资源与能源问题是目前全球面临的普遍问题。木质纤维原料因其可再生性和绿色环保的优点越来越引起人们的重视，并由此从石油精炼(Refinery)引出了生物质精炼(Biorefinery)的概念。利用自然界丰富廉价的木质纤维素资源获取生物燃料和化学品已经成为研究热点。糖类物质是木质纤维素中碳水化合物的主要组成部分，是植物光合作用中碳同化作用的主要形式，占植物干重的85％～90％[1]，是地球上最为丰富、复杂的有机大分子。生物质精炼充分开发糖平台化合物是国际可再生资源开发的大方向。然而要开展这些重大科研项目并加深理论机理研究，都要以糖类物质的基础分析作为切入点。在木质纤维生物质精炼利用的过程中，由于传统木质纤维利用的造纸工业存在将半纤维素等以黑液的形式燃烧获取热能的不合理利用方式[2]，造纸产业升级为综合林基生物质精炼工厂过程中，糖类物质的最新利用方向为半纤维素的有效利用。在木质生物质中半纤维素是仅次于纤维素的主要糖类成分，它是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，包括木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等。因而半纤维素的有效利用要求进一步确定不同工艺下半纤维素水解糖液中各种糖和糖醛酸，从而在理论上指导科研与产品生产。在生物质精炼过程中筛选并构建一套规范且有效的复杂糖类体系分析方法是该领域科研工作者共同面临的课题，本文通过借鉴相关领域的最新现代仪器分析方法，对这一课题进行了浅析，以期能为读者提供综合参考。

1木质生物质及水解液糖类组分

按照聚合度来分，糖类物质可分为：单糖、寡聚糖和多聚糖。按照糖所含的功能基团来分，可分为醛、酮、醇和它们的氧化还原衍生物，以及由糖苷键连接此类化合物的聚体。在植物中糖类物质主要是纤维素和半纤维素。纤维素糖类组分较为单一，本论文要点主要针对生物质精炼过程中的组分更为复杂的半纤维素。研究表明，半纤维素是由多种糖单元组成的，常见的有木糖基、葡萄糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉伯糖基、鼠李糖基等；并且半纤维素分子中还含有糖醛酸基（如半乳糖醛酸基、葡萄糖醛酸基等）和乙酰基；分子中还常有数量不等的支链。由此可见，半纤维素是由多种糖基、糖醛酸基所组成的，并且分子中往往带有支链的复合聚糖的总称[3]。一般针叶木中半纤维素含量为15％～20％，以聚葡萄糖甘露糖为主，同时还有少量聚木糖；而阔叶木中的半纤维素一般占木材的20％～25％，也有的高达35％，主要是聚木糖类，同时还伴随有少量的聚葡萄糖甘露糖和聚鼠李糖半乳糖醛酸木糖，其中聚木糖类主要是聚O-乙酰基-(4-O-甲基葡萄糖醛酸)木糖。不同原料的半纤维素含量及组成不同。同时不同的生物质精炼过程中分离半纤维素的水解液组分也有很大差异，并且由于水解程度的不同而形成了复杂体系。但就单糖分析而言主要针对葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖的定量检测。

2生物质精炼过程糖类传统分析方法

复杂体系糖类分析在生物质精炼过程中具有重要意义。在生物质精炼的半纤维素利用过程中，由于半纤维素本身糖基和糖醛酸基种类的多样化，使得对于半纤维素利用技术的机理研究在很大程度上依赖于多种低聚糖、寡糖及单糖的定性和定量分析。传统方法由于不能对复杂体系的糖类物质进行分离而难以准确分析。传统的菲林法、DNS等化学分析方法只是对还原糖等给出定量分析。在制浆造纸检测分析中，传统化学分析的聚戊糖含量也是通过盐酸水解成戊糖并进一步脱水形成糠醛，通过糠醛含量的测定来间接表达半纤维素中的五碳糖高聚物[4]。但这些方法对于生物质精炼半纤维素水解的机理研究和产品开发不能提供更实质性的帮助。早期采用的酶分析法、纸色谱法、薄层色谱法及柱层析法等经典方法可以进行混合糖的分析，但分辨率低、时间长、定量测定困难，使得这些具有初步分离效果的传统方法也受到了限制。随着现代仪器分析技术的发展，混合体系的糖类分析也随之产生了新的分析方法。

