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纤维素、半纤维素与木质素间相互作用研究进展

- ORCID：
胡愈诚 ¹
- ORCID：
朱宇童 ¹
- ORCID：
车睿敏 ¹
- ORCID：
许凤 ^1,2
✉

1. 北京林业大学材料科学与技术学院，林木生物质化学北京市重点实验室，北京，100083； 2. 齐鲁工业大学（山东省科学院），生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，山东济南，250353

中图分类号： TS712

最近更新：2023-10-23

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2023.10.004

摘要

纤维素、半纤维素和木质素是木质纤维生物质细胞壁中的3种主要组分，其通过复杂的相互作用形成超分子网络结构，使木质纤维生物质具有优异的机械性能及抵抗物理、化学和微生物降解的能力，同时也导致生物质预处理和组分分离困难。本文总结了近年来关于纤维素、半纤维素与木质素间相互作用的研究进展，重点介绍了木质素与半纤维素之间的共价键、范德华力和静电作用等，以期在原子-分子水平上充分认识和了解细胞壁结构，为通过基因工程合成易降解的木质纤维原料，或寻找清洁高效的生物质精炼技术提供一定的理论指导。

关键词

纤维素; 半纤维素; 木质素; 植物细胞壁结构; 分子相互作用

木质纤维细胞壁是维持细胞一定形态、增加机械强度和防止外部侵害的一层硬质厚壁，具有由纤维素、半纤维素和木质素3种主要组分交联而成的复杂网络结构。其中，纤维素在植物细胞壁中含量最高，是由D-吡喃式葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接而成的线性高分子多糖。数十年来，基原纤维（Elementary Microfibril）的主流假设模型是由纤维素分子链（18~36条）通过氢键作用组成，其直径为3~5 nm^[

1]（图见1(a)）。基原纤维表层和内层的纤维素分子链分别为gt和tg构象，而葡聚糖链在结构上具有多态性，其聚集成束会改变部分纤维素分子链的构象，对氢键网络的稳定性和纤维素的化学反应性有重要影响^{[参考文献 2-3}2-3]。在植物细胞壁中，半纤维素的含量仅次于纤维素，是一种具有分枝结构的多糖，其单糖组成和支链排列具有多样性。半纤维素中常见的多糖包括聚木糖、甘露聚糖、木葡聚糖、半乳聚糖和葡聚糖等。此外，在不同种类木质纤维原料的细胞壁中，半纤维素含量、主链与侧链的类型和长度也存在差异。聚木糖是主要的半纤维素多糖之一，其由α-1,4糖苷键连接的木糖基组成^{[参考文献 4

百度学术}4]。学者们采用计算模拟和高分辨率核磁技术提出了聚木糖存在的2种构象假说，即360°内2个木糖基旋转折叠形成的双螺旋（Xn^2f）结构和3个木糖基旋转折叠形成的三螺旋（Xn^3f）结构^{[参考文献 5-6}5-6]（见图1(b)）。木质素是一种复合芳香族有机聚合物，为植物细胞壁中的次生壁提供机械稳定性、刚性、防水性和抗菌性^{[参考文献 7-8}7-8]。木质素由对羟基苯基丙烷（H）、愈创木基丙烷（G）和紫丁香基丙烷（S）3种基本结构单元，通过醚键和C—C连接而成（见图1(c)）。

图1 植物细胞壁内主要组分的分子结构

Fig. 1 Molecular structure of main compositions in the cell wall of plants

木质纤维细胞壁中，纤维素、半纤维素和木质素3种主要组分间具有复杂的相互作用，这是其具有顽强的抗降解性的重要原因，也是当前生物质转化领域的研究热点与难点。由于主要组分的异质性及相互之间作用的复杂性，导致研究人员对生物质结构的原位表征和模型构建非常困难。目前，学者们主要通过透射电子显微镜（TEM）、核磁共振（NMR）和共聚焦显微拉曼光谱等技术，对细胞壁的分子信息进行解译，已取得了重要的进展。

本文综述了纤维素、半纤维素和木质素3种主要组分间的相互作用关系，特别是分子之间、亚纳米级上的原子信息和结构特点，以期更好地认识细胞壁超分子结构，为生物质组分的高效分离及转化提供一定的理论基础。

1 纤维素与半纤维素间的相互作用

纤维素是细胞壁中含量最多的组分，约占细胞壁总质量的40%~50%。人们普遍认为，半纤维素填充在纤维素的周围，与纤维素主要通过氢键连接。近期，随着NMR技术的发展，学者们获得了更加详细的信息，发现拟南芥聚木糖主要以带状Xn^2f结构通过氢键与纤维素微纤丝亲水面结合，并且具有与纤维素微纤丝类似的刚性。进一步以高粱秆为研究对象，发现半纤维素中的聚木糖主要以Xn^3f结构与纤维素无定形区通过范德华力及少量的氢键作用连接，而几乎不与亲水的、有序排列的带状纤维素结晶区交联^[

