搏鱼体育官网

搏鱼体育官网:我校材料工程学院余雁团队在竹子细胞壁分级结构与生物质转化效率关系领域 研究取得重要进展

来源:搏鱼体育官网发布时间:2022-09-21作者:材料工程学院 张雪霞创建部门:搏鱼体育官网

近期,材料工程学院余雁教授团队连续在农林科学和生物大分子领域国际权威期刊《Biomacromolecules》(2篇,中科院1区,IF=6.978)、《Industrial Crops and Products》(2篇,中科院1区,IF=6.449)、《Cellulose》(3篇,中科院1区,IF= 6.123)和《Carbohydrate Polymers》(中科院1区,IF= 10.72)发表竹子细胞壁分级结构及其对生物质转化效率影响的系列研究成果。竹子是本世纪最具开发潜力的生物资源之一。然而,学术界对竹子细胞壁的高分子组成、分级有序结构、微区分布与相互作用机制了解非常薄弱,制约了竹子高效生物质转化技术及相关功能材料的开发。针对这一重要科学问题,团队开展了竹材生物质转化基础科学问题的系列研究,重点研究竹子最重要两种细胞构成单元—竹纤维和薄壁组织细胞壁的高分子组成、分级有序结构对碱抽提效率、细胞壁解聚及糖化效率的影响。

团队发现竹材薄壁细胞能够在较温和的条件下被解聚为纳米纤维素,转化效率显著高于竹纤维,其根本内在机制在于,薄壁组织细胞具有更大的腔壁比、更高的细胞壁孔隙率,以及相对较弱的细胞壁高分子之间相互作用。该研究为植物细胞壁结构组成如何影响生物质解聚效率提供了直接证据,为以竹材为原料高效制备纳米纤维素材料提供了新思路。成果近期发表于《Biomacromolecules》和《Cellulose》。《Biomacromolecules》论文第1作者为材料工程学院教师张雪霞博士,搏鱼体育官网为第1完成单位,主要通讯作者为余雁教授,共同通讯作者为瑞典国家RISE研究联合会的Lenart Salmen教授。《Cellulose》论文第1作者为国际竹藤中心博士生朱家伟,通讯作者为余雁教授,搏鱼体育官网为唯一通讯作者单位。国际竹藤中心王汉坤博士参与了上述部分研究工作。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00224

论文链接:https://doi.org/10.1007/s10570-022-04506-9

团队进一步发现,竹子纤维和薄壁组织细胞纤维素的超分子结构也存在显著差异,从而显著影响纤维素的糖转化效率。团队通过简单的水选筛分方法,分离了竹纤维与薄壁组织细胞,解析两种类型细胞纤维素的晶体结构差异,发现薄壁细胞纤维素结晶区具有更小的晶体尺寸,但纤维素分子链排列更为松散,不稳定晶型纤维素Ⅰα占比更高。这种相对松散的分子排列增加了化学药剂进入薄壁细胞纤维素结晶区的可及性,从而提高了解聚效率。为了进一步解析纤维素晶体结构对纤维素糖转化效率的影响,团队利用离子液体处理竹纤维与薄壁细胞的纤维素,发现在预处理过程中,薄壁细胞的纤维素晶型更易向纤维素Ⅱ型转变。此外,薄壁细胞的纤维素展现更高的水解效率,表明了竹材薄壁细胞作为生物质转化原料的独特优势。该成果分别发表在《Biomacromolecules》和《Cellulose》,论文第1作者均为材料工程学院博士生任文庭,通讯作者为余雁教授,搏鱼体育官网为第1完成和通讯作者单位,国际竹藤中心王汉坤博士参与了上述部分研究工作。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.biomac.1c01521

