顆粒在線訊：背景介紹

生物質(zhì)資源高值化利用的前提是有效地對其進行經(jīng)濟且可持續(xù)性的解聚。因此必須明白預(yù)處理、酶解、整合生物加工等生物質(zhì)解聚技術(shù)如何在不同程度改變細胞壁聚合物。但是，從納米尺度（~20nm）區(qū)分細胞壁聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)的空間變化還存在困難。

針對上述問題，美國田納西大學(xué)諾克斯維爾Arthur J. Ragauskas教授團隊結(jié)合nano-FTIR和PF QNM試圖揭示野生樹木的納米尺度特性。他們使用nano-FTIR和PF QNM對三種不同頑固性和組分的楊木硬木（高木質(zhì)素含量、底木質(zhì)素含量和突變體）進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，在次生細胞壁（SCW）和復(fù)合胞間層（CML）的nano-FTIR光譜中，1162和1269 cm-1可分別顯著識別多糖和木質(zhì)素。三種楊木均表現(xiàn)出CML的空間異質(zhì)性顯著大于SCW。與SCW相比，纖維素在CML中呈現(xiàn)無序結(jié)構(gòu)。PF QNM結(jié)果表明，由于SCW存在結(jié)晶纖維素，SCW的彈性模量高于CML。本研究證明了這些技術(shù)可以從納米尺度揭示植物的物理化學(xué)性質(zhì)變化。

圖文解讀

研究人員首先對楊木解剖橫截面進行光學(xué)染色、熒光性分析、TEM對比，發(fā)現(xiàn)復(fù)合胞間層和細胞角胞間層相比次生細胞壁木質(zhì)素含量更高。厚細胞角至胞間層是木質(zhì)素沉積的主要區(qū)域。

Nano-FTIR成像采用了散射式掃描近場光學(xué)顯微鏡原理（scattering type scanning nearfield optical Microscopy，s-SNOM），它利用AFM探針進入樣品的漸逝場，可以超過阿貝衍射極限(IR為5 ~ 10μm)達到10 ~ 20 nm分辨率10m。研究人員以高光譜模式（930-1497cm-1）采集細胞壁至胞間層的數(shù)據(jù)。

圖1. Nano-FTIR示意圖

為了破譯nano-FTIR采集的植物細胞結(jié)構(gòu)信息，研究人員需首先使用傳統(tǒng)FTIR-ATR光譜（圖1）掃描獲得纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的可區(qū)分波段。此外，再結(jié)合由nano-FTIR獲得的228-48波數(shù)的吸光度組成數(shù)據(jù)集的主成分分析圖（PCA）來確定波數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明1252和1269cm-1為木質(zhì)素強關(guān)聯(lián)性波數(shù)，1162cm-1為碳水化合物強關(guān)聯(lián)性波數(shù)，997cm-1主要代表纖維素。其他譜帶對木質(zhì)素和多糖均有吸收峰。1119cm-1處的木質(zhì)素強關(guān)聯(lián)信號峰與纖維素和半纖維素的1110cm-1臨近，因此分析意義較低。1200cm-1處無木質(zhì)素波段，因此可被用于檢測多糖。半纖維素的峰均被纖維素或木質(zhì)素干擾，但是1037cm-1左右的峰可被用于鑒定是否存在半纖維素。

圖2. 分離纖維素、4 M KOH半纖維素、木質(zhì)素（本圖為底木質(zhì)素含量楊木）傳統(tǒng)FTIR-ATR光譜疊加峰歸屬圖。進行了最小-最大歸一化，使每個生物量組分的權(quán)重相等。

通過nano-FTIR分析，研究人員發(fā)現(xiàn)SCW和CML的波帶頻數(shù)基本相似，CML代表G木質(zhì)素的振動吸收峰1279和1252 cm-1高于SCW，說明CML木質(zhì)素含量更高。SCW中代表多糖β糖苷鍵不對稱伸縮振動的1162cm-1顯著高于CML，說明SCW的葡聚糖和木聚糖含量更高。研究人員還發(fā)現(xiàn)，CML除了含有木質(zhì)素和果膠，還存在纖維素和半纖維素。這說明胞質(zhì)分裂過程中可能形成了一個多糖骨架網(wǎng)絡(luò)，木質(zhì)素在其中浸漬形成CML。因此脫木質(zhì)素CML才會形成多孔結(jié)構(gòu)。另外，代表分子氫鍵的997cm-1的差異，說明CML的纖維狀態(tài)與和SCW的結(jié)晶纖維排列順序可能不同。TEM和Raman分析結(jié)果證實，CML處的纖維呈現(xiàn)無序狀態(tài)。

圖3. SCW（次生細胞壁）和CML（復(fù)合胞間層）的Nano-FTIR吸收光譜及光振幅圖像。（a,b）高木質(zhì)素，（b,e）低木質(zhì)素含量，（c,f）突變樹種。

AFM力學(xué)相對表面多糖敏感，它與源自纖維素和半纖維素的波段有關(guān)。彈性更高的材料，如次生細胞壁，會呈現(xiàn)較低的相位移。相位移越高的多糖通常會呈現(xiàn)nano-FTIR峰高越低。因此細胞壁內(nèi)的多糖可用于預(yù)測其機械性能。

圖4. 三種不同多糖的nano-FTIR吸收峰與AFM力學(xué)相的關(guān)系。

研究人員最后通過PF QNM模擬發(fā)現(xiàn)，CML的楊氏模量低于SCW，這是因為CML的纖維素含量更低，且結(jié)晶纖維素是賦予植物高彈性模量的主要成分。此外，PF NMR結(jié)果表明SCW的粘附力更高，說明高粘附力與高多糖含量有一定關(guān)系。

圖5. (a)高木質(zhì)素樹，(b)低木質(zhì)素樹，(c)突變樹纖維細胞壁表面的原子力顯微鏡(AFM)平坦高度圖像(左圖)和AFM峰值力誤差圖像(中圖)。

總結(jié)和展望

研究人員基于AFM技術(shù)（nano-FTIR 和PF QNM）對纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和全生物質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分析。nano-FTIR揭示了楊木硬木的CML相比SCW呈現(xiàn)無序結(jié)構(gòu)。CML多糖和木質(zhì)素含量的空間變異性更大。PF QNM結(jié)果表明SCW因為存在結(jié)晶纖維，彈性模量高于CML。生物質(zhì)的預(yù)處理對纖維素、木質(zhì)素的進一步轉(zhuǎn)化利用十分重要。通過上述研究手段，我們可以明確預(yù)處理過程對生物質(zhì)的影響，如半纖維素乙?；潭取⒛举|(zhì)素S/G比例、纖維素結(jié)晶程度等。通過本研究我們能很明確的知道纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的信號峰存在多處重疊，導(dǎo)致生物質(zhì)譜的整體分析存在迷惑性。因此，通過預(yù)處理除去木質(zhì)素或半纖維素后再進行單一組分的nano-FTIR光譜減法分析將對未來研究可持續(xù)生物質(zhì)產(chǎn)生重大意義。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c08163