新培育大麻F1基因型生物质质量评价及其生物乙醇与PLA生物复合材料潜力

《Journal of Natural Fibers》：Biomass Quality Evaluation of New Hemp Genotypes for Bio-Based Applications

　　

工业大麻生物质是可持续生物基材料和燃料的重要可再生资源。本研究考察了由雌雄同株和雌雄异株亲本系双列杂交新培育的F₁大麻基因型，以筛选适用于高附加值生物产品的育种材料。研究开展了涵盖一般配合力（GCA，general combining ability）、特定配合力（SCA，specific combining ability）和杂种优势（heterosis）效应的育种分析。生物质经碱预处理和酶解，并通过化学成分、傅里叶变换红外光谱（FTIR，Fourier transform infrared spectrometry）和扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscopy）分析表征，同时评价其作为可生物降解生物复合材料填料的性能。在木质素、纤维素和半纤维素含量上鉴定出显著SCA和正杂种优势效应，其表现因性状和杂交组合而异。碱预处理使纤维素含量提高至约55.5–64.3%，同时降低半纤维素。酶解后，基因型E（25.1 g·L^?1）、K（22.1 g·L^?1）和K2（22.7 g·L^?1）的葡萄糖浓度最高，表明其具有较强的生物乙醇生产潜力。经乙烯基三甲氧基硅烷处理的大麻生物质也能有效增强聚乳酸（PLA，polylactic acid）生物复合材料，其中K3、K1和K2填料赋予最高的拉伸强度（56.42–58.68 MPa）、弯曲强度（86.32–89.45 MPa）和弹性模量（5.0–5.43 GPa）。总体而言，新开发的大麻基因型提供的生物质既适用于生物乙醇生产，也适用于高性能PLA生物复合材料。

研究背景与问题：工业大麻（Cannabis sativa L.）栽培近年增长，秸秆作为主要副产物可作为可再生生物质用于第二代生物燃料和生物复合材料。现有问题在于，大麻生物质化学组成（纤维素、半纤维素和木质素）受遗传背景及基因型×环境互作显著影响，细胞壁木质纤维素复合体形成抗降解屏障，限制酶解效率；PLA与亲水性天然填料界面相容性差，制约复合材料力学性能。以往大麻GCA、SCA和杂种优势分析多集中于种子产量、千粒重、种子油含量、花序长度和大麻素谱，生物能源育种多关注总产量、秸秆产量和茎粗，而针对决定生物质质量的化学成分的育种分析不足。因此，研究人员开展新F₁杂交种生物质质量评价，将育种分析、预处理、酶解和PLA生物复合材料性能连接起来。

研究内容、结论与意义：研究人员以K-126、E-126、PET 09和Bia?obrzeskie为亲本，通过双列杂交获得6个F₁纤维大麻杂交种K1–K6，测定纤维素、半纤维素和木质素含量，进行GCA、SCA和杂种优势分析；对生物质进行碱预处理和酶解，采用FTIR和SEM表征，并以高效液相色谱（HPLC，high-performance liquid chromatography）测定葡萄糖；进一步以20 wt.%生物质填料制备PLA生物复合材料，评价硅烷化效果。结果表明，新基因型兼具生物乙醇生产和高性能PLA生物复合材料应用潜力，K3、K1和K2综合表现最佳。该研究为工业大麻生物质质量定向育种及循环生物经济中的全组分利用提供依据。

关键技术方法：田间试验于2022年在P?tkowo实验站（52°12′39″N 17°15′20″E）III b土壤pH 6.2进行，比较10个雌雄同株和10个雌雄异株基因型，选择K-126、E-126、PET 09和Bia?obrzeskie为亲本；2023年按Griffin II模型双列杂交获得6个F₁纤维大麻杂交种秸秆。生物质经2% NaOH、90°C、5 h碱预处理，Flashzyme Plus 200以30 FPU·g^?1、5%底物、50°C、pH 5.1酶解48 h；HPLC测葡萄糖；FTIR和SEM表征；乙烯基三甲氧基硅烷硅烷化（60:40乙醇/水，1–2%硅烷，pH 4.5），PLA Ingeo 3251D中加入20 wt.%填料，双螺杆挤出、注塑，按ISO 527和ISO 178测拉伸和弯曲性能。