9]（见图2(a)）。此外，研究拟南芥植物细胞壁中聚木糖与纤维素之间的相互作用，进一步发现除了氢键连接外，当聚木糖结构上木糖单元的C2或C3位存在O-乙酰基或葡萄糖酸取代基时，若聚木糖链上的取代基是均匀分布的，则聚木糖可以通过取代基与纤维素微纤丝的亲水表面连接^{[参考文献 5-6}5-6]，但是这类相互作用不稳定，易在热水或碱环境中断裂（见图2(b)）。而在针叶木材中，未乙酰化且含有阿拉伯糖和甲基葡萄糖醛酸的半纤维素，其聚木糖以Xn^2f结构与纤维素的亲水面连接。

图2 聚木糖与纤维素之间相互作用关系模型

Fig. 2 Models of xylan-cellulose interaction

2 纤维素与木质素间的相互作用

纤维素与木质素间也存在相互作用。尽管木质素是无定形的，但其与细胞壁的多糖物质纤维素及半纤维素以可控的方式连接，而且木质化过程中，木质素的沉积也存在一定的规律性。利用红外光谱研究发现，木质素优先于纤维轴的取向沉积，沿纤维素基原纤维轴向排列^[

10-11]（见图3(a)）。此外，木质素在纤维素表面的沉积是非特异性的，由于纤维素表面存在大量的羟基，其可通过静电作用与木质素前驱物（如松柏醇）结合，使木质素大分子的芳环结构平行定位于纤维素表面^{[参考文献 12

百度学术}12]。静电作用通常包括很多种，这里主要存在以下3种作用：一是2个偶极分子之间的空间作用；二是原子和分子之间的伦敦色散力；三是氢键作用。

图3 纤维素与木质素的相互作用关系

Fig. 3 Interaction between cellulose and lignin

学者们采用分子模拟方法进一步研究了纤维素与木质素的相互作用关系（见图3(b)）发现，木质素优先选择纤维素的疏水面（100面）作为相互作用位点，这也是最有效的结合位点，但与纤维素的亲水面（110面）亲和度是最高的。木质素与纤维素表面之间的结合面积越大，则二者之间的相互作用力越强，而木质素的甲氧基可以增加与纤维素表面的接触面积，提高二者之间的相互作用力，增强细胞壁的抗降解性^[

13]。Zhang等人^{[参考文献 14

百度学术}14]在不同的反应温度下对纤维素和木质素进行分子动力学模拟，也发现木质素倾向于聚集到纤维素的疏水面上（见图3(c)）。为进一步验证上述理论，Nascimento等人^{[参考文献 15

百度学术}15]设计了具有木质素涂层尖端的原子力探针，用于检测带有纤维素的液体，并将实验数据结合机器学习方法，用于分析推断纤维素与木质素相互作用的类型（见图3(d)），利用分子动力学模拟了木质素与不同纤维素I_β晶面的相互作用，揭示了不同晶型的纤维素与木质素相互作用的分子机制。然而，Nascimento等人的研究是基于外源分子的相互作用关系，不涉及对纤维素与木质素在细胞壁原位作用的研究。此外，学者们通过NMR技术研究发现，尽管木质素更倾向于与Xn^3f结构聚木糖结合，但是利用质子驱动自旋扩散实验（PDSD）可以观察到，木质素芳烃与纤维素表面和Xn^2f结构聚木糖空间上靠近，并且连接处可能有直接接触，这可能是细胞壁内部分子拥挤造成的，被称为次相互作用。通过NMR进一步测定了细胞壁内分子的弛豫时间和水合状态，发现碳水化合物分子在纳米尺度上是高度均匀混合的状态，这意味着可能会涉及木质素和多糖聚合物之间的相互渗透和纠缠^{[参考文献 16-17}16-17]。

综上，木质素与纤维素的相互作用研究鲜见报道，有待进一步挖掘，特别需要关注二者之间的非共价键，以便于开发更加高效清洁的组分分离技术，提高生物质转化效率。

3 木质素与半纤维素间的相互作用

木质素与半纤维素间存在复杂的相互作用，包括共价键和非共价键，其中木质素与半纤维素通过共价键连接形成木质素-碳水化合物复合体（LCC），兼具木质素的机械强度、疏水性及多糖的生物相容性、抗致病性和亲水性等特征，是导致木质纤维生物质具有顽强的抗降解性的主要原因^[