论文链接: https://doi.org/10.1007/s10570-021-03892-w

团队还发现,竹子薄壁组织细胞不仅纳米微纤化和糖转化效率方面显著高于竹纤维,其碱抽提效率也存在显著高于后者。导致这种差异的原因,不仅仅是因为两种细胞的的解剖形态存在巨大差异,还与两者细胞壁木质素、木聚糖分子结构,以及两者之间的相互作用存在密切关系。薄壁组织细胞木质素含有更多的S木质素单元、更大的S/G比例、更高的β-O-4键含量,而竹纤维含有更多阿魏酸FA单元和更多的C-C键。因此竹纤维木质素的缩合程度高于薄壁细胞木质素,更趋向于体型结构,而后者木质素更趋于线性。虽然薄壁细胞和竹纤维的半纤维素均是以木糖为主链,以阿拉伯糖与葡萄糖醛酸为侧链的聚阿拉伯糖葡萄糖醛酸木聚糖,但前者木聚糖含有更多和葡萄糖醛酸单元,支链化程度更高。此外,竹纤维木质素碳水化合物复合体(LCC)中相对稳定的苯基糖苷键含量更高,而薄壁细胞LCC中易水解的γ酯键的含量更高。上述研究发表在《Industrial Crops and Products》,论文第1作者为国际竹藤中心博士生朱家伟,通讯作者为余雁教授,搏鱼体育官网为第1完成和通讯作者单位,国际竹藤中心王汉坤博士参与了部分研究工作。

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.114628

为进一步解译竹子中纤维和薄壁组织细胞之间的结构差异,发现更多可能影响生物质解聚效率的细胞壁结构因子。团队利用多种高分辨率显微技术、X射线衍射和高分辨二维核磁等技术手段,系统对比了竹纤维与薄壁组织细胞细胞壁壁层结构特征、纤维素微纤丝取向和聚集体特征尺寸在亚壁层水平的变化,发现竹纤维厚层纤维素微纤丝角在10°左右,薄层微纤丝角为80°左右;而薄壁细胞的厚层微纤丝角为50-70°左右,薄层在70-80°之间,并基于上述发现提出了更加精细的竹子细胞壁壁层结构模型。该成果发表在《Industrial Crops & Products》,论文第1作者为材料工程学院博士生任文庭,通讯作者为余雁教授,搏鱼体育官网为第1完成和通讯作者单位,国际竹藤中心王汉坤博士参与了部分研究工作。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.114677

为了更好地了解竹子化学组成对生物转化顽固性的影响,团队应用高分辨率显微红外成像技术对比分析了竹纤维和薄壁组织细胞细胞壁高分子在组织和细胞水平的分布特征,发现木质素、木聚糖和羟基肉桂酸在维管束导管附近的竹纤维中具有更高的浓度分布,而纤维素则均匀分布在维管束的整个纤维鞘。薄壁组织细胞中含有更多的果胶和羟基肉桂酸。对于竹纤维,纤维素、木聚糖和S型木质素更集中在次生壁,而G型木质素、果胶和羟基肉桂酸在复合胞间层中有更高的分布浓度。此外,团队进一步分析了对比了竹纤维和薄壁组织细胞化学组成、吸湿性、热稳定性的性质差异,发现竹纤维的纤维素含量显著高于后者,但木聚糖的含量显著较低,但两者的木质素含量相当。上述化学组成差异导致薄壁组织细胞具有较强的吸湿性,但热稳定性较差。

上述研究成果分别发表在《Carbohydrate Polymers》和《Cellulose》。《Carbohydrate Polymers》论文第1作者为国际竹藤中心博士生朱家伟,主要通讯作者为余雁教授,共同通讯作者为瑞典国家RISE研究联合会的Lenart Salmen教授,搏鱼体育官网为主要通讯作者单位。《Cellulose》论文第1作者为材料工程学院教师郭飞博士,通讯作者为余雁教授,共同通讯作者为瑞典国家RISE研究联合会的Lenart Salmen教授,搏鱼体育官网为第1和主要通讯作者单位。国际竹藤中心王汉坤博士参与了部分研究工作。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118653

论文链接:https://doi.org/10.1007/s10570-021-04050-y

上述系列研究工作得到了国家自然科学基金(31770600,32001381)、国家“十四五”国家重点研发计划项目(2021YFD2200504),以及国家留学基金委高级访问学者项目的支持。


转载本网文章请注明出处

返回原图
/

搏鱼体育官网(科技)有限公司