研究结果：
Breeding analysis of hybrids：通过化学组成测定和方差分析（ANOVA，analysis of variance）发现，基因型间所有分析组分差异显著，木质素F值最高；K5和K6木质素最高（17.7%），K最低（13.1%），K3在杂交种中最低（14.1%）；B纤维素最高（53.6%），PET 09最低（45.3%），K3在杂交种中纤维素最高；PET 09半纤维素最高（36.6%），B最低（25.1%），K5在杂交种中最高。
GCA analysis：通过GCA估算得出，P和E提高木质素含量，K降低木质素；K和B提高纤维素含量，P和E降低纤维素；P和E提高半纤维素，K和B降低半纤维素。
SCA analysis：通过SCA估算得出，半纤维素显著正SCA组合最多（4个），木质素3个组合显著正，K4最大；纤维素K1和K5显著；半纤维素K4和K6最高。
Heterosis effect：通过更优亲本杂种优势计算得出，所有性状至少一个F₁呈正杂种优势；木质素多数组合为正，仅K1为负，K6高度正；纤维素K1和K4为正；半纤维素仅K3为正。
Chemical composition：通过化学组成分析得出，处理前纤维素约45–55%、半纤维素30–36%、木质素13–16%；碱预处理后纤维素55.5–64.3%、半纤维素17.5–21.8%、木质素15.6–21.3%；酶解后纤维素常降至30–40%。F₁未一致优于亲本；雌雄异株纤维素和木质素较高，雌雄同株尤其P半纤维素较高；碱预处理后K3、K1和K2纤维素最高，酶解后K4–K6木质素最高。
FTIR analysis：通过FTIR比较K1、K2与K-126得出，谱图相似；原料在3200–3400 cm^?1（O-H）、2900 cm^?1（C-H）和1730 cm^?1（C=O）有特征带；碱处理后1730 cm^?1降低、1510–1600 cm^?1木质素带降低、1030–1100 cm^?1增强；酶解后1000–1100 cm^?1降低，K-126纤维素降至31.21%，K2降至42%，K1保留50%，木质素相对富集。
Scanning electron microscopy：通过SEM观察到，未处理生物质致密、纤维排列规则；NaOH处理后结构松散、纤维分离并暴露内部结构；酶解后结构严重破坏；基因型间无显著形态差异。
Glucose content：通过HPLC得出，E（25.1 g·L^?1）、K（22.1 g·L^?1）和K2（22.7 g·L^?1）葡萄糖浓度最高，表明其生物乙醇原料潜力较强。
Biocomposites：通过挤出注塑和ISO力学测试得出，20%未改性填料使拉伸和弯曲强度降低4.5–7.2%，但拉伸模量提高9–14%、弯曲模量提高10–16%；单独碱处理影响较小；硅烷化提高全部力学性能，BP-S使拉伸强度提高16–21%、拉伸模量提高2.5–15%，AP-S使拉伸强度提高27–34%、拉伸模量提高24–32%；K3、K1和K2最佳，AP-S下K3拉伸强度较纯PLA提高约29.5%、拉伸弹性模量提高约50.6%，K4–K6较低。

讨论总结：讨论部分强调杂交育种和早期杂种评价对工业大麻新品种培育的重要性，指出以往GCA、SCA和杂种优势多用于种子和产量性状，本研究聚焦生物质质量性状；化学成分、FTIR、SEM和葡萄糖结果与已有研究一致；生物复合材料中未改性填料界面黏附差，单独碱处理影响有限，硅烷化作为偶联剂形成Si-O-cellulose并改善应力传递，碱处理与硅烷化组合协同效果最佳；K3、K1和K2的优越性源于其内在生物质化学组成。

研究结论翻译：本研究在供试大麻杂交种和品种的所有分析生物质组分间发现显著差异，木质素和纤维素是造成基因型分化的主要性状。GCA分析表明，K和B品种提高纤维素含量并降低半纤维素，而P和E品种作用相反。SCA和杂种优势效应因性状和杂交组合而异，证实大麻生物质化学组成受较强遗传控制，并为定向育种提供基础。化学组成分析进一步表明，碱预处理显著提高纤维素含量并降低半纤维素；然而F₁杂交种并未一致优于亲本基因型。FTIR和SEM分析证实上述结果，显示碱处理和酶解后结构逐步松散和组分去除，其中K1品系纤维素保留较好，K2更易酶解。葡萄糖浓度分析确定亲本品种E和K以及新F₁杂交种K2在酶解后产生最高葡萄糖浓度，表明其作为生物乙醇原料的潜力较强。除生物乙醇生产外，F₁杂交种K3、K1和K2的生物质也被证明是PLA复合材料最佳天然填料，无论采用何种改性变体。硅烷化改善所有分析力学参数，碱处理与硅烷化组合（AP-S）效果最佳，尤其对K3、K1和K2 F₁杂交种。仅硅烷化（BP-S）时，K3和K1表现最佳，而K4、K5和K6改善明显较低。综上，这些发现表明新开发的大麻F₁杂交种兼具适用于生物乙醇生产和高性能PLA生物复合材料的有利特性，支持在循环生物经济中实现大麻生物质的全组分增值利用。