リグニンとタンニンの定量 ³¹P NMR分析

この手順は、最近、自然プロトコル¹に掲載され、アーカイブ文献で3,000回以上引用されており、不可欠で迅速で再現可能な構造情報を提供するため、リグニンとタンニンの特性評価のための日常的な測定となっています。

リグニンとタンニン
グリーンケミストリーがポール・T・アナスタスとジョン・C・ヴェルナー^{2、3によって}導入されたとき、それは化学の一般的な概念を大きく変えました。特に、石油や石炭などの化石原料の代わりに持続可能な材料を利用することの重要性を、重要な側面^2,3として強調している。バイオマスの種類が異なる中で、リグニンは最も豊富な芳香族バイオポリマーであり、工業用商品および高付加価値品⁴の潜在的な供給源と見なすことができる。

リグニンは2番目に豊富な木材成分です(セルロースが1位、ヘミセルロースが3番目)。植物中の含有量は植物の種類によって異なります:例えば、軟林と比較してリグニンの量が少ない広葉樹(20%±4%対28%±4%)。さらに、植物組織内のリグニン分布は均質ではない:より高いリグニン含有量は、細胞壁^5、6に見つけることができます。リグニンは、紙/セルロース産業7の副産物として工業的に得られるポリフェノール系材料^である。木材パルププロセスから回収され、木材チップが主に^OH-および/または^OH-+HS-イオン条件下で処理され、セルロースをヘミセルロースおよびリグニン(ソーダおよび/またはクラフトプロセス^)8,9から分離する。

リグニンの研究の最初の試みは、それぞれ1838年と1865¹⁰年にパリーンとシュルツェによって行われました。1977年、アドラーはその時間¹¹の関連する利用可能な知識をすべて要約しました。リグニンビルディングブロックは、p-コウマリル、針形ニル、シナピルアルコールの3つのフェニルプロパノイド単位であると現在認識されています。これらのモノマーは、フリーラジカル重合プロセスのおかげで、p-ヒドロキシフェニル、グアイアシル、およびシナピル単位を生じさせ、最終的にはリグニンを広く構成する(図1)12。リグニンの一次構造の欠如は、その構造特性の本質的な難しさを意味する。したがって、分子量の分布の評価は、常にやや議論の余地があった。粉砕された木材リグニンは、主にプロトリグニン¹⁰に近似する穏やかな条件下で単離されたリグニンを、超分子凝集プロセス^14、15を介して高度に相互作用するオリゴマー¹³で構成される。

図1: 異なるタイプの結合が強調されている針葉樹リグニンの代表的なモデル。

リグニンは、一般的に、(a)それらが由来する木材の種類(例えば、広葉樹および針葉樹)、(b)それを分離するために使用されるプロセスに応じて分類される。最も重要な工業用リグニンタイプは、クラフト、リグノスルホン酸塩、およびオルガノソルブです。

リグニンの構造は、その起源と化学処理に大きく依存しています。より具体的には、リグニンのかなり複雑で不規則な構造がその自然な多様性と複雑な処理化学と複合化されると、極度のばらつき、多様性、および異質性の材料が出現し、その使用を低価値用途¹⁶に限定する。針葉樹リグニンは、主にグアイアシル単位(G)を含み、p-ヒドロキシフェニル基(Gリグニン)の量がごくわずかであるが、硬質葉樹リグニンはグアイアシルとシリンギルサブユニット(GSリグニン)によって構成され、草リグニンはグアイアシルによって構成され、 シリンギル、およびp-ヒドロキシフェニル(GSHリグニン)サブユニット。分離に使用される抽出アプローチは、新興リグニン¹⁷の構造に劇的に影響を与える。図2は、採用されている絶縁アプローチによって異なる3つのリグニン構造を示しています。抽出方法の効果に関するいくつかの考慮事項を強調することができます。第一に、クラフトリグニンは、ディールキル化され、高度に断片化され、凝縮されたリグニンであり、一方でオルガノソルブリグニンは、粉砕された木材リグニン(ビョルクマンアプローチを使用して単離^{)18、19、20}に類似した構造を有する。最後に、リグノスルホネートは、抽出スルホン化プロセスの強度および条件に応じて、高度なスルホン化を特徴とする。

