X射线在棕榈藤纤维细胞壁结构研究上的应用

棕榈藤(rattan)是热带森林中仅次于木材和竹材、重要的非木材林产品,具有很高的经济价值和开发前景。由于目前对棕榈藤的细胞结构,尤其是藤纤维的细胞壁结构知之甚少,严重限制了对棕榈藤材的研究和加工利用。因此,为构建棕榈藤材纤维细胞壁结构模型、探索棕榈藤强韧机理,选择高地钩叶藤为研究对象,采用X射线衍射法(XRD),分别测量并计算藤纤维微纤丝角、结晶度及微晶体尺寸等结晶参数;其中微纤丝角计算选用0.4 T法。微纤丝角测试时,试样沿直径方向由一侧藤皮开始依次切取尺寸为L(长)×T(厚)×W(宽)=25 mm×0.5 mm×W的试件8片,然后放置在温度为(20±2)℃、相对湿度为65%±5%的调温调湿箱中平衡处理至少一周。结晶度及微晶体尺寸测试时,每个试样再分藤皮、藤中和藤芯三个部分,使用球磨机磨成粉末后放入烘箱中在(103±2)℃下烘至绝干。研究结果表明:高地钩叶藤微纤丝角在22.53°～49.47°间变异,平均值为36.50°。径向上藤皮处微纤丝角最小,藤芯处微纤丝角最大,说明藤皮强度比藤芯好;轴向上微纤丝角为2 m处梢部中部基部,微纤丝角与藤龄间规律性不强。藤茎结晶度在21.40%～36.45%间变异,平均值为29.99%。径向上纤维素结晶度为藤皮藤中藤芯;轴向向上随藤龄减小,结晶度呈先升后降变化趋势,且最大值在中部、最小值在基部。纤维素微晶体宽度在5.72～6.19 nm间变异,平均值为6.03 nm。藤皮处微晶体宽度最小,藤芯最大;藤茎平均微晶体宽度与藤中、藤芯一样,随着藤茎高度的升高呈先下降后至中部达最小值后又上升的变化趋势。微晶体长度在13.07～19.34 nm间变异,平均值为15.59 nm。径向上微晶体长度为藤皮藤芯藤中;微晶体长度轴向随着藤茎高度上升,均呈"降—升—降"趋势,总体上微晶体长度基部高于梢部,呈下降趋势。高地钩叶藤藤茎中段比基部和梢部材质好、藤皮比藤芯质量高。     

利用X射线衍射技术分析黄藤材微纤丝角、结晶度及γ射线的影响

为了解棕榈藤材基本材性、提高我国棕榈藤资源高附加值加工利用水平,以我国特有的黄藤为研究对象,应用X射线衍射法测定黄藤材微纤丝角、结晶度,并就γ射线辐照处理对微纤丝角、结晶度有何影响进行了分析。结果表明:纤维微纤丝角在33.4°～38.7°范围内,平均为36.1°;藤皮处微纤丝角不比藤芯处的大。当标准剂量率为2.5×103Gy.h-1、辐射剂量分别为3,9和15kGy三个水平时,辐照处理前后对应微纤丝角分别为36.2°和35.8°,35.9°和35.4°,36.2°和35.4°,较处理前分别减小了1.10%,1.39%和2.21%。纤维素结晶度在24.8%～32.0%范围内,平均为28.6%,藤皮处结晶度均比藤芯处高。辐照处理前后对应结晶度分别为28.1%和26.0%,28.1%和26.9%,28.5%和27.1%,较处理前分别减小了7.58%,4.34%和4.70%,其中当辐射剂量为3kGy时,辐照导致结晶度差异在0.001水平上极显著。     

