预处理纤维素超分子结构变化机制研究进展

木质纤维生物质高值转化生产清洁能源、生物基化学品和功能材料是可再生能源领域的研究热点。纤维素是木质纤维生物质的主要成分,其高效利用是生物炼制的重点。然而,纤维素的生物转化面临分子链有序组装与结晶而成的超分子结构、微纤丝聚集形成的多尺度网络结构及其与木质素、半纤维素的多种化学交联共同形成的木质纤维素抗降解屏障,阻碍了其产业化发展。生物质预处理是破解植物细胞壁三维网络结构,从而打破木质纤维素抗降解屏障的必要途径。综述了木质纤维生物质预处理对纤维素超分子结构的影响,主要包括晶型转变、结晶度及晶体结构变化等,并阐释了其对后续酶解糖化的增效机理。同时,系统总结了纤维素大分子链构成的纤丝聚集体结构与细胞壁中木质素、半纤维素之间的相互作用,及其在预处理过程中的降解机制;并对木质纤维素高值化利用研究中亟须关注的纤维素超分子结构变化问题进行了总结和展望,以期对植物细胞壁多尺度网络的破解机制进行充分阐释,对其宏观应用提供理论指导。     

生物质木质素分离和结构研究方法进展

木质素是自然界中最丰富的可再生芳香族聚合物,其高附加值化利用可减少目前木质素资源燃烧所导致的资源浪费和环境污染。生物质细胞壁中三大组分(纤维素、半纤维素和木质素)通过共价键和氢键形成了致密而复杂的细胞壁结构,使得木质素难以高效分离。若要实现生物质木质素高效分离,首先需明确原料中木质素的分子结构特点和活性基团。基于木质素结构明确的生物质原料才能够更有效地选择和开发木质素解离及解聚方法。笔者主要概述了目前结构分析用的木质素分离和结构分析方法研究进展,重点阐述了液体核磁共振技术在分离木质素定性和定量结构方面的应用,并基于目前的研究进展提出了该领域的研究趋势。总之,木质素的结构解析将为树木基因调控、林木遗传育种和木质纤维原料的生物炼制提供相关理论依据。     

亚氯酸盐预处理杉木细胞壁木质素溶解机理研究

为了探究亚氯酸盐预处理过程中植物细胞壁木质素的区域化学溶解机理,采用紫外-可见光光谱与共聚焦拉曼显微光谱,对杉木管胞细胞壁在不同预处理时间亚细胞区域木质素分布规律及其含量变化进行了研究。结果表明:亚氯酸盐预处理杉木细胞壁木质素的溶解总体上分为4个阶段,木质素少量溶解(Ⅰ),反应溶液缓慢渗透到样品内部(Ⅱ),快速脱除内部大量木质素(Ⅲ),反应平衡阶段(Ⅳ)。尽管杉木细胞壁各层,细胞角隅(CC)、胞间层(CML)及次生壁(SW)都具有木质素的存在,但木质素在细胞壁不同形态区域中的分布具有明显的不均一性,因此在亚氯酸盐预处理过程中细胞壁不同形态学区域木质素的脱除速率不同,大量脱除木质素阶段(8~10 min)时呈现CCCMLSW的规律。     

农林生物质预处理过程中细胞壁主要组分溶解机理研究进展

农林生物质可再生资源的高值转化利用已成为许多国家的重要发展战略和科学研究的热点。目前农林生物质利用技术已经取得了一定的进步,但总体上其转化成本仍然较高,实现木质纤维大规模生产燃料、生物基化学品和材料仍然困难。木质纤维细胞壁的复杂结构及组分分布不均一性是农林生物质难以高值利用的根本原因,其中细胞壁主要化学组分的微观分布及其在生物质转化过程中的降解机理阐释是木质纤维高效利用研究领域亟须解决的瓶颈问题。笔者系统阐明了农林生物质细胞壁超微结构及其主要组分在细胞壁各形态区的区域化学分布特点,并综述了两者在预处理过程中的变化及预处理破除细胞壁顽抗性的机理,为农林生物质进一步高值转化为燃料、化学品等大规模工业化生产提供重要的理论依据。     