3混合糖类组成分析方法

3.1离子色谱法(IC)应用离子色谱法是将改进后的电导检测器安装在离子交换树脂柱后，以连续检测色谱分离的离子的方法。1975年H．斯莫尔等人将经典的离子交换色谱与高效液相色谱技术相结合，创造了使用连续电导检测器的现代离子色谱法，现代离子色谱使用小粒度和低交换容量的树脂及小柱径的分离柱以及进样阀进样，泵输送洗脱液，具有迅速、连续、高效、灵敏、可同时测定多组分、不需要预先衍生化等优点，可用于分析几乎所有的单糖、大部分的寡糖及低聚糖。彭云云等[5]采用离子色谱法分析甘蔗渣半纤维素中各种糖基及糖醛酸，水解液经中和、过滤、稀释即可测定，采用色谱条件：色谱柱：淋洗液：0.001molNaOH-0.05molNaAC；CarboPaePAl(2×250mm)，保护柱：CarboPacPAl(2×50mm)；柱温：30℃；体积流量：0.650ml/min；进样体积：10μL；检测器：脉冲安培检测器，金电极。结果表明氢氧化钠和醋酸钠淋洗液梯度洗脱可以分析糖醛酸及单糖组成，灵敏度高、重现性好、结果准确。

3.2高效液相色谱法(HPLC)应用高效液相色谱(HPLC)采用高压液相泵、高效固定相和高灵敏度检测器，具有分辨率高、分离速度快、分离效果好、不破坏样品、重现性好的优点。单糖检测器有红外检测器、示差折光检测器、光散射检测器、电化学检测器和紫外检测器。由于糖类本身没有紫外吸收，若不进行衍生化只能采用蒸发光散射检测器(ELSD)或示差折光检测器(RI)。将糖类物通过衍生化转变为具有紫外吸收或可产生荧光的物质可实现高灵敏度检测和痕量分析，但操作复杂。方宏等[6]用高效液相色谱法测定甘蔗渣半纤维素水解物中的单糖含量。以HypersilNH2柱为色谱分析柱，用示差折光检测器检测，流动相是乙腈∶水(8∶20)。在此色谱条件下，甘蔗渣半纤维素水解物分离成：木糖、阿拉伯糖、果糖和葡萄糖。各单糖呈良好的线性关系。加样回收率的平均值为97.3%～98.7%，此方法简便、快速、准确，适合检测下限要求不高的生物质半纤维素水解糖液。AloiaRomaní等[7]对桉木生物质精炼过程中自催化半纤维素糖液中葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、糠醛、羧甲基糠醛等进行了高效液相色谱一次性分析，而低聚糖则采用4%硫酸水解后二次测定单糖增加量的方法，作为实验过程中的常规检测操作快捷、重现性好。利用HPLC测糖，要根据样品中的糖的种类、含量和纯度来选择合适的检测器，同时根据实验的具体需要决定是否需要较为复杂的衍生化过程及昂贵的专用糖柱。