図2: 技術的リグニンの代表的な構造 この図では、異なるタイプのリグニンの違いが分かる。(A)軟材クラフトリグニンは高度に凝縮されており、(B)リグノスルホン酸は飽和炭素上のスルホン基を特徴とし、(C)有機ソLVリグニンは粉砕された木材リグニンと同様の構造を有する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

リグニンと同様に、タンニンは植物に見られるポリフェノール化合物です。タンニンの抽出アプローチとアプリケーションに関する最近のレビューと更新されたレビューは、最近Dasららによってリリースされました²¹.日常生活におけるタンニンの重要性は、2つの例を考えると強調することができます:彼らはワイン²²に味と色を与えます。さらに、そのポリフェノール構造は抗酸化特性を提供し、日焼け業界²³での適用に最適です。タンニンは、加水分解性と非加水分解性の2つのクラスに分けられます。加水分解性タンニンは、ガリック、ジギャリック、およびエラグ酸エステルのポリマーと考えることができる(図3)。これらのエステルは、糖分子(例えば、グルコース、ラムノース、アラビノース)を用いたフェノール酸のエステル化から生じる。

図3:典型的な加水分解性タンニン:タンニン酸、ベスカルギン。この図のより大きなバージョンを見るにはここをクリックしてください。

非加水分解性タンニンは、凝縮タンニンとも呼ばれ、フラバン-3-olsに由来するポリマーおよびオリゴマーです。フラバン-3-olsの中で、カテキンおよびガカテキンが最も頻繁である。彼らは無色の結晶性化合物である(図4)。重合は、ヘリコイド構造を特徴とするポリマーを作成する。芳香族ヒドロキシ基は螺旋の外側に向けられ、ピラン酸素は内部にある。

図4: プロアントシアニジン構造: R =H, OH, OCH₃.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

NMRを用いたリグニンとタンニンの特性
リグニンまたはタンニンの特性評価において重要な情報の2つのタイプ:(a)化学構造(例えば、ヒドロキシ基の含有量、性質、単位間結合の頻度)および(b)分子量および多分散性。リグニンに関する初期の研究以来、これらの目標を達成するために異なる技術が採用されており、化学的および物理的な方法の2つのクラスの方法が出現しました。

リグニン化学では、アルカリ性ニトロベンゼン酸化などの化学的方法、後に還元的切断、過マンガン酸酸化、およびチオ酸分解を伴う誘導体化が、24、25、26、27、28、29に広く用いられてきた。しかし、分析プロトコルが実装され、最適化されている場合でも、それらは時間を要し、面倒であり、広範な実験スキルを必要とします³⁰.あるいは、器械分析の最初から、リグニンおよびタンニン特性³¹を実行するために物理的方法が使用されてきた。これらの技術は、リグニン構造を容易に特徴付けることができるように古典的な方法の問題を克服することができます。

核磁気共鳴(NMR)は、インストゥルメンタル技術の中でリグニン構造と化学組成に関する情報を得ることができます。特に、定量単次元^1HNMRスペクトルおよび定量^13CNMRスペクトルからのデータは、異なるタイプのリグニンインターユニットボンディング32、33、34、35に関する情報を提供することができる。残念ながら、単次元スペクトルはシグナルの重複に苦しみ、信号統合の取り組みを深刻に損なう可能性があります。HSQC(異核単一量子コヒーレンス)、Q-HSQC(定量- ヘテロ核単一量子コヒーレンス)の定量版は、リグニン構造をよりよく理解するために使用され、内部リンケージに関する有用な情報を提供している。しかし、それらは、様々な建物ユニット^13、36、37を定量的に決定するために十分に利用することはできません。

