竹材木质化进程增强抗生物降解屏障的机理研究

Intensive exploration and research in the last few decades were focused on the biorefinery process of lignocellulosic materials, owing to the increasing problems on energy consumption and environmental protection. Being characterized as the most complexed "polymer" with multi-functional supramolecules, the highly heterogeneous structure of lignocellulosic materials limits the efficient bioconversion. Lignin, as one of the main components of plant cell walls, protects plant tissue from environmental stresses and microorganisms by compressively.strengthening the cell walls. Meanwhile, the bottleneck problem, RECALCITRANCE, faced by the industrial utilization of lignocellulosic material is also mainly generated. In this project, bamboo in different period of growth will be collected as research subject. Lignification process will be monitored by the non-destructive microscopy technology, avoiding the serious damages of lignin macrobimolecular original structure from traditional chemical analysis. The ratio of monolignols and micro-distribution of lignin aggregation will be quantitatively measured, and a series of microscopic spectrum will be collected. By relating to the fundamental data on lignin subfraction linkages and molecular weight distribution from wet-chemical analysis and NMR detection, the dynamic model of cell wall will be established based on the lignin component as expected. The mechanism of recalcitrance during lignification process will be proposed, the correlated equation will be given by matching the bioconversion efficiency from enzymatic hydrolysis. The conclusion will offer the theoretical foundation and technical support for the commercial utilization of bamboo for second-bioethanol production.

能源和环境问题日益突出，生物炼制已成为世界性热门研究课题之一，而木质纤维原料作为复杂的功能超分子聚合体其生物转化效率非常关键。木质素是植物细胞壁的主要成分之一，在增强细胞壁强度进而保护植物组织免受微生物侵害的同时，也是目前生物质降解转化研究中主要的抗降解屏障之一。本项目以不同生长期的毛竹为研究对象，利用无损显微技术原位分析木质化进程中木质素单元结构比例及其微区分布变化，避免了传统化学处理\分析过程对木质素初始结构的破坏。通过关联由先进湿法化学和核磁共振分析检测获得的木质素大分子的联接键型、分子量分布等基础数据，构建基于木质素组分的细胞壁动态模型，阐明其所引起的抗生物降解屏障作用机理。所获得的科研数据将为广泛利用竹材作为第二代生物乙醇的原料储备并对其进行高效开发提供基础科学依据。

能源和环境问题日益突出，生物炼制已成为世界性热门研究课题之一，而木质纤维原料作为复杂的功能超分子聚合体其生物转化效率非常关键，竹材资源作为我国特有的速生资源其高效利用水平对实现我国双碳目标的达成具有重要意义。本项目毛竹为研究对象，在纵向和横向两个维度上，探讨了毛竹在底部、中部和顶部以及竹青、竹肉和竹黄的木质化程度差异，经提取分离木质素组分后对比研究了不同木质化程度对细胞壁结构和水解效率的影响，表明木质化过程会集中于形成更多稳定的键，而不是合成更大的生物大分子，但是纤维素生物合成过程中结晶度的变化对酶解转化起到了至关重要的作用。本项目进一步研究了水热、碱性乙醇溶液以及纤维素溶剂体系预处理对竹材组成及细胞壁结构的影响，通过关联由先进湿法化学和核磁共振分析检测获得的木质素大分子的联接键型、分子量分布等基础数据和木质素单元结构比例及其微区分布变化，构建了细胞壁结构与降解效率之间的制约关系，表明在竹材利用过程中高效的分离手段并不是显著提高纤维素组分生物降解效率的主要因素，而细胞壁结构的破环以及纤维素结晶结构的解离才是在应用过程中需要解决的首要关键问题。本项目的执行为竹材资源的分级高效利用提供了理论基础，尤其对于纤维素组分的利用具有一定的指导作用，为进一步的完善和开发竹基绿色纤维提供了理论基础。