滇产大型竹材细胞壁组分高效拆分机制与分子结构研究

Yunnan have excellent natural conditions to develop bamboo industry due to the aboundant bamboo resources distributed in this area. However, because of the inadequate understanding on basic physicochemical properties of sympodial bamboo species, so far it is difficult to transform the resources advantages into industrial advantages. In this project, the response mechanism of bamboo tissues and cell wall components to different pretreatment methods, solvent systems, and enviromental conditions will be clarified, and an efficient separation technical system will be developed. After that, the cell wall components (lignin, hemicelluloses, and lignin-hemicelluloses complex) will be isolated with mild and effective separation methods, while minimizing the extent of chemical modification. Then, the structural properties of the isolated lignin, hemicelluloses, as well as lignin-hemicelluloses complex will be characterized by wet chemical analysis methods and modern instrument analysis techniques (NMR, GC/MS, MALDI-TOF-MS, HPLC, etc.) to elucidate their structural characteristics, including molecular structures and inter-components linkages. The project will provide a necessary and reliable scientific basis about efficient separation and physicochemical properties of cell wall components in the sympodial bamboo species, and the analysis results will contribute to solve the important and hard problems during the process of bamboo biorefinery.

云南地区大型丛生竹资源丰富，具有发展竹产业的优越资源条件。但由于对滇产竹材开发利用基础性能研究不足，当地的竹材资源优势一直难以转化为产业优势。本研究选择云南地区最具研究和产业开发价值的6种大型丛生竹材为研究对象，揭示竹材细胞壁组织和分子结构对不同预处理方式、溶剂体系和介质环境的应答机制，进而构建基于滇产大型竹材的细胞壁组分清洁、高效拆分技术体系；在此基础上，采用温和、高效的组分分离技术，在尽可能完整保留组分原本结构特征的情况下，从竹子秆材解离得到木质素、半纤维素和木质素-碳水化合物复合物组分，结合湿法化学和现代仪器分析技术（NMR、GC/MS、MALDI-TOF-MS、HPLC等），从分子结构水平诠释滇产大型竹材细胞壁主要组分化学结构特征和相互间化学键合关系。通过开展本研究，奠定滇产大型竹材资源开发利用研究基础，为解决滇产大型竹材高值化转化利用过程中出现的重点、难点问题提供科学理论依据。

云南地区大型丛生竹资源丰富，具有发展竹产业的优越资源条件，但由于对滇产竹材开发利用基础性能研究不足，当地的竹材资源优势一直难以转化为产业优势。针对这一矛盾，本项目选择云南地区最具资源优势和开发应用价值的大型竹材为研究对象，揭示竹材细胞壁组织和分子结构对不同预处理方式、溶剂体系和介质环境的应答机制，构建基于滇产大型竹材的细胞壁组分清洁、高效拆分技术新体系；在此基础上，采用温和、高效的组分分离技术，在尽可能完整保留组分原本结构特征的情况下，从竹子秆材解离得到木质素、半纤维素和木质素-碳水化合物复合物（LCC）组分，结合一系列湿法化学和现代仪器分析技术，从分子结构水平诠释滇产大型竹材细胞壁主要组分化学结构特征和相互间化学键合关系。.研究结果表明，滇产大型丛生竹材秆材高大，结构致密，预处理可以解聚竹材的聚集态结构，是实现其组分有序高效拆分的必须环节；有机-无机连续抽提体系、超声-弱碱协同作用体系、LiCl/DMSO全溶体系等溶剂体系均可实现滇产大型丛生竹材细胞壁三大组分的有效分离，得到纯度较高的木质素、半纤维素；二氧六环、二甲基亚砜单独或连续抽提得到的竹材木质素组分中，木质素-半纤维素结构保留较完整，是解析竹材LCC结构的有效样品；丛生竹木质素属于典型的禾草类木质素（GSH型），木质素的主要联接键为β-O-4'醚键，其次是β-β'、β-1′和β-5'联接，木质素苯丙烷结构侧链γ位碳与对香豆酸结合，形成对香豆酸酯；丛生竹半纤维素的分子主链是(β-1→4)-聚木糖，侧链为α-L-阿拉伯糖和/或4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸，侧链通过α-(1→3)和/或α-(1→2)键连接到聚木糖分子主链上；丛生竹木质素与半纤维素之间存在苯基糖苷键和苄基醚键联接，可能存在γ-酯键联接。本研究所取得的研究成果，即有助于奠定滇产大型竹材细胞壁组分高效拆分及分子化学结构的研究基础，也可为实现滇产竹材资源高值化综合开发利用提供科学理论依据。