単一および2次元NMRに関連する問題を克服するために、基質誘導体化が検討されている。このアプローチの利点の中でも、標識基板が溶解した溶媒から、複雑な高分子内に特異的なラベルを導入し、スペクトル干渉が生じることがない^{点である。}ヴェルケードはこの分野のパイオニアであり、リン誘導体、石炭誘導体、および関連化合物³⁸の^31PNMR分析を行った。その公表では、異なるリン含有試薬(ホスホラネア)のスクリーニングを行い、他の標識化合物の化学シフトを記録した。Argyropoulosのチームは、1991年にリグニンのヒドロキシ基の定量的および定性的分析のための誘導体化を初めて導入しました。リン含有試薬を用いたリグニンモデル化合物の誘導体化を研究した後、彼のグループはリグニン化学で最も日替わりの技術の1つ^、31P NMR分析39、40、41、42、43への道を開いた。調べた異なるホスホラネの中で、アルギロプロスは、リグ^{ニン分析を}行う最も適したものとして2-クロロ-4、4、5-テトラメチル-1、3-2-ジオクサフォスフォラン(TMDP)の使用に到着した。TMDPは、特定の^31PNMR化学シフトを特徴とするリン含有誘導体の定量的形成を引き起こすヒドロキシ基と選択的に反応する(図5)。

図5:リグニンとタンニンのホスフィレーション化学 リグニンおよびタンニン不安定H基の標識は、その際の反応によって達成される。標識されたポリフェノールは、異なるタイプのヒドロキシ基に対応する特定の ³¹P NMRバンドによって特徴付けられる。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

サンプル誘導体化は、ピリジン/クロロホルム(1.6:1)混合物で行われます。この選択は、正確な評価から生じる。ピリジンには2つの利点があります。まず、約22.1 MPa^1/2 のヒルデブラントパラメータを特徴とする溶媒を選択すると、リグニン可溶化⁴⁵を単純化し、増幅する。その結果、溶媒としてのピリジンの添加は、ヒルデブラントのパラメータが21.7に等しい、したがって最適である。第二に、TMDPとヒドロキシ基の反応は、リグニン・ホスホラン誘導体のファシリティ形成に対する付随的な負の意味を有する副生成物としての塩酸(HCl)の形成を伴う。このため、結果の HCl を中和する必要があります。有意な過剰に存在する場合、ピリジンの塩基性は、TMDPに対して、HClの中和(ピリジン塩酸塩の形成を介して)を可能にする。

推奨ピリジン/重水素化クロロホルムバイナリ溶媒システムの使用は、3つの理由に基づいています。まず、サンプル溶解を好む。第二に、ピリジン塩酸塩がクロロホルムに可溶であるように、最終スペクトルの沈殿および劣化を防止できる。第三に、重水素化クロロホルムは、取得プロセス中にNMR分光計のロックを可能にする、そのユニークなシングル信号のために選択されます。サンプル誘導体化は、内部標準の存在下で行われます。このようにして、サンプルと標準が誘導体化されるとき、サンプルと標準のピークの積分の比較により、ヒドロキシ基の種類ごとに量を定量化することができます。様々な化合物が内部標準として考えられてきました。これらの化合物は、分子当たりの単一のヒドロキシ基によって特徴付け、誘導体化後の ³¹P NMRスペクトルにおいて単一の鋭いシグナルを提供する。標準の選択は慎重に行う必要があります。その信号は、導出されたサンプルのものと重複してはなりません。コレステロールは、初期の時代に広く使用されました。しかし、脂肪族ヒドロキシ基から生じるシグナルとの部分的な重複は、その使用を制限する。ルーチン分析のために、N-ヒドロキシ-5-ノルボルネン-2,3-ジカルボキシミド(NHND)の内部標準溶液が好ましい。しかし、NHNDの不安定性のために、その標準的なソリューションは、数日⁴⁶のためにのみ保存することができます。

次のフローチャート(図6)は、リグニンとタンニンの ³¹P NMR分析を行う実験プロトコル全体を概説しています。

図6: リグニンとタンニンの³¹P NMR解析の手順。

1. サンプル前処理

1. 40°Cにセットした真空オーブンで、検体(リグニンまたはタンニンサンプル)のアリコート(約100mg)を一晩乾燥させます。
   注:40°Cより高い温度は、検査されたポリフェノールの敏感な構造を化学的に変化させる可能性があるため、温度選択に特に注意が必要です。
2. 乾燥後、室温になるまで、試料を無水硫酸デシケーターに迅速に移す。このステップは、環境から湿度を吸収するサンプルを避けるために必須です。

