《Industrial Crops and Products》：Integrating optotracing to elucidate wheat straw delignification pathways in a one-step peracetic acid process
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本研究针对小麦秸秆木质纤维素高效、温和分离的难题，创新性地建立了一步法过氧乙酸(PAA)脱木质素工艺，结合硫酸催化，在低酸浓度(50?mM)下即可实现纤维解离，并显著保留半纤维素（如木糖和甘露糖）。通过先进的扫描电镜(SEM)、共聚焦荧光显微镜和光追踪(Optotracing)成像技术，首次在亚细胞分辨率下原位可视化了PAA在小麦秸秆组织内的渗透与作用动态，揭示了表皮细胞层的高木质素含量是纤维解离的关键限制因素。该工作为农业副产物高值化利用及开发可持续生物基材料提供了新策略。
随着全球人口增长和对谷物需求的持续增加，小麦作为世界第二大谷类作物，其生产过程中产生了大量秸秆副产物。目前，这些秸秆大多被用于能源生产，仅有部分还田以改善土壤有机质。然而，未充分利用的农业副产物是获取生物基材料、缓解森林资源压力的重要木质纤维素来源。与针叶木和阔叶木纤维相比，小麦秸秆等非木材纤维质量不均一、纤维长度较短，导致加工均质性和材料性能受限。传统制浆方法（如硫酸盐法、有机溶剂法）往往需要苛刻的条件以深度去除半纤维素，但这也会损害纤维强度。实际上，半纤维素的存在有助于提升纸张的拉伸性能。因此，开发能够最大限度保留半纤维素、同时高效分离纤维的温和工艺，对于利用小麦秸秆生产高性能材料至关重要。
过氧乙酸(PAA)作为一种有效的脱木质素剂，对木材处理时能最大限度地减少纤维损伤并保留大部分半纤维素。此前研究已证实PAA处理云杉木片可生产全纤维素纤维，并具备规模化潜力。然而，小麦秸秆具有独特的形态和化学特征，PAA在其内部的作用机制和空间化学影响尚未被充分阐释。此前研究多依赖于扫描电镜(SEM)提供形态学信息，但无法揭示化学成分分布。理解PAA在秸秆组织内的作用路径，对于优化工艺、实现高效纤维解离具有重要意义。为此，研究人员在《Industrial Crops and Products》上发表论文，旨在建立一种高效的一步法PAA处理工艺，用于小麦秸秆的脱木质素和纤维解离，并综合利用SEM、共聚焦荧光显微镜和新兴的光追踪技术，从亚细胞水平揭示PAA在木质纤维素基质中的渗透动力学和空间作用机制。
关键技术方法
本研究采用了多学科交叉的实验方法。首先，对来自瑞典的小麦秸秆进行研磨预处理，随后在一套固定PAA用量、改变硫酸(SA)浓度(0-200?mM)的体系中进行反应。通过酸水解结合高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测(HPAEC-PAD)分析了处理前后样品的木质素（酸不溶木质素AIL和酸溶木质素ASL）及单糖组成。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)对样品进行了化学与热学表征。形貌与空间化学成分分析则通过扫描电镜(SEM)以及结合了光追踪探针Carbotrace?680的共聚焦荧光显微镜实现，后者能特异性标记碳水化合物并利用木质素的自发荧光，实现对纤维素和木质素分布的原位、多通道可视化成像，且无需洗涤步骤，避免了样品干燥可能产生的假象。
研究结果
3.1. PAA处理小麦秸秆
研究人员发现，当硫酸浓度达到或超过50?mM时，可实现纤维的有效解离，形成可再分散于水中或制成自支撑纸状片的纤维素纤维浆料。低于此浓度时，秸秆形状得以保留但颜色变黄。仅使用乙酸(AA-0)或仅使用硫酸(SA-200)的对照实验均未能实现纤维解离，表明纤维解离是PAA在硫酸催化下的特异性作用，而非单纯pH降低所致。SEM图像显示，在50?mM及以上浓度处理的样品中，纤维素纤维结构保存完好，并观察到薄壁细胞和表皮细胞等结构，证实了处理的温和性。
3.2. PAA处理小麦秸秆的化学与热学表征
化学组成分析表明，随着硫酸浓度增加，总木质素含量下降，其中酸溶木质素(ASL)的减少尤为显著。葡萄糖含量随酸浓度增加而上升，木糖含量在50?mM后略有下降，而阿拉伯糖和半乳糖含量在PAA-50样品中急剧下降。这表明，纤维解离与ASL和阿拉伯糖的去除密切相关。FT-IR光谱证实了所有PAA处理样品均发生了部分脱木质素。TGA分析显示，经PAA处理的样品热降解行为趋近于纯纤维素，而对照样品则显示出木质素存在的多阶段降解特征，进一步证实了PAA处理的有效性。
3.3. PAA处理小麦秸秆的空间化学组成与形态可视化
通过SEM与共聚焦荧光显微镜结合光追踪技术的成像分析，研究揭示了PAA在秸秆组织内作用的异质性。对照实验(AA-0和SA-200)的图像显示，样品中仍存在大量完整的秸秆状结构，并可见强烈的木质素（青色信号）聚集区域，纤维未被有效解离。对于PAA处理的样品，在70?mM和200?mM硫酸浓度下，秸秆状结构完全解构，仅剩少量表皮细胞簇。成像显示，在70?mM时，这些表皮细胞主要呈青色（高木质素信号），而在200?mM时，青色信号主要集中在细胞连接处。此外，图像中清晰观察到了作为气体通道且木质素丰富的气孔(St)，其被认为是PAA渗透和作用的一个可能入口。解离出来的单根纤维则显示出极低的木质素信号。研究还观察到了被完好保存的薄壁细胞(P)、螺纹导管(S) 和管胞(T) 等多种非纤维细胞结构，这再次印证了PAA/SA处理条件的温和性。空间成像表明，富含木质素的表皮细胞层是纤维解离的关键限制因素，而化学分析中检测到的残余木质素主要残留于表皮细胞和薄壁细胞中，而非纤维内部。
结论与讨论
本研究成功建立了一种利用硫酸催化的一步法PAA工艺，用于从小麦秸秆中提取全纤维素纤维。研究证实，硫酸催化浓度低至50?mM即可实现纤维解离，其作用机制关键在于去除了酸溶木质素(ASL)和阿拉伯糖。所得的纤维浆料具备形成自支撑纸状片的能力。
更重要的是，通过整合光追踪与共聚焦荧光显微镜等先进成像技术，本研究首次实现了对PAA在复杂植物组织内脱木质素过程的空间化学可视化。这不仅从体相化学描述迈向了解剖学层面的动态映射，还明确指出：富含木质素的表皮细胞层是纤维解离的主要限制瓶颈，残余木质素多存留于表皮细胞和薄壁细胞中，而非纤维本身。这一发现深化了对非均相生物质脱木质素过程的理解，为未来工艺优化（例如针对表皮层的预处理）提供了直接依据。
该工作展示了PAA处理在温和条件下高效利用农业副产物的潜力，所产纤维可用于生物基材料。同时，研究中应用的光追踪技术为实时监测生物质转化过程、在分子尺度上揭示反应路径提供了强大工具，有望推动木质纤维素表征与分析领域的进步。未来研究可聚焦于工艺参数的进一步优化、可溶组分中木质素等分子的表征与增值化利用，以提升整个过程的原子经济性。
