植物细胞壁中木质素与阿魏酸酯间交联结构及其交联机理研究

碳水化合物-阿魏酸-木质素的桥式交联结构能够强化植物细胞壁结构、降低微生物和化学试剂的可及度，是限制细胞壁组分分离、植物发酵制取生物能源以及制浆造纸的主要因素之一，也是影响反刍性动物对植物消化吸收的主要障碍。本项目拟以松柏醇和阿魏酸酯为模型物分别代表木质素和与碳水化合物发生酯化的阿魏酸，模拟植物细胞壁生长环境，通过模型物自由偶合反应产物的分离和鉴定阐明松柏醇与阿魏酸酯间交联结构，提出beta-5/8-5交联二聚体新结构；对植物细胞壁中该结构的分析方法进行深入研究，提出基于水解加氢的检测新方法；对植物细胞壁中该结构直接检测方法进行深入研究，提出基于二维核磁技术的直接检测新方法。本项目完成后，将进一步阐明阿魏酸酯在木质化过程中的作用和机理，完善木质化理论，具有重要的理论意义，同时将为含易降解木质素的转基因植物的培育提供理论依据和科学导向，对制备生物能源、新型工业材料和新型饲料具有重要的意义。

木质纤维资源的高值化利用是目前研究的热点，而植物细胞壁中木质素组分的存在为木质纤维主要组分的分离及其转化利用制备生物质能源和高值化材料造成了一定的障碍，研究植物细胞壁中木质素组分结构类型及其形成机理对于培育含有易降解木质素的转基因植物具有重要的意义。本项目针对禾本科植物细胞壁中木质素结构的特性，提出了禾本科植物细胞壁中的木质素组分分离新方法。该研究采用96%二氧六环、50%二氧六环和含有1%氢氧化钠的80%的二氧六环溶液在沸腾状态下对木素进行三步分离和预先沉淀半纤维素的方法从甘蔗渣细胞壁中分离得到相对纯度高的木质素组分，为木质素结构鉴定和组分分离提供了新的思路；采用分离甘蔗渣细胞壁中不同组分，再利用气相色谱-质谱联用技术分别测定各组分中酚酸类物质的含量及其二聚体结构在各组分中的含量，确定酚酸类物质在植物细胞壁中的存在状态。研究发现对香豆酸主要与木质素以酯键连接，而阿魏酸更易与阿拉伯木糖成酯键连接，少量与木质素成酯键连接。分离得到的二聚体主要连接类型为阿魏酸以5-5连接的脱氢二聚体和松柏醇与阿魏酸之间以β-O-4方式交联形成的二聚体；建立了室温均相体系中甘蔗渣细胞壁全组分均相衍生化制备高值化产物体系，研究发现细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素均组分参与了反应；为了证实植物细胞壁中阿魏酸酯与木质素之间交联结构的存在，从玉米杆和甘蔗渣中分离得到两个富含酚酸类物质的木质素组分，并利用二维核磁技术对该组分进行表征，表征谱图与合成的二聚体化合物核磁谱图对比，得出植物细胞壁中存在阿魏酸酯与松柏醇以β-5和 β-O-4方式交联形成的交联结构，该研究直接证明了植物细胞壁中阿魏酸酯与木质素之间交联结构的存在。这些研究否定了过去被广大研究者普遍认同的植物细胞壁中阿魏酸与木质仅仅是通过a-O-4连接这一观点。