黄藤细胞壁微纤丝取向偏振光拉曼光谱研究

采用532 nm共聚焦显微拉曼光谱技术原位状态下研究了黄藤藤茎纤维及导管细胞壁中纤维素微纤丝空间取向差异。在高数值孔径（NA=1.25）物镜测试条件下,C-H伸缩振动（2 771~3 000 cm-1）特征峰峰面积拉曼成像成功的区分出细胞角隅、复合胞间层以及次生壁。进一步发现纤维细胞次生壁呈宽窄交替的同心层状结构,而导管次生壁无明显的分层结构。采用平行于细胞径向壁的拉曼偏振激光进行光谱成像发现纤维细胞次生壁窄层纤维素C-O-C（1 097 cm-1）拉曼信号强度明显高于宽层,即窄层中微纤丝取向更加平行于入射激光偏振方向,与细胞轴夹角更大,而导管次生壁中微纤丝取向较为均一。细胞壁不同形态区域拉曼光谱分析发现纤维素C-O-C特征峰以及CH和CH₂特征峰的拉曼信号强度与入射激光的偏振方向存在明显的相关性。当入射偏振激光的电矢量方向从平行变化到垂直于微纤丝方向时,其糖苷键C-O-C非对称伸缩振动信号减弱,而CH和CH₂的取向在与入射偏振激光的电矢量方向垂直时,其拉曼信号强度相较于平行状态略微降低,表明纤维素特征峰中的糖苷键C-O-C的非对称伸缩振动比CH和CH₂伸缩振动对拉曼偏振光的方向改变更为敏感。比较纤维细胞宽层与窄层的拉曼光谱发现径向次生壁窄层1 097 cm-1处拉曼信号强度明显高于弦向次生壁窄层,而径向次生壁宽层的2 897 cm-1处拉曼信号强度低于弦向次生壁宽层。拉曼特征峰比值（I_{1 095}/I_{2 897}）可用来定性研究细胞壁微纤丝角,结果发现这一比值在导管次生壁、纤维细胞窄层和纤维细胞宽层中分别为1.32~1.10,0.92~0.55和0.42~0.33,表明导管次生壁具有最大的微纤丝角,纤维细胞窄层次之,宽层最小。该研究为解析藤材细胞壁骨架空间结构、化学成分分布以及微力学特性提供了新型的分析手段和重要的理论指导。     

近红外反射光谱法测定苜蓿干草主要纤维成分的研究

采集不同生育期、不同品种和不同干燥方式（烘干、阴干、晒干）的苜蓿干草样品60份,研究了利用近红外反射光谱法分析苜蓿干草中纤维素、半纤维素和木质素含量的可行性。实验结果显示,纤维素的交互验证相关系数（R_CV）、外部验证决定系数（r2）以及验证集样品标准差（SD）与预测残差均方根（RMSEP）的比值（RPD）分别为0.97,0.97,4.44,木质素为0.94,0.94,4.08,表明利用NIRS技术可以准确分析苜蓿干草中纤维素和木质素的含量。半纤维素的R_CV,r2,RPD分别为0.29,0.12,1.09,说明该模型不能进行半纤维素的实际预测。利用近红外反射光谱法准确测定纤维素和木质素含量的结果,对苜蓿生产加工中的质量评价,以及苜蓿育种等研究中纤维品质的快速分析都具有重要意义。     

黄藤细胞壁木质素区域化学分子光谱成像研究

整合共聚焦显微荧光和拉曼光谱成像技术系统研究了黄藤藤茎组织中不同类型细胞以及同一细胞不同形态区域的木质素区域化学特点。共聚焦荧光成像表明黄藤藤茎组织中木质素主要汇聚于初生木质部导管、次生木质部导管、维管束间的薄壁组织细胞以及纤维细胞角隅区。基于荧光光谱差异的光谱成像线性拆分结果显示纤维细胞次生壁由宽、窄层交替的同心层状结构组成,且窄层具有更高的木质化程度。比较黄藤、毛竹、芒草、毛白杨和虎皮松拉曼光谱发现黄藤材细胞壁拉曼光谱与阔叶木毛白杨类似,证实了黄藤材的化学组成更加趋近于阔叶木毛白杨。对拉曼光谱中木质素特征峰成像进一步揭示出纤维细胞中木质素不均一的分布规律: 其中细胞角隅胞间层和复合胞间层的拉曼信号强度最高,表明较高的木质化程度,其次是次生壁中的窄层,而次生壁宽层中拉曼特征峰强度最低,这一分布规律与竹材纤维细胞中木质素分布规律类似。宽、窄层中木质素不仅存在浓度上的差异,而且木质素基本结构单元的比例亦不同。采取光谱去卷积的方法排除了碳水化合物的影响,发现窄层中愈创木基(G型)木质素与紫丁香基木质素(S型)比例为0.19,而在宽层中这一比值为0.14,这一结果亦解释了宽、窄层荧光光谱间的差异。该研究结果对探索黄藤细胞壁生物合成及力学响应机制研究具有重要理论指导意义。     

