2H/13C双同位素示踪法研究纤维素-木素复合体的结构以及高效生化降解机制

Cellulose-lignin complexes (CLC) are formed by covalent bond between cellulose and lignin macromolecule. The CLC structure inhibits the separation of cellulose and lignin in pulping process. However, the chemical structure of CLC has not been elucidated systematically. In the present project, biosynthesis precursors of lignin and cellulose labeled by 13C and 2H will be synthesized and fed to a living tree. Therefore, the lignin and cellulose composition in the newly-formed xylem will be labeled by 13C and 2H isotopes, respectively. After complete lignification, the layer of newly-formed xylem with high isotopic content will be collected. The association between cellulose and lignin is analyzed with solid state NMR. Furthermore，The 13C/2H labeled LCC, CEL and cellulose fraction containing a little lignin will be isolated from the xylem. The linkages between cellulose and lignin in these materials are also determined by the difference spectra of 13C-NMR and 1H-NMR. Combined with the measurement of the δ2H/δ13C ratio, the proportion of covalent linkages between cellulose and lignin will be evaluated quantitatively. With the use of newly-formed xylem labeled by 13C and 2H as raw material,kraft pulping will be carried out followed by treatment with lignin oxidase and biomimetic system. By determining theδ2H/δ13C ratio combined with the NMR measurement, the cleavage of CLC linkage in biochemical pulping will be elucidated systematically.

纤维素与木素之间通过共价键形成纤维素-木素复合体(Cellulose-lignin complexes，简称CLC)，阻碍了制浆过程中纤维素与木素的分离，但CLC结构及降解尚未有系统研究。本研究合成分别带13C和2H同位素标记的木素和纤维素的前驱物，并将其投入到生长的树木中，使新生木质部中木素和纤维素分别被13C及2H标记。完全木质化后，收集高同位素含量的新生木质部，用固态NMR分析CLC的化学结构。从新生木质部中分离出2H/13C标记的LCC、CEL及含少量木素的纤维素，用13C-NMR和1H-NMR差谱分析其中CLC的连接键，结合δ2H/δ13C比值测定，定量分析纤维素和木素间连接键比例。以带2H/13C标记的新生木质部为原料，硫酸盐法制浆后用氧化酶和Cu(Salen)仿酶体系进行后续处理，测定纸浆的δ2H/δ13C比值并结合NMR分析，阐明处理过程中CLC连接键的降解机制。

纤维素与木素间的化学连接方式是木素与纤维素生物质科学的研究热点。.（1）木素与纤维素前驱物合成：研究中成功合成了带有 13C与2H外源性同位素标记木素与纤维素生物合成的前驱物，即 coniferin，syringin与UDPG 。证实双同位素标记并不影响植株的正常代谢与制浆过程。.（2）植物形成层组织结构研究：利用双同位素标记形成层组织（银杏，杨木），进行离子液体分级与核磁共振测定，发现形成层组织木素中存在β-O-4、β-5、β-β，证实了木素和碳水化合之间存在Cα-醚键、Cα-缩醛键的连接。尤其是通过离子液体分级的方式验证了木素-纤维素复合体酯键的连接，寻找到一种研究木质纤维素的新方法。.（3）新生木质部结构研究：对天然植株，包括针叶木（银杏），阔叶木（夹竹桃，杨木）与禾本科（小麦）进行双同位素标记，提取其LCC与MWL，酶解并化学改性，进行高分辨率核磁共振测试，发现植株中木素与纤维素之间存在缩醛键，醚键，酯键连接。其中，木素侧链Cα与纤维素C6间存在缩醛键与醚键，木素侧链Cγ位与纤维素C6位间存在酯键连接，为深入研究 LCC和木素的生物合成机理提供了理论支持。.（4）制浆降解木质素-纤维素复合体的结构研究：将双同位素标记的原料（银杏，小麦）使用硫酸盐法制浆，研究其结构变化。提取制浆后其LCC，通过核磁共振测试，发现制浆后仅保留有木素Cα与纤维素C6间存在缩醛键与醚键的连接，而木素Cγ位与纤维素C6位间酯键已完全降解。为制浆化学中深度脱木素的研究提供了一种理论基础。.（5）仿酶降解木质素-纤维素复合体的结构研究：利用 GIF型与Cu（Salen）型仿酶体系处理银杏浆中的LCC，研究其结构降解情况。通过核磁共振测试，发现仿酶降解后的浆中仅木素聚合体发生了降解，而LCC的降解有限，依然保留有木素Cα与纤维素C6间缩醛键与醚键的连接。为仿酶的进一步应用提供了理论基础。