3.3高效阴离子交换-脉冲安培检测法（HPAE-PAD）应用高效阴离子交换-脉冲安培检测法（HPAE-PAD）是一种阴离子交换色谱与脉冲安培检测器结合的新的液相色谱法，检测限量可达到几十个ug/L水平。糖类化合物是一种多羟基醛或酮，可分为单糖、低聚糖和多糖，低聚糖由2～10个单糖分子失水而成，多糖是由10个以上单糖分子失水而得，低聚糖和多糖水解后即得单糖。中性糖类为Pka在12～14之间的弱酸。在高pH值的淋洗液中，例如10～20mmol/LNaOH中，它们会部分或全部以阴离子形式存在，能在阴离子交换柱上保留并得到分离。梁立娜等[8]利用高效阴离子交换-脉冲安培检测（HPAE-PAD）同时分离测定8种单糖和2种糖醛酸。以CarboPacPA20阴离子交换柱为分离柱，以2mmol/LNaOH溶液将8种单糖从分离柱上洗脱，而后用NaAc（50～200mmol/L）梯度淋洗2种糖醛酸，淋洗液流速0.5ml/min，分析时间30min。8种单糖和2种糖醛酸的检出限为2.5～14.4μg/L。5mg/L的10种化合物的混合标准溶液连续7次进样，峰面积的相对标准偏差为0.3%～1.5%。用所建立的方法测定了多糖水解液和木材半纤维素水解液中的单糖和糖醛酸含量。刘婷[9]利用高效阴离子交换分离-脉冲安培检测分析不同茶叶多糖中的葡萄糖、半乳糖、甘露糖和果糖。阴离子交换柱：METROSEPCARB(150×4.0mm)；淋洗液：6.0mmol/LNaOH溶液；柱温：32℃；淋洗液流速：1.0ml/min；分析时间：45min；进样体积：20μl。优化条件下4种单糖的检出限为0.125～2.0mg/L。样品测定的回收率为91.8％～99.3％。所建立的方法分析4种常见茶叶多糖快速、有效。高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测(HPAEC-PAD)的一大优点是不需要衍生化就能分析单糖、大部分的寡糖及低聚糖，节约时间和资金，避免了有毒衍生试剂的使用，对于组成结构大小上非常相近的单糖也有很好的分离效果。

3.4气相色谱法(GC)应用气相色谱是多糖结构分析中最重要的手段之一，它与质谱联用可以得出有关单糖残基类型、键的连接方式、糖的序列和糖环形式、聚合度等多种结构信息。此外，由于大量的固定液和不同的检测器适用于糖的气相色谱分析，因而用气相色谱法测定糖类具有样品用量少、选择性好、分辨率强、灵敏度高以及可用于定性及定量分析等优点。康学军等[10]以三氟乙酸水解白芷多糖，水解产物中加入盐酸羟胺、吡啶和醋酸酐，衍生化反应生成糖腈乙酸酯衍生物，采用气相色谱法测定白芷多糖的单糖组成。用OV-101毛细管色谱柱；进样温度为210℃；检测器温度为240℃；柱温为程序升温：初始柱温110℃，维持5min，以5℃/min的升温速率升高到190℃，维持4min，以3℃/min的升温速率升高到210℃，维持20min。白芷多糖中含有木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖、鼠李糖和半乳糖等7种单糖成分，并测定计算出已知6种单糖：鼠李糖-阿拉伯糖-木糖-甘露糖-葡萄糖-半乳糖的摩尔构成比1.19∶1.19∶0.765∶1∶8.08∶3.34。气相色谱法（GC）分析糖类，主要困难在于糖类没有足够的挥发性，须在色谱分析之前预先转化成对热较稳定的、易挥发的衍生物。但在衍生物的制备过程中，由于糖的异构化会产生衍生物的异构体，使色谱分析时每种糖产生几个峰，从而影响了组分的分离和定量。

3.5薄层色谱法(TLC)应用薄层色谱法(TLC)是一种微量、快速、简便、有效的定性的半定量和定量分析方法。薄层色谱的特点是可以同时分离多个样品，分析成本低，对样品预处理要求低，对固定相、展开剂的选择自由度大，适用于含有不易从分离介质脱附或含有悬浮微粒或需要色谱后衍生化处理的样品分析。而最新的高效薄层色谱(HPTLC)采用更细、更均匀的改性硅胶和纤维素为固定相，对吸附剂进行疏水和亲水改性,可以实现正相和反相薄层色谱分离，提高了色谱的选择性。焦广玲等[11]建立了不同展开体系中薄层色谱分析单糖或寡糖的有效方法。以淀粉寡糖、右旋糖酐寡糖以及古罗糖醛酸寡糖3个系列寡糖和半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、半乳糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、岩藻糖、木糖和鼠李糖9种单糖为研究对象，探讨其在不同展开体系下的薄层色谱行为。在各种糖TLC分析中，若供试品中主要含有酸性寡糖，则选择甲酸展开体系；若供试品含有不同连接方式的中性寡糖，则选择氨水展开体系进行二次展开；若只对单糖进行分离鉴别，应采用三乙胺展开体系，并采用苯胺一二苯胺显色剂，根据Rf值和显色的不同，区别单糖的类型。于立芹[12]等测定红薯叶中多糖，经Sephadex-G100凝胶层析法纯化后，利用薄层色谱法结合酸水解，糖腈乙酰化气相色谱分析法测定红薯叶多糖的单糖组成和各组成的物质的量比。红薯叶多糖的单糖组分有木糖、甘露糖、葡萄糖，其量的比为0.47∶0.35∶0.18。糖腈乙酸酯衍生化方法能较好地实施红薯叶多糖水解产物的衍生化。衍生产物经干燥没有发现色谱峰明显拖尾现象，适于单糖衍生化产物GC分析前的处理。