毛竹薄壁细胞组分分布及取向显微成像研究

薄壁细胞是竹材基本组织中的主要细胞类型起到填充及淀粉贮存作用,是竹材中重要的力学承载单元之一。采用共聚焦荧光显微技术对解离后的竹材薄壁细胞形态进行成像观察,透射电子显微镜成像发现薄壁细胞次生壁呈现宽窄交替的同心层状结构,且单层厚度在0.2～0.3μm。在此基础上利用532 nm共聚焦显微拉曼光谱成像技术原位状态下研究竹材薄壁细胞壁中木质素、纤维素区域化学,通过C—H伸缩振动(2 789～3 000 cm~(-1))特征峰峰高拉曼成像成功的区分出薄壁细胞复合胞间层以及次生壁,由于空间分辨率限制无法对薄壁细胞次生壁亚层进行区分。通过对薄壁细胞拉曼光谱380 cm~(-1)(吡喃环C—C—C对称弯曲振动)和1 600 cm~(-1)(木质素苯环伸缩振动)特征峰成像发现其次生壁中纤维素具有明显的区域选择性,而木质素具有明显的区域选择性,主要汇聚于复合胞间层及次生壁内层。与木质素共轭相联的松柏醛/芥子醛,以酯键和醚键与木质素和半纤维素相联的对羟基肉桂酸类与木质素分布规律类似。采用偏振光拉曼成像阐明纤维素微纤丝在薄壁细胞与纤维细胞各亚层中的空间取向差异,拉曼强度比值表明相对于纤维细胞宽层,纤维细胞窄层及薄壁细胞次生壁中纤维素分子更加趋近垂直于细胞轴向,也即是大的微纤丝角。研究结果加深了对毛竹薄壁细胞结构、细胞壁区域化学及分子取向特性的理解,能够为高效精准利用竹材提供重要的理论指导。     

基于共聚焦显微拉曼光谱的毛竹细胞结构和成分研究

采用共聚焦显微拉曼光谱对毛竹薄壁细胞、薄壁纤维过渡细胞和纤维细胞进行研究。通过构建偏最小二乘(PLS)定量区分模型来对这三种细胞中的差异进行分析,结果表明,该区分模型的建模和交互验证决定系数(R2)分别为0.810和0.800,均方根误差(RMSE)分别为0.323和0.332。根据这一模型的回归系数,发现三种细胞的区别主要体现在1 095,1 319和1 636 cm-1三个波数,这三个波数分别为纤维素、半纤维素和木质素的指纹特征峰。以这三个波数为自变量建立多元线性回归(MLR)模型,该回归模型的建模和交互验证决定系数(R2)分别为0.644和0.643,均方根误差(RMSE)分别为0.442和0.443,表明三种细胞在这三个波数处存在明显的差异。对小波变换基线消除后的拉曼光谱信号进行化学成像分析,结果显示,纤维素微纤维与纤维轴成一个很大的角度,这一结构有利于提高细胞的弹性模量和硬度。半纤维素和纤维素微纤维通过氢键相连,并在范德华力的作用下紧密地结合在一起,因此在拉曼化学成像中可以看到半纤维素和纤维素有相似的分布规律。三种细胞的细胞角和胞间层都高度的木质化,从细胞壁外层到内层木质化程度逐渐降低,表明细胞壁的木质化从细胞角和胞间层开始,且木质化程度并不完全。     