2. 溶剤溶液調製

1. 無水ピリジンと重水素化クロロホルムを1.6/1(v/v)比で混合して、20 mLサンプルバイアルでピリジン/重水素化クロロホルム溶媒混合物を調製します。
   注意:ピリジンと重水素化クロロホルムを操作しながら注意してください。これらの化合物は、可燃性、有害、および毒性があります。適切な手袋を使用して、換気の良いフュームフードで溶液を準備し、使用してください。
2. 5〜8gのよく洗浄し、乾燥した活性化5A分子篩を3.2mmペレットに加え、水の痕跡を取り除きます。また、中隔キャップの使用は、溶媒システムの空気接触および水分汚染を防ぐために強く推奨されます。準備した溶液を暗闇の中に保管してください。

3. 内部標準ソリューション(IS)の準備

1. 2 mL のエルレンマイヤーフラスコで、あらかじめ調製した溶媒にクロム(III)アセチルアセトネート(約10 mg)および内部標準(約 35.8 mg の NHND または 77.3 mg のコレステロール)の 0.1 M 溶液を調製します。
   注意: クロム(III)アセチルアセトネートは有害です。その操作中に、適切な手袋を着用してください。
2. IS ソリューションに追加された IS の正確な重みを記録します。
3. 活性分子篩(ポイント2.2参照)を含む密閉キャップを装備したバイアルでIS溶液を移し、40°Cの暗闇の中に保管します。

4. NMR サンプル溶液調製

1. 2 mL バイアルに30mgのサンプルを正確に秤量し、攪拌棒を装着します。中隔キャップでバイアルを密封します。
2. サンプルバイアルに0.5mLの溶剤系溶液を加えます。
3. マイクロピペットを介してサンプルバイアル内のIS溶液の100 μLを移動します。得られた分散液(500rpm)を全てのリグニンまたはタンニンが溶解するまで磁気的に攪拌し、透明な溶液を得る。
   注: 完全なサンプルの可溶化が不可欠であるため、この手順は最大 12 時間かかる可能性があります。
4. TMDPの0.1 mLをサンプル溶液に移します。サンプルを激しい磁気攪拌下に置きます。サンプル溶液を密閉してください。適切な手袋を着用しながら、換気の良い発煙フードにTMDPを使用してください。
   注意: TMDPとその蒸気は腐食性、有害、水との迅速な相互作用です。
   注:黄色の沈殿物の形成は、サンプルまたはピリジン/クロロホルム溶液中の水痕に起因します。このような場合、可能なすべての水分汚染を回避することによって手順を繰り返さなければならない。
5. パスツールピペットを使用して、サンプル溶液をNMRチューブに移します。

5. NMR分析

1. チューブをNMR機器にロードします。この分析を行うために使用される分光計は、広帯域プローブを必要とします。
2. 表1¹に示した設定に従って実験パラメータを修正する。

表1:誘導体化リグニンまたはタンニンの31 P NMRスペクトルを記録する実験パラメータ。

3. 重水素化クロロホルムの共振周波数を用いて分光計周波数を設定し、試料をシムし、分光計を調整する。次に、取得を開始します。

6. スペクトル処理と解析

1. 以下の手順に従って、適切な標準ソフトウェアにより ^31PNMR生データを処理する。
   1. フーリエ変換を実行します。
   2. 手動位相補正によるフェーズの調整 (処理|位相補正|手動修正)。
   3. ベースラインを手動で修正し、慎重にゼロポイントを設定(処理|ベースライン|マルチポイントベースライン補正)。
2. 信号キャリブレーション。
   1. 132.2 ppmの化学シフト値でホスファイレート水の信号を設定します(分析|リファレンス|リファレンス)。
      注: 175 ppm でシャープな³¹P 信号が存在するのは、TMDP の超過によるものです。その存在はサンプルの完全な誘導を保障する。このピークがない場合は、徹底的なサンプルと溶媒乾燥を提供し、より多くのTMDPを追加することによって、手順全体を再検討する必要があります。これが保証されると、スペクトルはスペクトル範囲132から約150ppmでズームされます(図7)。

