植物细胞壁纤维素纤丝聚集体结构研究进展

摘要

cqvip:纤维素是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷键连接而成的链状大分子,多条纤维素分子单链可聚集形成不同大小的束状纤维素纤丝聚集体(亚元纤丝、基元纤丝、微纤丝、宏纤丝),在植物细胞壁中起骨架支撑作用,赋予细胞壁优异的抗拉强度。纤维素是来源丰富的天然高分子材料,具有可再生、易生物降解、生物相容性好等特点,已广泛应用于轻工、化工、能源、环保等领域,其开发利用与纤维素纤丝聚集体尺寸、形貌、排列、结晶度、晶型结构变化密切相关。然而,纤维素纤丝聚集体尺寸、形貌、排列等信息由于样品制备方式、生物质来源、基质含量、细胞类型等不同而存在较大差异;且在植物细胞壁中,纤维素纤丝聚集体被包裹在木质素、半纤维素、果胶等基质中,限制了纤维素的提取与利用。因此,为更好地利用纤维素纤丝聚集体,研究者们大量研究了不同的化学预处理方法(离子液体、碱、酸)及其影响因子(浓度、温度、时间等)对纤维素纤丝聚集体及纤丝周围基质化合物的影响。其中,离子液体可引起细胞壁润胀,改变纤维素晶型结构,降低结晶度,甚至可以将纤维素纤丝聚集体分离成纤维素单链,且不同类型的离子液体对细胞壁各组分溶解能力及溶解规律不一。碱处理能有效溶解细胞壁中木质素及少量半纤维素,表面粗糙度和表面孔隙率均降低,且纤维素纤丝聚集体尺寸、晶型结构、结晶度变化与碱浓度、预处理时间、温度等因素相关。在酸浓度较低时,酸处理对细胞壁中半纤维素的溶出更有效,同时伴随少量木质素颗粒的析出,细胞壁表面粗糙度增大,晶型结构一般保持不变,结晶度增大;当酸浓度较高时,纤维素纤丝聚集体可进一步水解得到纤维素纳米晶,具有高模量、高比表面积、高结晶度的纤维素纳米晶可作为基质、模板、分散剂、增强体等应用于各类复合材料。本文首先对纤维素纤丝聚集体的组成单元及生物合成过程进行了概述,介绍了在组织及细胞水平上,纤维素纤丝聚集体在各种生物质原料中的尺寸、排列变化及影响因素。在此基础上,总结了不同化学处理方法(离子液体、碱、酸)对纤维素纤丝聚集体的作用机制及对纤维素纤丝聚集体尺寸、形貌、结晶度、晶型结构的影响,最后对纤维素纤丝聚集体结构研究进行了展望。