巨尾桉生长过程中木质素局部化学及分子结构表征研究

The heterogeneity of topochemistry and molecular structural of lignin during the growing process of plant is the key and difficult basic research in the filed of phytochemistry, which significantly affects the potential applications of plant for papermaking, artificial board, and cellulosic ethanol, etc. There are several major difficulties in the research of the topochemistry and molecular structural of lignin, such as lack of an efficient in-situ detection technology, an efficient separation technology, and an accurate quantitative characterization technique. In this project, the researches will focus on these three major difficulties and Eucalyptus grandis × Eucalyptus urophylla will be chosen as raw material, which is the main fast-growing wood in southern China. Various high resolution electron microscopic methods, such as confocal Raman microscopy, combined with special staining technique will be developed to illustrate the topochemistry of lignin during the growing process of Eucalyptus grandis × Eucalyptus urophylla. A novel method based on mild alkaline preswollen and in-situ enzymatic hydrolysis for the isolation of the whole lignin from the cell walls will be developed and the mechanism of isolation will be clarified. Quantification of the molecular structural of lignin during the growing process of Eucalyptus grandis × Eucalyptus urophylla will be achieved by using a combination of quantitative 13C, quantitative 31P, 2D HSQC NMR techniques and various traditional chemical analysis methods. A potential structure model of lignin in the raw material will also be proposed. This project belongs to the intersection of botany and chemistry. It is believed that the researches of this project will not only solve the key scientific issues, but also support theoretic basis for the efficient utilization of Eucalyptus grandis × Eucalyptus urophylla.

植物生长过程中木质素局部化学及分子结构的不均一性，是植物化学基础研究领域的重点及难点，严重影响植物原料在制浆造纸、人造板及纤维燃料乙醇等领域的转化利用。本项目针对木质素局部化学及分子结构研究时缺乏高效的原位检测技术、高效的分离技术以及准确的定量表征技术等研究难点，拟选用我国南方主要速生材巨尾桉为原料，采用共聚焦拉曼显微镜等多种高分辨率电子显微镜技术，结合特殊染色法，对巨尾桉生长过程中木质素局部化学进行系统深入研究；率先采用弱碱预润胀结合原位酶水解新技术，分离得到细胞壁中全部木质素组分，并阐明其分离木质素的机理；利用定量碳谱、定量磷谱及二维异核单量子相干谱等先进核磁共振技术，结合传统化学分析方法，对巨尾桉生长过程中木质素分子结构进行定量表征研究，并构建巨尾桉木质素可能结构模型。本项目的研究属于植物学与化学的交叉，不仅可以解决所研究内容的关键科学问题，还将为巨尾桉的高效利用提供理论指导。

植物生长过程中木质素局部化学及分子结构的不均一性，是植物化学基础研究领域的重点及难点。巨尾桉是我国南方主要速生材，本项目选取不同生长年限（1-4年）、不同部位（上、中、下部）巨尾桉为原料，利用拉曼显微技术确定木质素在细胞壁各层的分布规律，对巨尾桉生长过程中木质素局部化学的不均一性进行了解译。提出了弱碱预润胀结合原位酶水解的木质素分离新技术，并对该分离技术进行了进一步优化，确定了最优预润胀分离条件。在优化后的基础上，分离得到不同生长年限和不同生长部位的预润胀酶解残渣木质素样品（SREL）。利用核磁共振结合传统化学分析方法，对分离木质素组分的分子结构进行了定量表征研究，解译了巨尾桉生长过程中木质素分子结构的不均一性，并构建了巨尾桉木质素的可能结构模型。研究结果显示，随着树龄增长，各部位细胞壁层厚度增加；细胞壁角隅处的木质素浓度最高，其次是胞间层，次生壁层的浓度最低；随着树木成熟，次生壁层的木质素浓度增加幅度不如角隅处明显，并且浓度差逐渐缩小。利用弱碱预润胀结合原位酶水解技术分离得到的SREL样品与酶木质素（CEL）和碱木质素（AL）进行对比，结果发现氢氧化钠预润胀过程可显著提高纤维素的酶解转化能力，使SREL具有较高的得率（95%）和较低的含糖量（8.7%），通过二维核磁发现SREL具有丰富的β-O-4′联接键，且得到了CEL 和AL中未被检测到的对羟苯基结构单元（H）。通过改变NaOH浓度（2%、4%、8%）对预润胀酶解分离木质素的方法进行优化，结果发现用2%的NaOH润胀木粉，不仅能使分离得到的SREL保证高得率和低含糖量，还能有效移除细胞壁中的半纤维素，使纤维素发生从Ⅰ型到Ⅱ型的晶型转变，同时还能保留更完整的木质素分子结构。对在优化后基础上分离得到的不同树龄和不同部位的SREL样品进行表征，发现SREL中的主要单糖随着树木成熟，逐渐由半乳糖转变为葡萄糖；随着树木的成熟，S/G比例呈现增加的趋势。本研究将为巨尾桉的转化利用提供理论指导，并为其他植物原料的木质素研究提供借鉴。