18]，也限制了木质纤维生物质资源的高值化利用。因此，对植物细胞壁中LCC键合作用的解析一直是备受瞩目的研究热点，可为后续木质纤维生物质主要组分的高效拆解提供理论支撑。

3.1　木质素与半纤维素间的共价键

木质素是芳香族高分子化合物，而半纤维素是由非结晶复合聚糖组成的多分枝低分子聚合物，二者在细胞壁分化过程中通过生物合成、组分沉积的过程交联在一起，以不同方式及不同程度的共价键结合，形成LCC。学者们采用湿化学法对LCC进行分离及结构表征，认为木质素与半纤维素之间主要通过苄基醚键（BE）、苯基糖苷键（PG）、苯基酯键（Est）、γ-酯键（GE）及缩醛键（Acetal）等5种化学键连接^[

8]。禾本科纤维原料中，羟基肉桂酸类化合物（HCA，包括对香豆酸和阿魏酸）在LCC键合机制中发挥着重要的桥连作用，阿魏酸通过醚键和酯键（FE）与LCC连接，对香豆酸则主要通过酯键（CE）与LCC连接（图4）。阿魏酸和对香豆酸的存在，使得禾本科纤维原料中的木质素和半纤维素间的连接键呈现出更为复杂的交联结构。虽然已经有大量学者探究了LCC的化学结构，然而由于该结构极其复杂，仍然是木质纤维化学领域最具争议的热点之一。

图4 木质素-碳水化合物之间的化学键类型^[

Fig. 4 Chemical bond types of lignin-carbohydrate^[

不同植物纤维原料以及采用不同分离方法得到的LCC，其连接键不同。目前普遍认为，针叶木材中LCC的连接键主要是苄基醚键（落叶松可能存在苄基酯键^[

19]，图5），阔叶木材中LCC的连接键主要是苯基糖苷键，而禾本科纤维原料中阿魏酸和对香豆酸通过苄基酯键将半纤维素和木质素连接在一起。不同方法分离的LCC结构存在差异。Jeong等人^{[参考文献 20

百度学术}20]采用Fenton氧化和水热法分离得到黄杨LCC，在其中可观察到3种化学键，即PG、GE和BE。Su等人^{[参考文献 21

百度学术}21]采用LiCl/DMSO法分离得到的麦秆LCC，其连接键主要是PG，少量的半纤维素糖醛酸取代基与木质素侧链γ位之间形成的GE，以及BE（主要为BE₁型和BE₂型）。Wang等人^{[参考文献 22

百度学术}22]采用聚木糖酶提纯法分离得到的碱性半纤维素（竹子）中LCC，其连接键以PG为主。Zhao等人^{[参考文献 23

百度学术}23]碱法分离得到的竹子半纤维素LCC经氧化纯化后，没有检测到阿魏酸/香豆酸连接的结构。此外，同种原料以不同方法分离得到的LCC，其化学结构也存在差异。Giummarella等人^{[参考文献 24

百度学术}24]采用水热法分离得到的云杉LCC，其连接键主要为PG，而以水热法分离得到的桦木LCC则含有PG和BE。本课题组发现，采用经典Björkman法制得的芦竹LCC，其连接键主要是PG、Est及α-醚键等（图6），磨木木质素（MWL）及所有LCC组分中均存在对香豆酸，而Björkman法制得的LCC中则主要存在阿魏酸^{[参考文献 25

百度学术}25]。Zhao等人^{[参考文献 26

百度学术}26]研究桉木得到了类似的结果，发现醋酸木质素-碳水化合物复合体（LCC-AcOH）富含PG，而纤维素酶木质素（CEL）和MWL中的LCC主要是BE。在制浆造纸过程中，探究残留木质素的化学结构及高效生化降解机制十分重要。路德胜等人^{[参考文献 27

百度学术}27]采用¹³C和²H双同位素示踪法分别标记裸子植物的木质素和多糖，发现LCC中缩醛键和苯甲醚键结构在硫酸盐法蒸煮过程中较稳定，为漂白工艺提供理论依据。

图5 木质素和阿拉伯葡萄糖醛酸聚木糖之间存在苄基酯键^[

19]

Fig. 5 Benzyl ester bonds between lignin and arabinaldehyde xylan^[

19]

图6 不同方法分离的芦竹LCC HSQC谱图^[

25]

Fig. 6 HSQC spectra of LCC Arundo donax Linn isolated by different methods^[

25]

LCC中半纤维素与木质素的结合比例也不尽相同，据报道，针叶木材中几乎全部木质素与半纤维素结合，而阔叶木材中47%~66%的木质素与半纤维素结合^[

28-30]。研究发现，在针叶木材银杏管胞次生壁S2层，大约7000个木质素苯丙烷结构单元以折叠链形式与半纤维素的4000个己糖（甘露聚糖）及2000个戊糖（聚木糖）连接，形成交联区域（HLM），填充在纤维素微纤丝束（CMF）的周围（见图7）^{[参考文献 31