基因工程对林木生长表型与细胞壁组分及构造的影响研究

通过基因工程技术培养出木质素含量低、纤维素含量高和糖转化效率高以及优质的木材,对于将其定向应用于制浆造纸、生物炼制、木质建筑及装饰材料方面具有重要的研究意义。文章详细阐明了木质素和纤维素基因调控技术对转基因林木生长表型、细胞壁化学组分含量及其微区分布、组织细胞形态及细胞壁超微构造影响的研究进展,并对转基因林木今后的重点发展方向进行了展望,以期为我国定向培育优质速生人工林提供理论依据。     

《林产化学与工业》征订启事

《林产化学与工业》(双月刊,1981年创刊),由中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国林学会林产化学化工分会共同主办,为全国林产化工行业的学术类期刊。报道范围是可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用,研究领域为生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然活性成分和制浆造纸等,主要包括松脂化学、生物质能源化学、生物质炭材料、生物基功能高分子材料、胶黏剂化学、森林植物资源提取物化学利用、环境保护工程、木材制浆造纸为主的林纸一体化和林产化学工程设备研究设计等方面的最新研究成果。     

《林产化学与工业》征订启事

正《林产化学与工业》(双月刊,1981年创刊),由中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国林学会林产化学化工分会共同主办,为全国林产化工行业的学术类期刊。报道范围是可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用,研究领域为生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然活性成分和制浆造纸等,主要包括松脂化学、生物质能源化学、生物质炭材料、生物基功能高分子材料、     

《林产化学与工业》征订启事

<正>刊号:ISSN 0253-2417 CN 32-1149/S双月刊,1981年创刊,中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国林学会林产化学化工分会共同主办,全国林产化工行业的学术类期刊。报道范围:可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用,包括生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然活性成分和制浆造纸等,主要包括松脂化学、生物质能源化学、生物质炭材料、生物基功能高分子材料、胶黏剂化学、森林植物资源提取物化学利用、环境保护工程、木材制浆造纸为主的林纸一体化和林产化学工程设备研究设计等方面的创新研究成果。     

《生物质化学工程》征订启事

<正>刊号:ISSN 1673-5854 CN 32-1768/S双月刊,中国林科院林产化学工业研究所主办,面向国内外公开发行的全国生物质化工行业的技术类刊物。报道范围:可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用,包括生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然活性成分和制浆造纸等。主要报道内容为松脂化学、生物质能源化学、生物质炭材料、生物基功能高分子材料、胶黏剂化学、森林植物资源提取物化学利用、环境保护工程、木材制浆造纸为主的林纸一体化和林产化学工程设备研究设计等方面的创新研究成果。     

假木质素沉积及对纤维素酶解的影响研究进展

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的可再生资源。为提高木质纤维素类生物质的转化率,提升纤维素酶的水解效率和可发酵性糖产量,降低纤维素酶的使用量和生物质转化成本,对木质纤维素类生物质进行预处理十分必要;然而,木质素、纤维素和半纤维素之间的天然屏障限制了纤维素酶对纤维素组分的酶解。木质纤维素类生物质预处理主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法,目前更多采用质量分数小于4%的稀酸法(如盐酸、硫酸和硝酸等,120～210℃)、高温热水法、蒸汽爆破法和液相水热法等,不同预处理方法对木质素或大部分半纤维素的溶解和去除有利于提高纤维素酶的可及性。木质素对纤维素酶解具有明显抑制作用,通过预处理降低木质素含量有利于提高纤维素酶解效率。木质纤维经稀酸或高温热水等预处理后,Klason木质素相对含量反而会增加。在木质纤维素类生物质预处理过程中,木质素液滴可能以假木质素形式沉积于纤维素表面,使其比天然木质素更加抑制纤维素酶解。本研究首先概述生物质预处理过程中木质素液滴和假木质素的形成过程,提出假木质素产生的可能机制,并对其组成和性质进行综述;然后阐述木质素液滴和假木质素对木质纤维酶解的影响;最后总结假木质素形成的调控策略。假木质素的形成过程属于非均相反应过程,受传质扩散(分子水平)和流动(宏观统计水平)的影响,可从介尺度行为研究假木质素的形成机制,同时建立相关模型和理论实现其科学的定量描述和定向调控,这不仅有利于木质纤维素类生物质炼制工艺的发展,也有利于促进跨学科科学规模的形成。     

