臺灣大學(xué)?手同步輻射中心合作解開木材纖維素的百年難題　成果刊於國際知名期刊 Nature Plants

木材是人類發(fā)展史中重要的基礎(chǔ)材料與能源來源，也是未來可永續(xù)利用的再生性資源。木材細(xì)胞壁中的纖維素占一半重量比例，是地球上最豐富的有機物質(zhì)，占全球生物質(zhì)量的四分之一。雖然木材纖維素的結(jié)構(gòu)研究已有百年歷史，其奈米結(jié)構(gòu)卻仍不明朗，每束纖維素微纖絲（cellulose microfibril）含有多少條葡聚糖是爭議的焦點。

雖然電子顯微鏡與原子力顯微鏡具備解析單分子鏈的能力，卻無法分辨葡聚糖與周圍包覆的半纖維素，無法直接計算微纖絲的條鏈數(shù)。早在1913年，日本物理學(xué)家西川正治已經(jīng)利用小角度X光散射（SAXS）觀察到木材纖維素的分子排列具有方向性，但是百年來卻一直缺乏完整的理論模型進行定量分析。

在臺大化學(xué)系前專任老師戴桓青教授的引領(lǐng)合作下，這項研究利用TPS第三代同步輻射光源的BioSAXS光束線，對於木材的測量訊號得到大幅提升。臺大材料系兼任教授曹正熙發(fā)展新穎模型，將微纖絲區(qū)分為結(jié)晶核區(qū)與半結(jié)晶殼層，進而發(fā)現(xiàn)高Q值的形狀因子來自於核區(qū)的散射，而非過去所誤解的整束微纖絲的散射。曹教授提出SAXS分析模式中加入長度效應(yīng)，解決以前學(xué)者分析模式所造成習(xí)之以久的誤差，透過擬合可計算出核區(qū)的條鏈數(shù)。同時，臺大化學(xué)系教授陳振中的研究團隊開發(fā)出GIFTED (Global Iterative Fitting of T1ρ-Edited Decay)的固態(tài)核磁共振技術(shù)，依照分子運動性的差異，可測量完整木材中核區(qū)與殼層的分子比例。結(jié)合這2項新穎技術(shù)，估算出木材微纖絲的葡聚糖條鏈數(shù)，意外得出24條的結(jié)論，推翻數(shù)十年來教科書中最常見的36條鏈模型。

近年來也有專家提出假說，認(rèn)為纖維素合成酶所製造的微纖絲最初只有18條鏈，後來經(jīng)過晶體融合(crystalline fusion)，寬度或許接近24條鏈。若此假說成立，木材經(jīng)過千年老化，半纖維素分解後，融合程度應(yīng)該會增加，X光繞射測得的晶粒寬度也會增加。臺大研究團隊恰好搜集一批珍貴的古琴木材樣品，經(jīng)歷500至2000年的自然老化，利用同步輻射進行SAXS與繞射實驗，並未發(fā)現(xiàn)融合現(xiàn)象，反而觀察到聚集現(xiàn)象(aggregation)而晶粒寬度不變。由此可知，新木材的微纖絲並非處於融合狀態(tài)，每束微纖絲保持分離，具備24條鏈核殼結(jié)構(gòu)，裸子植物與被子植物皆相似。此成果解答木材細(xì)胞壁研究百年來的纖維素結(jié)構(gòu)難題，對於木材基因改良與纖維素資源的未來永續(xù)利用，具有重大意義。

此研究以“Wood cellulose microfibrils have a 24-chain core-shell nanostructure in seed plants”為題，發(fā)表於國際知名期刊Nature子期刊Nature Plants。臺大化學(xué)系研究生張智輝為第一作者，材料系兼任教授曹正熙與化學(xué)系教授陳振中為共同通訊作者，植科所副教授林盈仲為共同作者。發(fā)表全文請詳見：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01430-z。