ACS Sustainable Chem. Eng.：植物细胞壁的纳米FTIR和纳米力学图谱分析有助于理解生物质解构

颗粒在线讯：背景介绍

生物质资源高值化利用的前提是有效地对其进行经济且可持续性的解聚。因此必须明白预处理、酶解、整合生物加工等生物质解聚技术如何在不同程度改变细胞壁聚合物。但是，从纳米尺度（~20nm）区分细胞壁聚合物化学结构和相关性质的空间变化还存在困难。

针对上述问题，美国田纳西大学诺克斯维尔Arthur J. Ragauskas教授团队结合nano-FTIR和PF QNM试图揭示野生树木的纳米尺度特性。他们使用nano-FTIR和PF QNM对三种不同顽固性和组分的杨木硬木（高木质素含量、底木质素含量和突变体）进行研究。研究发现，在次生细胞壁（SCW）和复合胞间层（CML）的nano-FTIR光谱中，1162和1269 cm-1可分别显著识别多糖和木质素。三种杨木均表现出CML的空间异质性显著大于SCW。与SCW相比，纤维素在CML中呈现无序结构。PF QNM结果表明，由于SCW存在结晶纤维素，SCW的弹性模量高于CML。本研究证明了这些技术可以从纳米尺度揭示植物的物理化学性质变化。

图文解读

研究人员首先对杨木解剖横截面进行光学染色、荧光性分析、TEM对比，发现复合胞间层和细胞角胞间层相比次生细胞壁木质素含量更高。厚细胞角至胞间层是木质素沉积的主要区域。

Nano-FTIR成像采用了散射式扫描近场光学显微镜原理（scattering type scanning nearfield optical Microscopy，s-SNOM），它利用AFM探针进入样品的渐逝场，可以超过阿贝衍射极限(IR为5 ~ 10μm)达到10 ~ 20 nm分辨率10m。研究人员以高光谱模式（930-1497cm-1）采集细胞壁至胞间层的数据。

图1. Nano-FTIR示意图

为了破译nano-FTIR采集的植物细胞结构信息，研究人员需首先使用传统FTIR-ATR光谱（图1）扫描获得纤维素、半纤维素和木质素的可区分波段。此外，再结合由nano-FTIR获得的228-48波数的吸光度组成数据集的主成分分析图（PCA）来确定波数之间的关系。结果表明1252和1269cm-1为木质素强关联性波数，1162cm-1为碳水化合物强关联性波数，997cm-1主要代表纤维素。其他谱带对木质素和多糖均有吸收峰。1119cm-1处的木质素强关联信号峰与纤维素和半纤维素的1110cm-1临近，因此分析意义较低。1200cm-1处无木质素波段，因此可被用于检测多糖。半纤维素的峰均被纤维素或木质素干扰，但是1037cm-1左右的峰可被用于鉴定是否存在半纤维素。

图2. 分离纤维素、4 M KOH半纤维素、木质素（本图为底木质素含量杨木）传统FTIR-ATR光谱叠加峰归属图。进行了最小-最大归一化，使每个生物量组分的权重相等。

通过nano-FTIR分析，研究人员发现SCW和CML的波带频数基本相似，CML代表G木质素的振动吸收峰1279和1252 cm-1高于SCW，说明CML木质素含量更高。SCW中代表多糖β糖苷键不对称伸缩振动的1162cm-1显著高于CML，说明SCW的葡聚糖和木聚糖含量更高。研究人员还发现，CML除了含有木质素和果胶，还存在纤维素和半纤维素。这说明胞质分裂过程中可能形成了一个多糖骨架网络，木质素在其中浸渍形成CML。因此脱木质素CML才会形成多孔结构。另外，代表分子氢键的997cm-1的差异，说明CML的纤维状态与和SCW的结晶纤维排列顺序可能不同。TEM和Raman分析结果证实，CML处的纤维呈现无序状态。

图3. SCW（次生细胞壁）和CML（复合胞间层）的Nano-FTIR吸收光谱及光振幅图像。（a,b）高木质素，（b,e）低木质素含量，（c,f）突变树种。

AFM力学相对表面多糖敏感，它与源自纤维素和半纤维素的波段有关。弹性更高的材料，如次生细胞壁，会呈现较低的相位移。相位移越高的多糖通常会呈现nano-FTIR峰高越低。因此细胞壁内的多糖可用于预测其机械性能。

图4. 三种不同多糖的nano-FTIR吸收峰与AFM力学相的关系。

研究人员最后通过PF QNM模拟发现，CML的杨氏模量低于SCW，这是因为CML的纤维素含量更低，且结晶纤维素是赋予植物高弹性模量的主要成分。此外，PF NMR结果表明SCW的粘附力更高，说明高粘附力与高多糖含量有一定关系。

图5. (a)高木质素树，(b)低木质素树，(c)突变树纤维细胞壁表面的原子力显微镜(AFM)平坦高度图像(左图)和AFM峰值力误差图像(中图)。

总结和展望

研究人员基于AFM技术（nano-FTIR 和PF QNM）对纤维素、半纤维素、木质素和全生物质结构进行分析。nano-FTIR揭示了杨木硬木的CML相比SCW呈现无序结构。CML多糖和木质素含量的空间变异性更大。PF QNM结果表明SCW因为存在结晶纤维，弹性模量高于CML。生物质的预处理对纤维素、木质素的进一步转化利用十分重要。通过上述研究手段，我们可以明确预处理过程对生物质的影响，如半纤维素乙酰化程度、木质素S/G比例、纤维素结晶程度等。通过本研究我们能很明确的知道纤维素、半纤维素、木质素的信号峰存在多处重叠，导致生物质谱的整体分析存在迷惑性。因此，通过预处理除去木质素或半纤维素后再进行单一组分的nano-FTIR光谱减法分析将对未来研究可持续生物质产生重大意义。

原文链接：

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