3.6高效毛细管电泳法(HPCE)应用高效毛细管电泳法(HPCE)是近年来发展最快的分析方法之一。是以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异实现分离测定的液相分离方法[13]。毛细管电泳技术分离糖必须解决电荷问题，除氨基糖、糖醛酸及一些硫酸化糖外，天然糖分子都呈电中性，不能在电场中迁移。因此糖的毛细管分离分析中要采用解离、络合、衍生技术使糖带电。汲晨锋等[14]采用水提醇沉法从新鲜芦笋中提取粗多糖，采用高效毛细管电泳法测定单糖组成，可以实现芦笋粗多糖中的木糖、果糖、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖的分离测定，得到其百分比分别为3.44％、7.92％、10.52％、17.15％、41.85％。研究发现其缓冲盐浓度和pH值对单糖组分的分离度影响较大，文章通过比较发现缓冲盐浓度为75mmol/L、pH10.5时，分离度最好。通过芦笋多糖和混合单糖的的毛细管电泳图谱比较，可鉴别出大部分单糖。该技术分离效果清晰、定量准确、时间短、进样量少，获得了较好的结果。汪红等[15]采用苯酚-硫酸比色法测定了丹参药材中总多糖的含量，检测波长为490nm，丹参总多糖在0.1122～0.561mg范围内其浓度与吸光度线性关系良好(r=0.9998)；以毛细管电泳法测定丹参粗多糖组成，检测波长206nm，结果显示，丹参粗多糖由鼠李糖∶木糖∶核糖∶葡萄糖∶甘露糖∶阿拉伯糖∶半乳糖以2.8∶1.0∶8.5∶12.7∶4.2∶15.3∶58.8的摩尔比组成。

3.7质谱及质谱联用技术由于组成单糖种类与数目等的不同，糖的结构十分复杂，要完全阐明一个糖的结构，需要提供以下几方面的信息：（1）分子量及组成单糖的种类与摩尔比；（2）各糖环的构象（呋喃型或吡喃型）与异头碳的构型；（3）各糖残基间的连接方式；（4）糖残基的连接顺序；（5）二级结构及空间构象等。质谱，尤其是GC-MS（EI或CI方式）用于单糖分析已有几十年的历史，现已广泛用于糖组成分析及甲基化分析以确定糖残基的连接方式。徐正华等[16]建立了气相色谱-质谱(GDMS)法同时测定乳酸和葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸、果糖、半乳糖、乳糖、1,5-脱水山梨醇、山梨醇7种糖的方法。选择核糖醇为内标，进样前先进行肟化反应再进行硅烷化反应。采用DB-5熔融石英毛细管柱，升温程序为初始温度70℃，保持4min，以8℃/min的速率升至300℃，保持3min。在优化测定条件下各对照品得到良好分离，且在测定范围内具有良好线性关系(r2>0.983)，平均加标回收率为74.5％～104.2％，该方法简便、灵敏度高。孙多志等[17]在秸秆两步稀酸水解工艺中，用气相色谱／质谱(GC/MS)法对其水解液中的单糖成分进行测定，采用2％硼氢化钠的氨溶液将稀酸水解液中的单糖还原成糖醇，然后在甲基咪唑催化剂的作用下和乙酸酐在水相中直接反应生成乙酰化的糖醇，用二氯甲烷萃取后进行GC/MS测定。研究结果表明：秸秆稀酸水解液中有五种单糖，主要是木糖和葡萄糖，其次是阿拉伯糖、半乳糖和少量的甘露糖；利用此方法测定了一批秸秆稀酸水解液，得到了该秸秆稀酸水解过程的最佳的反应时间。该方法可快速、准确测定秸秆稀酸水解液中单糖的浓度，为水解工艺的研究提供了一种有效的分析方法。