黑杨受拉木纤维细胞组分及孔隙分布拉曼光谱成像数据研究

倾斜阔叶木枝干弯曲部位的上端在拉伸应力影响下通常会形成受拉木。区别于受拉伸部位下方的对应木,受拉木细胞壁通常会出现理化特性变异的现象,主要归因于细胞次生壁内侧胶质层的形成。采用透射电子显微成像技术揭示了黑杨受拉木与对应木纤维细胞壁分层结构特点,并借助532 nm共聚焦显微拉曼光谱成像（空间分辨率约为0.5 μm）及图像叠加技术在原位状态对比了受拉木与对应木纤维细胞壁主要组分分布规律、分布相关性以及细胞壁水平的孔隙分布特点。通过纤维素、半纤维素及木质素-CH非对称伸缩振动（2 942 cm-1）特征峰峰面积积分成像成功地区分出受拉木与对应木纤维细胞壁各个亚层。在此基础上采用数据归一化处理实现平均拉曼光谱中纤维素（1 094 cm-1）与木质素（1 598 cm-1）、木聚糖（904 cm-1）与木质素（1 598 cm-1）特征峰成像叠加,结果表明相比于临近的次生壁及胞间层,受拉木胶质层含有更高浓度的纤维素;与对应木相比,受拉木纤维素和木聚糖浓度在整个细胞壁形态区域呈增强趋势,木质素浓度在次生壁区域有所增强。相邻细胞壁线扫描分析结果表明沿着细胞腔向复合胞间层区域过渡时纤维素、木质素及木聚糖的浓度均呈现明显的区域选择性及梯度变化规律。特征峰积分成像得出受拉木胶质层孔隙结构最为丰富,但其次生壁及胞间层区域孔隙分布程度较对应木低。以上研究结果有助于深化对受拉木特殊理化特性及形成机制的理解,同时拓展了显微拉曼光谱技术在植物细胞壁孔隙结构研究领域的应用。     

基于拉曼光谱快速检测亚氯酸钠法脱木素的动力学及选择性

酸性亚氯酸钠法脱木素是目前实验室最常用的脱木素方法,可最大程度地保留综纤维素,但关于木质素在逐步脱除过程中其动力学及选择性的研究却很少。拉曼光谱能快速、定性和半定量地测定亚氯酸钠法脱木素过程中残余木质素及木质素单体含量在不同细胞及形态学区域的动态变化。以阔叶材桉木、针叶材杉木、禾本科毛竹为例,通过提取亚氯酸钠法脱木素过程中不同细胞木质素(1 598 cm~(-1))及单体愈疮木基(G, 1 270 cm~(-1))、紫丁香基(S, 1 331 cm~(-1))的平均拉曼光谱,发现三种木材在各区域中木质素脱除动力学总体规律一致,即在反应初期木质素大量快速移除,随着反应的进行木质素脱除效率下降。其中,在反应前0.5 h, 1 598 cm~(-1)处平均拉曼强度降低量超过82%,而在脱木素后期(1.0～1.5 h),木质素平均拉曼强度减少仅5%～15%。特别的,竹材脱木素所需时间要明显少于木材。相同条件下,竹材纤维细胞在前10 min内1 598 cm~(-1)处拉曼强度减少就达88.65%。同时,木质素的脱除具有高度的选择性。在反应初期,射线细胞中G和S型木质素的移除率均高于导管和纤维细胞,而在导管、纤维细胞中, S型木质素的脱除比G型木质素更明显。在逐步脱除木质素过程中,导管、射线、纤维细胞间木质素相对强度关系总体不变,即导管、射线相对木质素浓度始终高于纤维细胞。总体而言,在组织水平,导管中木质素最难于脱除,射线细胞次之,纤维细胞中的木质素较容易脱除。在纤维细胞中,细胞角隅木质素脱除速率最高,其次是复合胞间层,次生壁最低。就木质素单体而言, S型木质素比G型木质素更容易脱除。研究表明拉曼光谱能简单、快速地检测不同树种中各类组织、细胞以及木质素结构单元在生物质化学预处理中残余木质素含量的动态变化,同时进一步加深对生物质亚氯酸钠法脱木素选择性及动力学的理解。     

