碱性提取竹青、竹黄和竹芯中半纤维素与木质素-碳水化合物复合物的结构特征及其生物精炼意义

推荐：为解决竹材组织间化学成分差异影响高值化利用的问题，研究人员通过碱浸法提取竹青、竹芯和竹黄中的半纤维素（Hemicellulose）和木质素-碳水化合物复合物（LCC），分析其化学组成、热稳定性和结构特征。结果表明，竹黄半纤维素提取率最高（67.24%），且LCC中富含I型苯基糖苷键（PhGlc1），主要源于薄壁细胞壁。该研究为竹材组织特异性利用提供了关键数据支撑。

　　

竹材作为生长周期短、可再生性强的生物质资源，在建筑、造纸和化工领域具有广泛应用潜力。然而，竹材不同组织（竹青、竹芯、竹黄）因生理功能差异导致化学成分和结构显著不同，制约了其高值化利用。例如，竹青富含纤维细胞而难降解，竹黄则因薄壁细胞多更易处理。如何解析这些差异并指导定向解构，成为竹材资源开发的关键科学问题。

广西大学轻工与食品工程学院（广西清洁制浆造纸与污染控制重点实验室）的研究团队以广西特有的粉单竹（Bambusa chungii）为研究对象，通过碱浸法结合物理冷冻预处理，从竹青、竹芯和竹黄中分离半纤维素和LCC，综合运用离子色谱（IC）、热重分析（TGA）、扫描电镜（SEM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和二维核磁共振（2D HSQC NMR）等技术，揭示了不同组织间碳水化合物结构的差异及其与细胞类型的关联。

主要技术方法

研究采用NREL标准方法分析化学成分，通过碱浸法（4% NaOH）提取半纤维素，结合木聚糖酶和XAD16N树脂富集LCC。结构表征中，TGA测定热稳定性，SEM和CLSM观察细胞壁溶解行为，2D HSQC NMR解析化学键类型，GPC测定分子量分布。

研究结果

3.1 化学组成

竹青木质素含量最高（28.6%），竹黄半纤维素提取率（67.24%）显著高于竹青（37.78%）。LCC中竹黄和竹芯的PhGlc₁键含量（45.41-54.38/100芳香单元）远超竹青（26.93），且葡萄糖（Glu）比例更高。

3.2 分子量与热稳定性

竹芯半纤维素分子量最高（M_w=72 630 g/mol），而竹青LCC热稳定性最佳（最大降解温度400°C），与其低PhGlc₁含量相关。

3.3 细胞壁超微结构

CLSM显示竹青半纤维素主要源于纤维细胞次生壁（S层），竹黄则来自薄壁细胞。SEM证实碱处理后竹黄薄壁细胞变形最显著，与其高提取率一致。

3.4 NMR结构解析

半纤维素均为4-O-甲基葡萄糖醛酸-阿拉伯木聚糖-木葡聚糖结构。LCC中竹黄和竹芯的PhGlc₁键与薄壁细胞相关，且含大量对香豆酸（pCA）键（29.72-39.07/100芳香单元）。

结论与意义

该研究首次阐明竹材不同组织中半纤维素和LCC的结构差异：竹黄因薄壁细胞优势更易提取，其LCC富含PhGlc₁键；竹青则因纤维细胞致密导致提取难度大。这一发现为竹材组织特异性加工（如定向解构竹黄获取高活性LCC）提供了理论依据，发表于《Journal of Bioresources and Bioproducts》的成果将推动竹材生物精炼工艺的优化设计。