毛竹发育过程中木质素的微区分布和分子结构变化解析

Bamboo is an important part of forest resources in the world, with excellent performance, which is an alternative to shortage of wood resource to a certain extent. Heterogeneous distribution and molecular structure of lignin is one of the factors that determine the performance of bamboo, and it is the key and difficult basic research in anatomy and chemistry of bamboo. The nano structure of for developing moso bamboo Phyllostachys pubescens f. lutea Wen was investigated by means of various high resolution electron microscope and X-ray Nano-CT. The Heterogeneity of lignin in three different cell walls will be revealed through histochemical staining and Confocal Raman Microscopy combined with spectroscopic imaging technique. Lignin component of the cell wall obtained by different solvent, including mild acid, mild alkaline and Organic solvents, and the mechanism of lignin isolation will be partly clarified. The 13C and 2D HSQC NMR method and other advanced spectroscopic analysis will be used to characterize the molecular structure of lignin. The results of this project will be support theoretical basis in field of pulp and paper, biomass conversion, carbon-based nano material and modification.

竹材作为世界森林资源的重要组成部分，性能优良，在一定程度上缓解木材资源短缺矛盾。木质素的异质性分布和分子结构是决定竹材性能的因素之一，是竹材解剖和化学基础研究中的热点和难点。本项目以不同发育阶段的毛竹为研究对象，采用高分辨率电子显微镜和X射线纳米CT揭示不同类型细胞壁超微构造，并利用组织化学染色法以及共聚焦拉曼显微镜等结合光谱成像技术系统研究细胞壁木质素的微区分布；通过温和弱酸和弱碱，以及有机溶剂分离得到细胞壁木质素组分，阐明其分离机理；采用碳谱和二维异核单量子相干谱等先进核磁共振技术表征木质素的分子结构。本项目所取得的成果将对制浆造纸、生物质燃料转化、竹碳基纳米材料制备等加工利用和竹材材性改良提供理论指导。

竹材作为世界森林资源的重要组成部分，性能优良，在一定程度上缓解木材资源短缺矛盾。木质素的异质性分布和分子结构是决定竹材性能的因素之一，是竹材解剖和化学基础研究中的热点和难点。本项目以不同发育阶段的毛竹为研究对象，在解译不同细胞类型胞壁构造的基础上，获得了主要组分木质素等的微区分布规律；并高效分离木质素、表征其分子结构，阐明了竹材木质化过程中结构和木质素特性的演变。采用高分辨率电子显微镜、X射线扫描透射显微镜和原子力显微镜揭示不同类型细胞的超微构造，并利用激光扫描共聚焦显微镜、共聚焦拉曼显微镜、紫外显微分光光度计结合光谱成像分析技术系统地研究了细胞壁木质素的微区分布规律；随着竹龄的增长，纤维、薄壁细胞和导管分子的细胞壁层数不断增加，细胞壁内木质素持续累积。导管早于纤维和薄壁细胞开始木质化。木质素先在细胞角隅和复合胞间层区域沉积，而后向次生壁推进。此外，毛竹木质素含有紫丁香基（S）、愈创木基（G）和对羟苯基（H）组成单元，单元含量随竹龄、细胞类型、微区存在差异。基于球磨和酶解的方法获得新型原本木质素，以及用对甲苯磺酸等绿色有机溶剂分离木质素，阐明其分离机理，并采用红外光谱及二维异核单量子相关谱等先进核磁共振技术诠释木质素的分子结构；本项目所取得的成果将对制浆造纸、生物质燃料转化、竹碳基纳米材料制备等加工利用和竹材材性改良提供理论指导。相关研究结果在国内外重要期刊上发表，并多次在国内外学术会议上进行交流。项目截止目前发表了学术论文20篇，其中SCI收录11篇，EI收录2篇；申请专利2项；培养硕士研究生3名。