解读竹子不同细胞类型对苄基三乙基铵氯化物/甲酸体系的差异响应，以实现选择性分离

《International Journal of Biological Macromolecules》：Deciphering the differential response of bamboo cell types to benzyl triethyl ammonium chloride/formic acid system for selective separation

竹材纤维细胞与薄壁细胞在BTEAC/FA深熔盐溶剂处理中的差异响应机制研究，采用激光共聚焦显微、拉曼光谱及纳米力学成像技术，发现薄壁细胞胞间层更易被溶剂渗透破坏，而纤维细胞保留更多机械强度，揭示细胞壁化学降解与力学性能变化的异质性规律，为选择性分离竹材组分提供理论依据。

　　

周俊杰|徐俊|张照辉|王斌|李志|张凤山|陈克福

华南理工大学先进造纸与纸基材料国家重点实验室植物纤维材料科学研究中心，中国广州510640

摘要

由于竹子生长迅速且含有大量纤维素纤维，因此被提出作为天然纤维的替代来源。然而，竹子中纤维细胞与薄壁细胞之间的紧密粘附使得它们难以被选择性分离。在本研究中，使用由苄基三乙基铵氯化物/甲酸（BTEAC/FA）组成的深共晶溶剂（DES）对竹子样品进行预处理，并结合激光共聚焦显微镜、拉曼光谱和纳米力学成像技术分析了这两种细胞类型在预处理过程中的不同反应。结果表明，DES优先渗透并破坏了薄壁细胞的细胞间层。拉曼光谱分析发现，当纤维细胞细胞间层中的高浓度木质素被溶解时，木质素迁移到了次生细胞壁中，而不是直接释放出来。纳米力学成像进一步证实，与纤维细胞相比，薄壁细胞在弹性模量和粘附强度方面表现出更明显的变化。这些在化学降解敏感性和机械性能方面的空间响应差异为实现细胞类型选择性分离提供了理论基础。本研究阐明了竹子细胞壁在DES处理下的异质性响应机制，为开发低能耗和高选择性的竹子成分分离策略奠定了理论基础。

引言

竹子因其出色的机械性能、快速生长和卓越的碳封存能力而成为有前景的候选材料[1]。在细胞水平上，竹子由两种类型的细胞组成：作为增强材料的纤维细胞和形成基质的薄壁细胞[2]。这些独特的结构特性为能源设备应用提供了巨大机会[3]。尽管研究人员已经在细胞尺度上利用了纤维细胞和薄壁细胞[4]，但不同细胞类型对改性的响应差异仍不清楚。

研究人员越来越关注具有内在结构特性的可持续生物质衍生材料[5]、[6]、[7]。在生物合成过程中，植物细胞壁以纤维素为框架，半纤维素和木质素作为“填料”和“粘合剂”，形成了极其复杂的三维网络结构，使得酶和微生物无法进入细胞壁[8]。竹子紧密的互锁结构导致其渗透性较差，限制了功能性填料在改性处理中的效果。因此，需要探索一种简单、绿色且温和的竹子分解方法及其后续的高价值利用。

为了克服木质素-半纤维素的障碍，通常采用化学预处理。去除木质素的主要方法包括：碱性亚硫酸钠[9]、乙酸/亚氯酸钠[10]、离子液体[11]。相比之下，深共晶溶剂（DES）预处理是一种低成本且环保的方法，可用于分离纤维素和提取木质素[12]。DES是指由通过氢键连接的氢键受体和供体组成的液体混合物，其作用类似于离子液体。研究表明，DES在分离木质纤维素方面非常有效[13]。最近的研究强调了羧酸功能化的DES在木质素溶解中的有效性[14]。羧酸提供的额外活性质子促进了木质纤维素中化学键（如木质素中的醚键和木质素-多糖复合物中的酯键）的质子催化断裂[15]。大多数现有研究使用碱性、亚硫酸盐或其他化学方法通过部分去除木质素和半纤维素来分离纤维细胞和薄壁细胞。然而，这些研究主要关注宏观分离结果，缺乏对不同细胞类型在处理过程中细胞壁响应机制的深入理解。DES保留了纤维素骨架结构，从而保持了其强大的机械性能[16]、[17]。因此，DES作为一种有效的功能改性手段具有潜力。

本研究以同时含有纤维细胞和薄壁细胞的竹子为模型系统。采用由苄基三乙基铵氯化物/甲酸（BTEAC/FA）组成的深共晶溶剂（DES），通过细胞、亚细胞和分子等多个尺度表征，探讨了DES系统对木质纤维素生物质预处理的降解机制。基于细胞壁的异质性，本研究系统分析了纤维细胞和薄壁细胞对DES处理的差异响应，揭示了这两种细胞类型在木质素去除、细胞壁结构演变和完整性保持方面的不同模式。这项研究为从竹子中选择性分离纤维细胞提供了理论基础，并为后续绿色高效分离过程的设计提供了科学依据。

材料

竹子切片由广西孙纸业有限公司提供。苄基三乙基铵氯化物（BTEAC，98%）、甲酸（FA，98%）和无水乙醇（C₂H₆O，99.5%）购自Macklin（中国上海）。DES由BTEAC和FA按摩尔比组成，在室温下连续搅拌直至溶液澄清。标记有罗丹明染料（RhPEG）的PEG（分子量30000）购自Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD（中国上海）。丙酮（C₃H₆

基于MD模拟的木质素在苄基三乙基铵氯化物/甲酸体系中的溶解机制

氢键供体与氢键受体之间的摩尔比对DES的性质具有决定性影响。为了理解DES与竹子细胞壁成分的溶解机制，对不同摩尔比的DES进行了分子模拟。可以计算木质素聚合物与溶剂类型之间的非键合相互作用。同时，还分析了DES与木质素二聚体结构化合物之间的相互作用能量特性。

结论

利用多模态表征技术，本研究发现了DES预处理后竹子纤维细胞和薄壁细胞的化学组成和纳米力学性质的显著差异。薄壁细胞的木质素去除速率更快，机械变化更明显，而纤维细胞的响应则较为滞后。扫描电子显微镜观察清楚地显示，薄壁细胞的严重破坏是孔隙增加的主要原因。

CRediT作者贡献声明

周俊杰：撰写——原始草稿、方法论、数据分析、概念构思。徐俊：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。张照辉：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。王斌：撰写——审稿与编辑、监督。李志：撰写——审稿与编辑、监督。张凤山：撰写——审稿与编辑、可视化。陈克福：撰写——审稿与编辑、可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了广东省重点研发计划（2022B111108004）、山东济宁重点研发计划（2022JBZP003）、先进造纸与纸基材料国家重点实验室（2024ZD07）以及中央高校基本科研业务费（2025ZYGXZR004）的资助。