《林产化学与工业》征稿简约

《林产化学与工业》(双月刊,1981年创刊),由中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国林学会林产化学化工分会共同主办,为全国林产化工行业的学术类期刊。报道范围是可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用,研究领域为生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然活性成分和制浆造纸等,主要包括松脂化学、生物质能源化学、生物质炭材料、生物基功能高分子材料、胶黏剂化学、森林植物资源提取物化学利用、环境保护工程、木材制浆造纸为主的林纸一体化和林产化学工程设备研究设计等方面的最新研究成果。为了保证刊物的质量,根据国家的有关标准和本刊的实际,特制定本简约。     

《林产化学与工业》征稿简约

《林产化学与工业》(双月刊,1981年创刊),由中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国林学会林产化学化工分会共同主办,为全国林产化工行业的学术类期刊。报道范围是可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用,研究领域为生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然活性成分和制浆造纸等,主要包括松脂化学、生物质能源化学、生物质炭材料、生物基功能高分子材料、胶黏剂化学、森林植物资源提取物化学利用、环境保护工程、木材制浆造纸为主的林纸一体化和林产化学工程设备研究设计等方面的最新研究成果。     

半纤维素在植物细胞壁中分布的研究进展

随着化石资源的日益匮乏,生物质三大组分的高值化利用已成为国内外众多学者关注的热点。由于半纤维素在植物细胞壁中与纤维素和木质素等组分结合紧密或存在化学键连接,因此半纤维素在植物细胞壁中的分布研究越来越受到世界各国的重视。按技术发展的轨迹,详细介绍了近50年来半纤维素在植物细胞壁中分布的3种主要研究方法,即传统植物组织化学法、光谱显微镜法和免疫细胞化学法,总结分析了每一种研究方法下具体的分析方法,指出传统方法的不足并对今后半纤维素的研究方向进行了展望。     

《林产化学与工业》征订启事

正《林产化学与工业》(双月刊,1981年创刊),由中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国林学会林产化学化工分会共同主办,为全国林产化工行业的学术类期刊。报道范围是可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用,研究领域为生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然活性成分和制浆造纸等,主要包括松脂化学、生物质能源化学、生物质炭材料、生物基功能高分子材料、     

基于拉曼光谱技术的竹材细胞壁化学组分分布

【目的】研究竹纤维单细胞中重要化学组分的分布,揭示竹纤维细胞壁中化学组分的分布规律。【方法】以6年生毛竹为研究对象,取竹壁中部竹材,制成超薄切片,利用高分辨率激光共聚焦拉曼显微镜对纤维细胞进行原位光谱采集,通过光谱成像技术分析毛竹纤维单细胞中重要化学组分的分布。【结果】S型木质素和G型木质素广泛分布于细胞壁各壁层中,而H型木质素则主要分布在细胞外缘。羟基肉桂酸的分布与H型木质素类似,也主要存在于细胞外缘的壁层中。纤维素在细胞壁宽壁层中的分布相对稳定,且比窄壁层具有更高的分布密度;从细胞外围向细胞内部,木质素的分布密度总体呈下降趋势,在复合胞间层、细胞腔周围以及各壁层之间的交界处还具有相对较高的分布密度,形成局部聚集分布。【结论】竹纤维细胞壁径向方向具有不同的化学组成,纤维素、木质素以及羟基肉桂酸在不同壁层之间具有不同的分布密度。     

