还原端发生了糖苷键断裂，而B型离子则提供了关于分子内部结构的信息。此外，研究者还观察到了水分子的中性丢失，这进一步验证了半纤维素中羟基的丰富性和其在解离过程中的行为。

### 四、化学结构与组成特征

通过将半纤维素的化学结构与质谱数据进行对比，研究者能够更准确地识别其单体组成和取代基的类型。例如，在正离子模式下，Xyl?和Xyl?-OAc的信号间隔为132 Da，对应于一个木糖基单元（C?H?O?）。而在负离子模式下，Xyl?-MeGlcA和Xyl?-GlcA的信号间隔分别为14 Da和42 Da，分别对应于单个MeGlcA和单个GlcA的取代。这些信号的出现不仅揭示了半纤维素的单体组成，还反映了其在不同植物来源中的化学修饰差异。

此外，研究者还利用DBE（双键当量）与碳原子数（C#）的图表，对半纤维素样品的化学组成进行了可视化分析。这些图表能够清晰地展示不同样品中各类化合物的相对丰度和化学特征。例如，在BW样品的负离子模式下，DBE值较高的化合物可能对应于含有更多取代基的半纤维素分子，而C#值较高的化合物则可能与较长的聚合度有关。这种图表不仅有助于理解半纤维素的化学多样性，还能够为后续的转化工艺设计提供重要的参考依据。

### 五、技术优势与应用前景

本研究采用的直接注入电喷雾电离傅里叶变换离子回旋共振质谱技术，具有显著的技术优势。首先，该技术能够在不进行任何预处理或衍生化的情况下，直接分析复杂的半纤维素混合物，从而保留其原始化学结构。其次，其极高的分辨率和准确性使得研究者能够区分不同取代基的半纤维素分子，例如MeGlcA和GlcA的取代形式。此外，正负离子模式的结合使用，使得研究者能够从不同角度获取半纤维素的化学信息，从而更全面地理解其组成和结构。

值得注意的是，尽管ESI技术在分析高分子量化合物（如超过3000 Da的半纤维素）时可能存在一定的局限性，但本研究通过优化样品溶解条件和离子化参数，成功克服了这一挑战。例如，在分析BW样品时，研究者采用了水作为溶剂，并通过调整离子化条件，使得LCCs等复杂化合物的信号能够被有效检测。这种技术的应用不仅提高了半纤维素分析的效率，还为未来更高效的生物精炼工艺提供了理论支持。

### 六、研究意义与未来方向

本研究的成果对于推动半纤维素在生物精炼中的应用具有重要意义。首先，通过揭示不同来源半纤维素的化学组成差异，研究者能够更好地理解其在不同转化过程中的行为，从而优化相应的工艺参数。例如，乙酰化程度较高的半纤维素可能在某些催化反应中表现出更高的反应活性，而含有LCCs的样品则可能需要特殊的处理条件以减少其对后续转化过程的干扰。

其次，本研究的结果也为开发更高效的分析技术提供了参考。目前，许多研究者依赖于传统的分离技术，如气相色谱或液相色谱，但这些方法往往需要对样品进行预处理，可能会改变其原始结构。而DI-HRMS技术的直接分析能力，使得研究者能够在更接近真实样品的条件下进行研究，从而获得更准确的化学信息。

最后，本研究还强调了深入分析半纤维素组成的重要性。由于半纤维素的化学复杂性，其在工业应用中的转化效率往往受到限制。因此，只有通过全面的化学分析，才能准确预测其在不同工艺条件下的行为，并提高其在生物精炼中的利用价值。未来的研究可以进一步探索半纤维素与其他成分（如木质素、纤维素）之间的相互作用，以及这些相互作用对转化效率的影响。此外，结合其他先进的分析技术，如核磁共振（NMR）或光谱分析，也有可能为半纤维素的结构解析提供更全面的信息。

总之，本研究通过采用直接注入电喷雾电离傅里叶变换离子回旋共振质谱技术，对三种不同来源的半纤维素提取物进行了系统的化学组成分析。研究结果不仅揭示了半纤维素的复杂化学结构，还为未来更高效地利用这些生物质资源提供了重要的理论依据和技术支持。随着生物精炼技术的不断发展，半纤维素的深入研究将成为推动可持续化学工业的重要方向之一。