FTIR及CLSM对转基因杨木细胞壁木质素含量及微区分布研究

通过木质素基因工程能够有效降低杨木细胞壁木质素含量,从而改善人工林杨树作为木质纤维材料的利用现状。选取C3H基因活性抑制表达的转基因杨树和其对照组杨树为实验材料,利用傅里叶红外光谱(FTIR)技术快速表征C3H基因表达活性降低后幼龄杨木细胞壁木质素的含量,并结合激光共聚焦显微镜(CLSM)和组织化学染色技术原位表征木质素含量微区分布变化规律。结果表明转基因杨树与对照组杨树红外谱图的形状和特征峰数目、位置基本一致,表明C3H基因活性降低并未改变杨木细胞壁主要化学成分及结构,但I_{1 508}/I_{1 379},I_{1 508}/I_{1 425}和I_{1 508}/I_{1 740}木质素特征峰高度比值结果表明转基因杨木木质素含量下降了8.2%～9.5%,峰强度的区别说明C3H基因活性抑制表达能够改变杨木细胞壁上木质素等化学组分含量;CLSM观察发现转基因杨木木质素微区分布含量均为纤维细胞角隅>复合胞间层>次生壁,与对照组木质素呈现相同的沉积规律,且转基因杨木细胞壁木质素浓度低于对照组杨木;组织化学染色的结果同样表明杨木S单体木质素均匀分布于纤维细胞壁上,而G单体木质素微区沉积规律为纤维细胞角隅>复合胞间层>次生壁,进一步揭示了C3H基因活性的降低并没有改变转基因杨木G和S木质素单体的沉积规律,但对其纤维和导管壁上木质素单体含量分布有一定影响。     

Quantitative infrared determination of lignin in cellulose and hemicellulose

A spectroscopic method is suggested for the quantitative determination of lignin in cellulose-containing materials, which is based on taking a differential spectrum of the test material relative to a standard (cotton cellulose). Test samples are prepared in the form of variable thickness films for ease of compensation. Lignin content is determined from the absorption at the maximum of the 1600 cm^–1 band which is assigned to the valence vibrations of C-C bonds in the lignin aromatic ring. The suggested method could be used in industries concerned with the preparation and processing of cellulose and hemicellulose.     

结香纤维素与木素分布的显微激光拉曼光谱研究

显微激光拉曼光谱技术可以实现纤维素与木素在木材细胞壁中原位状态分布规律的观察研究。首先采用透射电子显微镜(TEM)研究了结香细胞壁的超微结构。进而采用显微激光拉曼光谱技术对细胞壁各层中纤维素与木素分布特点进行了原位分析测定,拉曼图像及光谱分析结果表明,纤维素与木素在细胞壁各形态区分布不均一,纤维素的分布情况与木素相反。     

NOx and N2O precursors (NH3 and HCN) from biomass pyrolysis: Co-pyrolysis of amino acids and cellulose, hemicellulose and lignin

Nitrogen in biomass is mainly in forms of proteins (amino acids). Glycine, glutamic acid, aspartic acid, leucine, phenylalanine and proline are the major amino acids in agricultural straw. The six amino acids were pyrolyzed individually at 800 °C in a tubular reactor in an argon atmosphere. Each amino acid sample was then pyrolyzed individually with cellulose, hemicellulose or lignin with 1:1 mixing ratio by weight under the same condition. The emissions of HCN and NH₃ were detected with a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer. The extent of interaction between the amino acids with cellulose, hemicellulose or lignin was determined by comparing the yields of HCN and NH₃ from co-pyrolysis with those from single amino acid pyrolysis under the same condition. The results indicate that the structure of the amino acid has a significant effect on the nitrogen transformation during pyrolysis. The mixtures undergo solid-state decomposition reactions during co-pyrolysis. The extent of interaction between the amino acids with cellulose, hemicellulose or lignin depends on the amino acid types and the components in biomass. Although single proline and leucine form no char, they give a significant amount of nitrogen-containing char when co-pyrolyzed with cellulose, hemicellulose and lignin. HCN and NH₃ yields and nitrogen conversion pathway from amino acid pyrolysis are influenced by cellulose, hemicellulose and lignin.     