基于微波液化的木质纤维素组分分离和转化——纤维素组分的理化和酶解性质

【目的】将微波加热与甘油利用相结合的综合炼制工艺用于木质纤维素生物质预处理,探索其在燃料乙醇制备中的可行性,为实现经济可行、经济有效的木质纤维素生物质酶解预处理技术和生物燃料生产提供基础信息。【方法】以银腺杨、日本落叶松、刚竹和柳枝稷为试验材料,采用微波液化法对其进行液化处理,将液化产物分为纤维素、半纤维素和木质素组分,并对纤维素纤维组分进行综合表征。【结果】化学分析结果表明,纤维素纤维具有较高的葡聚糖含量;红外光谱显示,木质素和半纤维素的信号逐渐减弱,说明半纤维素和木质素经液化处理后有效脱除;XRD分析结果表明,纤维素纤维结晶度高、表面积大。【结论】相比原木质纤维素生物质,银腺杨、日本落叶松、刚竹和柳枝稷4种原材料纤维素纤维的酶解糖化效率均有不同程度提升(最高酶解转化率可达70%),液化固体产物--纤维素纤维在制备燃料乙醇中具有广阔的潜力和前景。     

亚硫酸氢镁预处理麦秆木质素磺酸盐的性质和应用

木质纤维原料是一种丰富的可再生资源,其中木质素分子结构最为复杂,木质素的综合利用度成为木质纤维原料生物炼制商业化的瓶颈和关键。当前,我国商品木质素磺酸盐主要来源于亚硫酸盐制浆造纸废液,而源于生物炼制的木质素磺酸盐材料的研究和应用却鲜有报道。我国是农业大国,麦秆资源丰富,笔者对亚硫酸氢镁预处理麦秆木质素磺酸盐进行了性质和应用初步研究。结果表明:与市售商用木质素磺酸盐(CMLS)相比较,麦秆木质素磺酸盐(IELS)磺酸基团较高,酚羟基和羧基含量较低;重均分子量和数均分子量分别为3 456 u和2 842 u,分子量分布均一;对于微晶纤维素的酶解有促进作用,添加1.0 g/L IELS,酶解48 h纤维素酶解得率达72.3%,较空白组提高了7.7%;添加质量浓度2.0 g/L的超滤麦秆木质素磺酸盐(UFLS)可使甲基咪草烟(IMM)颗粒表面Zeta电位降至-30.3 mV;质量浓度2.0 g/L的UFLS液滴在IMM压片表面接触角为72.38°,易于在疏水材料上铺展开来。研究结果可为生物炼制来源木质素磺酸盐的资源化高效利用提供理论参考。     

植物细胞壁大数据处理技术有新突破

正2016年2月19日讯:我国在植物细胞壁拉曼光谱大数据处理技术上取得新突破。北京林业大学许凤教授团队构建了基于主成分分析的植物细胞壁拉曼光谱聚类分析方法,其论文日前发表在《Analytical Chemistry》(分析化学)上。此期刊为美国化学会旗下国际分析化学领域顶级期刊。据介绍,拉曼光谱成像技术具有信息丰富、制样简单、对样品无损伤等特点,近年来已成为研究植物细胞     

《林产化学与工业》征稿简约

《林产化学与工业》是中国林业科学研究院林产化学工业研究所和中国林学会林产化学化工分会共同主办的学术类刊物。报道范围是可再生的木质和非木质林产品和生物质资源的化学加工与利用,包括生物质能源、生物质化学品和生物质材料等,主要包括生物质资源的热转化、热化学转化和活性炭,木材化学和制浆造纸,生物质原料水解,松脂及松香、松节油,植物多酚,林产香料、油脂、药物和生物活     

《林产化学与工业》征订启事

<正>《林产化学与工业》(双月刊,1981年创刊),由中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国林学会林产化学化工分会共同主办,为全国林产化工行业的学术类期刊。报道范围是可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用,研究领域为生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然