図7:過剰なTMDPの存在を確認する:それが見えるならば、サンプルの誘導体化は完了した。 スペクトルは分析することができます。155と132 ppmの間のスペクトル範囲でそのズームを行うには。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

3. 統合
   1. 内部標準を 1.0 に設定して統合を標準化する ( ピーク |整数|の編集正規化: 1.00)。以下の表に示す化学シフトに従ってスペクトルの統合を行う。リグニンの 場合は表 2、 タンニンの 場合は表 3 を使用します。

表 ^2:31PNMR化学シフトはリグニンホスファニル化OH基に対する。

表3:タンニンホスファチレートOH基に対する31P NMR化学シフト。

注:標準のスペクトル処理ソフトウェアを使用して、化学シフトの定義済み領域を統合するように設定することができます。この機会は、いくつかのスペクトルを処理する必要がある場合に有利です。

7. 機能グループの定量化

1. IS溶液の濃度を計算します。
   
2. 特定の信号の等価量を計算します。
   
   

記載されたプロトコルは、リグニンとタンニンの分析の両方に適用することができる。リグニン化学では、この方法は、異なる種類のヒドロキシ基の検出と定量を可能にするため、基本的な方法です。図8A-Dは、異なる周波数で働く分光計で獲得したリグニンとタンニンの31P NMRスペクトルの例を示す。図8Aに示すスペクトルは300MHzのNMR分光計を用いて記録され、図8Dは700MHzのNMR計測器で記録された。

図8:(A)針葉樹クラフトリグニンの定量31P NMRスペクトル(30.8mgのリグニンで300MHz分光計で記録されたスペクトル)、(B)針葉樹リグノスルホン酸(300MHz分光計で記録されたスペクトルは30.1mgの リグノスルホン酸をリグノスルホン酸に保存した後のリグニン、(C)アカシアタンニン(30.3 mgサンプル上の300MHz分光計で記録されたスペクトル)と(D)針葉樹クラフトリグニン(700MHz分光計で記録されたスペクトル)7.2 mgのリグニン)。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

これらのスペクトルは慎重に記録され、手動で処理されました。脂肪族(150-145 ppm)、芳香族(145-137 ppm)、およびカルボキシカル(136-134 ppm)ヒドロキシ基の典型的な信号は非常によく解決され、容易に統合される。スペクトルウィンドウが開いている場合(95~190ppm、 図8)、3つの鋭い強いピーク(175、144、および132ppm)が明らかになっています。これらは、TMDPの過剰、内部標準(コレステロールまたはNHND)、およびヒドロキシル化TMDP(水痕跡によって引き起こされる)に起因する。

クラフトおよびオルガノゾルリグニンとは対照的に、リグノスルホン酸はピリジン/クロロホルム混合物に不溶性である。信頼できる 31PNMRスペクトルを得るためには、溶解性が必須である。この問題を克服するために、リグノスルホン酸は、誘導体化前に対応するリグノスルホン酸に変換することができる。リグノスルホン酸溶液を強酸(すなわち硫酸)で処理する、または酸交換樹脂(例えば、ダウエックス1H、強酸カチオン交換器)は、それらの酸性形態におけるすべてのスルホン酸基の変換を駆動する。得られた製品は、このプロトコルを使用して分析した選択性吸着性樹脂(XAD-7、分子量を特徴とする化合物を分離するために使用される極性吸着剤.m.mです。 図8B は、TMDP誘導体化リグノスルホン酸の定量 31PNMRスペクトルを示す。この場合でも、ヒドロキシ基の異なるシグナルが明らかである。 図8C は、TMDPを用いて誘導体化されたタンニン試料の代表的な定量 31PNMRスペクトルを示す。異なる脂肪族OH(リングC)、ピロガロール、および環Bのカテコール単位とリングAの単位からの特徴的な信号は、よく見える。

クラウディア・クレストリーニとディミトリス・S・アルギロプーロスは、すべての著者(C.C.、N.P.、D.S.A.)に利益相反がないことを保証します。