Ultrasound-Assisted Surface-Modification of Wood Particulates for Improved Wood/Plastic Composites

The combined effects of alkali and ultrasound treatment of wood flour on the mechanical properties of polypropylene-based wood/plastic composites (WPCs) were examined. FT-IR measurements confirmed that the alkali treatment removed both hemicellulose and lignin from the wood, and there was an increase in the number of hydroxyl groups on the cellulose surface. This process was promoted by ultrasound treatment. Mechanical testing of injection-molded WPC samples revealed that alkali treatment improved both composite strength and modulus when polypropylene grafted with maleic acid was used as a coupling agent. The strength increase is due to improved adhesion between the fiber and matrix, while improved modulus is due to the removal of lignin and hemicellulose that are not as stiff as cellulose. Polarized optical microscopy showed the presence of well-defined polymer crystals on the surface of the modified wood, and this is also responsible for the improved mechanical properties. It is conclusively demonstrated that the combination of chemical treatment of wood and ultrasound assistance is more effective in improving the mechanical properties of the composites than the use of chemical treatment alone.     

Moisture Absorption Behavior of Wood/Plastic Composites Made with Ultrasound-Assisted Alkali-Treated Wood Particulates

The combined effects of alkali and ultrasound treatment of wood flour on the moisture absorption behavior of polypropylene-based wood/plastic composites (WPCs) were examined. FT-IR measurements confirmed that the alkali treatment removed both hemicellulose and lignin from the wood, and there was an increase in the number of hydroxyl groups on the cellulose surface. This process was promoted by ultrasound treatment. Particle size analysis of treated wood fibers revealed that alkali treatment reduced the particle size slightly, and the particle size was further reduced by the assistance of ultrasound. Moisture absorption measurements revealed the interplay between the presence of relative amounts of cellulose, hemicellulose and lignin in the wood and the amount of coupling agent added. It was found that appropriate alkali treatment and an optimum amount of added coupling agent could simultaneously improve composite mechanical properties and reduce both the rate and the maximum amount of moisture absorbed. Further improvements require preferential removal of hemicellulose from the wood and conditions that promote covalent bonding between the coupling agent and the wood reinforcement.     

SEM-EDXA分析不同生长应力木材细胞壁微区木质素沉积

选取具不同生长应力水平的人工林尾巨桉(Eucalyptus uroph ylla×E.grandis)正常木为研究对象,借助场发射环境扫描电子显微镜系统,结合以溴元素做标记的X射线能谱分析技术,分析了尾巨桉细胞壁微区木质素沉积与生长应力的关系.研究结果表明,木纤维细胞壁各微区间木质素含量的大小关系与生长应力高低无关,其...     

纤维素类芒属草本能源植物品质近红外光谱快速检测技术研究

我国生物质能源产业近年来得到快速发展,但对能源草的研究还处于初级阶段,如果能建立全面的能源植物木质素、纤维素、半纤维素的近红外预测模型数据库,将有助于优良品种的筛选、能源植物能用性能的评价及生物质能源产业在线控制。本研究采用傅里叶变换近红外光谱(FT-NIR)技术结合偏最小二乘法(PLSR)建立了荻、南荻、奇岗、芒四种芒属能源植物品质指标(纤维素,半纤维素,木质素和灰分)近红外预测模型,并在此基础上研究了样本粒度对模型的影响。研究结果表明：(1)四种芒属能源植物茎秆中纤维素,半纤维素和木质素含量误差均方根(RMSECV)分别为1.35％(R2=0.88),0.39%(R2=0.91)和0.35%(R2=0.80),叶片中纤维素,半纤维素和木质素含量误差均方根(RMSECV)分别为0.72%(R2=0.88),0.85%(R2=0.85)和0.44 (R2=0.87),所建的纤维素,半纤维素和木质素的近红外校准模型在预测未知样品含量时效果较好,但灰分含量预测效果不理想;(2)2和0.5 mm粒度样品所建近红外模型均满足样品检测精度要求,但考虑到时间和人工成本,建议在工厂对能源植物原料品质进行分析时,采用2 mm样品建模。