林木半纤维素与木质素复合物结构解析及高值化利用基础研究

Effective isolation and conversion of woody hemicelluloses to high value-added products is one of the most important and challenging issues in biomass utilization. In this project, lignin-carbohydrates complexes (LCCs) from four kinds of Eucalyptus species (Eucalyptus grandis x E.urophylla, Eucalyptus urophylla x E.grandis, E.grandis, and Eucalyptus camaldulensis) at different stages will be isolated and their chemical structures will be fully elucidated. The isolated LCCs will be used as models to investigate the dissociation mechanisms of the LCCs during different pretreated conditions. Based on the interpreted information obtained from LCCs, more effective methods for isolating hemicelluloses will be established. After the fully understood the chemical composition, structural features, molecular properties, and rheological properties of the isolated hemicelluloses, films, porous and catalytic materials will be prepared from the hemicelluloses by various approaches, and the influencing mechanisms and their interactions of physical and chemical properties of the native hemicelluloses and the prepared functional materials will be thoroughly investigated. Furthermore, the utilizations of the films, porous materials and catalytic carriers in food packaging and catalytic reactions will be also studied by various chemical modifications and compounding methods, and the regulatory mechanism of structure and properties of these materials will be revealed and established. In short, this project will provide important theoretical basis for genetic breeding and multiple applications of Eucalyptus as well as technical support to prepare value-added products from the hemicelluloses.

林木半纤维素的高效分离和转化既是生物质利用的重要组成部分，也是木质纤维高效利用面临的重要科学问题。本项目以不同生长阶段的四种桉树（巨尾桉，尾巨桉，巨桉，赤桉）为原材料，在阐明桉树木质素—碳水化合物复合体（LCC）的化学结构特征、变化规律和解离机制的基础上；研究不同生长阶段半纤维素组分的组成和溶出机制，构建半纤维素组分的清洁高效分离新技术，并通过结构和流变特性研究半纤维组分的化学结构特征和理化性质。再以分离半纤维素组分为原料，通过多种化学修饰构建半纤维素基膜材料、多孔材料和催化材料；揭示半纤维素理化性能与材料结构及性能关系；探讨半纤维素基功能材料在食品包装及催化反应等方面的应用，阐明材料结构与性能的调控途径。本项目研究成果将为桉树遗传育种及多级资源化高效利用、特别是桉树等林木半纤维素高效分离及其功能材料构建、应用提供相关的理论基础和技术支撑。

林木半纤维素的高效分离和转化既是生物质利用的重要组成部分，也是木质纤维高效利用面临的重要科学问题。本项目以不同生长阶段的桉树为原材料（1）揭示了桉木半纤维素–木质素之间的连接键类型和定量结果；研究了在不同介质中（水体系，碱性和有机溶剂介质中）的木质素和半纤维素的解离机制，提出并构建了不同半纤维素和木质素组分的高效解离新方法，实现了桉木细胞壁半纤维素和木质素的高效选择性分离。在此基础上，还研究了其他生物质原料（油菜杆）的半纤维素和木质素解离规律；（2）基于半纤维素的结构特点，构建了不同的半纤维素基复合膜材料、凝胶材料的制备方法，并实现了性能优化；（3）根据半纤维素结构与性能调控，构建了可用于食品包装、生物医药、催化领域的可生物降解膜材料、多孔材料、催化材料、电极材料；（4）基于木质素的不同结构和性质，构建了系列木质素材料，木质素碳材料，木质素纳米防晒剂、吸附材料等；（5）评价了林木生物质解离处理后纤维素残渣的酶解转化效率和影响因素，这对于开发利用纤维素具有重要意义。本项目构建的“水热+”预处理对于桉木等生物质资源的开发也拓展了桉木半纤维素和LCC 的应用范围。基于上述研究内容，在国外本专业重要期刊发表SCI 收录论文 97 篇，其中一区 Top 期刊 SCI 论文 43 篇，二区（含 Top）26 篇。其中第一标注30篇(含一区Top 期刊论文20篇)，第二标注45篇，第三标注17篇，其他标注 5 篇。发表中文论文 3 篇，培养硕士研究生 13 人，博士研究生 9名，参编专著 5 部，获发明专利 17 件，获得国家技术发明二等奖 2 项，教育部技术发明一等奖1项，此外，项目负责人被邀请做国际会议报告7次。基于预期目标，顺利地完成了项目的各项指标。本项目研究成果将为桉树遗传育种及多级资源化高效利用、特别是桉树等林木半纤维素和木质素高效分离及其功能材料构建、应用提供相关的理论基础和技术支撑。