4多糖结构分析

在生物质精炼过程中伴随着多聚糖的化学变化，研究多糖结构变化对于糖平台化合物的理论研究和产品开发具有重要意义。据文献调研表明，目前该方法研究还处在起步阶段，需要借鉴其他领域的现代分析方法，并且应用到相关的基础研究工作中去，从而积累更多分析经验和方法创新。近年来多糖的结构分析的仪器设备、分析方法都有了很大的提高。目前已有应用的方法包括紫外光谱法、红外光谱法和核磁共振分析法等。例如应用1HNMR可以鉴别多糖中糖苷键位置，并进一步确认多糖结构。AshutoshMittal等[18]通过核磁共振氢谱的测定方法分析在不同温度和时间下阔叶木自催化水解半纤维素溶出物，从而评估该过程的反应机理。对残留的聚木糖、低聚木糖、木糖、葡萄糖及糖类次级衍生产品，例如糠醛、羧甲基糠醛，进行了测定分析。单糖和低聚物则采用最新的高分辨率核磁共振氢谱光谱分析法。该方法能精确定量分析水解抽提后的木料上残余的聚木糖和纤维素残留以及水解产物中的木糖和葡萄糖。研究表明，该方法具有良好的再现性并为分析碳水化合物的组成结构提供了与以往报道方法结果可比拟的新方法。Xue-MingZhang等[19]采用傅里叶红外变换、1H,13C以及2D-HSQCNMR核磁共振的分析方法，对有机溶剂提取的某白杨木品种半纤维素糖液进行全面定性和定量分析，研究了木糖、葡萄糖、甘露糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖及各种糖醛酸的组成，并通过核磁共振的方法研究了特定品种半纤维素的结构特点，包括乙酰化半纤维素与葡萄糖醛酸、葡萄糖甘露聚糖的键合方式等，为进一步发酵特定产品的机理研究提供了重要参考。

5技术对比与展望

与传统糖类分析方法相比较，气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、毛细管电泳(CE)、高效阴离子交换-脉冲安培检测法（HPAE-PAD）、离子色谱法(IC)、高效薄层色谱(HPTLC)等高效分离分析技术在很大程度上促进了糖类平台化合物的理论研究。各种方法在糖类物质分析方面都有应用，但也存在着各自的利弊特点。在未形成规范检测体系前，复杂体系的糖类分离检测要根据糖类物质的具体性质而定，并在实际检测分析的工作中进行筛选和总结。采用气相色谱测定糖类，问题在于分析前预先转化成易挥发、对热较稳定的衍生物。在某些衍生物的制备过程中，由于糖的异构化会产生衍生物的异构体，进而影响组分的分离和定量。高效液相色谱分离速度快、分离效果好、分辨率高、重现性好且不破坏样品，但糖类本身没有紫外吸收，只能采用示差折光检测器(RI)或蒸发光散射检测器(ELSD)检测。RI分辨率低而ELSD虽然效果好但价格昂贵，一般采用氨基柱但分离效果欠佳，而专用的糖柱又十分昂贵。薄层色谱法(TLC)是一种常规实验室可快速分析单糖组成的微量而快速的分析方法，但对于复杂体系糖液分析的准确度相对较低、适应性不强。离子色谱法简单、快速、选择性好、灵敏度高、可同时测定多组分，且不需要预先衍生化就能分析单糖、大部分的寡糖及低聚糖，正在为越来越多的研究者所采用。总体分析，高效液相色谱可以通过改变分离模式和色谱柱满足不同性质糖的分离，且有多种检测方法能够与其联用以满足定性和定量分析的要求。随着新型、高选择性的固定相，高灵敏度衍生化试剂以及质谱等高效检测技术的研究与发展，高效液相色谱及相关技术在生物质精炼过程复杂体系的糖液分析中的地位必将愈加重要。离子色谱中阴离子交换色谱法-脉冲安培检测技术对糖类化合物的分析检测正逐步成熟完善。目前分析工作者正努力把阴离子交换色谱法-脉冲安培检测的金电极的高灵敏性的检测优点与带有钡离子的稀碱淋洗液的高效分离法的优点结合起来，形成一种测定植物提取液中溶解糖类的理想方法。

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