百度学术}31]。由此可知，在木质纤维主要组分分离时，若在木质素与半纤维素交联的HLM溶解的同时，尽量减少木质素与半纤维素自身化学结构的降解，则有助于实现全组分的原位高效拆解分离，提高其后续加工利用价值^{[参考文献 32

百度学术}32]。

图7 木质素与半纤维素可能的相互作用关系示意图^[

31]

Fig. 7 Schematic diagram of possible interaction between lignin and hemicellulose^[

31]

3.2　木质素与半纤维素间的非共价键

现有的LCC分离方法主要采用物理化学法，会破坏木质素和半纤维素原本的化学结构，导致其谱图信号改变或者丢失，为此，针对木质素与半纤维素之间相互作用的无损检测仍然是一个挑战^[

33-34]。为了原位分析木质素与半纤维素之间的相互作用，研究人员采用动态核极化NMR技术，获得木质素与Xn^2f结构及Xn^3f结构的聚木糖之间存在丰富的非共价键的结论（见图8(a)）。Kang等人^{[参考文献 16

百度学术}16]采用原位NMR技术主要研究了3种¹³C高丰度的禾本科纤维原料（玉米秆、水稻秆和柳枝稷），发现木质素并非包裹在纤维素表面，而是倾向于自聚集形成高度疏水和独特的动态纳米域，并且与Xn^3f结构的聚木糖通过大量的表面接触相互结合。此外通过该研究还发现，玉米秆细胞壁中木质素与聚木糖的极性基元在空间上非常靠近，可能存在静电吸附作用。这些结果进一步表明，木质素与聚木糖之间存在广泛的表面接触，二者之间存在一定的相互渗透、纠缠。然而，该研究中并未发现聚木糖侧链和木质素的共价键连接信号，可能是由于共价键连接位点较少或低于固体NMR的探测阈值导致。

图8 植物细胞壁内的分子结构可能的模型

Fig. 8 Possible models of the molecular architecture of plant cell wall

木质素在禾本科纤维原料的细胞壁中与多糖存在广泛的非共价键，但在其他原料中是否存在相同的作用关系尚不明确。Terrett等人^[

35]研究针叶木云杉时发现，在分子层面上，木质素除了与纤维素表面存在相互作用外，可能与半纤维素半乳葡甘露糖和聚木糖之间也存在相互作用（见图8(b)）。Kirui等人^{[参考文献 17

百度学术}17]研究了草类、针叶木和阔叶木的分子结构（见图8(c)），证实木质素主要与非扁平聚木糖间存在非共价键，在不同的原料中，木质素具有不同的动态结构，推测了木质素与聚木糖配合物的非共价键主要包括偶极-偶极相互作用、伦敦色散力和氢键作用等。由此可见，在细胞壁中的木质素与半纤维素之间的非共价键是不可忽视的，这为生物质全组分分离奠定了理论基础。

4 结语与展望

木质纤维生物质是加工生物基燃料、化学品和材料的重要可再生资源，但是由于其细胞壁具有抗降解性，导致生物基制品的生产过程存在高耗能、高排放及低效率等问题。了解木质纤维生物质的细胞壁复杂结构有利于通过基因工程定制植物或者优化加工技术以降低其抗降解性，对实现生物质高值化利用具有重要意义。近年来，人们在纤维素、半纤维素及木质素间相互作用方面的研究取得了良好进展，但是仍有一些科学问题待进一步解决。

（1）半纤维素结构复杂，特别是草类的聚木糖主链上存在支链和各类取代基，尽管已有大量研究表明取代基会影响聚木糖与细胞壁其他成分相互作用的方式，但是聚木糖上取代基的作用尚不清楚。

（2）由于表征手段限制，无法精确探测二螺旋结构聚木糖与纤维素表面结合的比例；木质素与纤维素的结晶区还是无定形区、与亲水面还是疏水面的结合等研究内容少有涉及。

（3）木质素与半纤维素间存在共价键和氢键，使得木质纤维生物质对酶促及微生物水解等作用具有很强的抗逆性，其中木质素与半纤维素相互作用关系（特别是化学键键合机制）尚未阐释清楚，值得以原位分析手段进一步深入探索。

总之，为了有效开发利用木质纤维生物质，需要利用先进的手段了解关于细胞壁内分子间相互关系的新知识，比如通过固体核磁共振技术、拉曼光谱、电子显微技术联用等方法，以期从分子层面上开启细胞壁复杂结构研究的新视角，为实现更高效的生物质精炼技术提供一定的理论支撑。

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