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小麦秸秆微管束中的纤维素片晶和取向研究 于 慧, 刘瑞刚, 沈大娲, 江 勇, 黄 勇 中国科学院化学研究所 高分子科学与材料联合实验室 高分子物理与化学国家重点实验室 北京100080 单子叶植物如小麦,输导作用主要发生在微管束中。微管束的重要组织之 一是导管,按照木质增厚部分的形状分为环纹、螺纹、梯纹、网纹和孔纹导管 。其中环纹和螺纹出现在植物生长的早期。 纤维素在微管束中是骨架物质,是植物细胞壁的主要结构材料。植物细胞壁 中许多平行排列的纤维素分子通过氢键结合在一起形成长短不一结晶度不同的 微纤埋在木质素、半纤维素和其他多糖中,对植物细胞壁的机械强度起着主要的 作用。 在偏振光下,环( 图1a)和螺旋( 图1c) 显示出较强的双折射, 这是由于纤维素 分子取向和/或结晶所产生的[3] 。 环纹导管和螺纹导管出现在植物生长较快的早 期,纤维素生物合成过程中细胞分裂生长使得纤维素分子链受到应力作用而取 向。有趣的偏振光下单个环显示出 Maltase 十字消光图案 ( 图 1a 和 1b), 类似 于合成聚合物球晶。说明环中纤维素片晶象聚合物球晶中的片晶一样对称排列。 插入一级补偿片,环在红色背景下一、三象限显示均匀的亮黄色,二、四象 o 限显示均匀的蓝色 ( 图 1b) ;样品旋转90 , 蓝色变为黄色而黄色变为蓝色。表 明环是负光性的且纤维素片晶绕环对称排列。对于如小麦之类的高等植物而言, [1] 晶体结构主要是单斜的Iβ 相 , 其中晶胞c 轴平行于纤维轴。因此可知微管束导 管中纤维素分子链的取向沿着环的切线方向。由 图 1c 和 1d 看到,螺纹导管 在样品制备过程中部分被拉开,使得偏振光下四个象限中的性能都可以很容易地 观察到。同样,螺旋在一、三象限呈现黄色,二、四象限为蓝色(图 1d)。所 以可知螺旋为负光性且其中纤维素分子链沿着螺旋切线方向排列。 图 2 是原子力显微镜观察到的图象。其中图2a 是环的高度图, 2b 是其局 部放大的相图。在环的表面观察到了片晶结构。由相图可见,片晶基本规则排列, 厚约20nm ,大部分长100nm 左右。此结构类似于碱煮和漂白处理的云杉纸浆中 的纤维素,尺寸和单个片晶一致[4] 。片晶依次排列成束,绕环排列。原子力显微 镜所得图象中观察到的应该是垂直于环的切线排列的片晶的边缘。而在图2b 的 右半部分有些不规则排列的片晶, 应是样品制备过程中被破坏所致。在该区域 可以看到有些片晶长度大于200nm ,甚至达300nm 。所以可以认为体系中存在着 较长片晶,它们穿越不止两个片晶束。 图 3 是用原子力显微镜观察到的螺旋导管的图象。其中片晶厚度约 20-40 nm ,约 100-150 nm 长,排列规整。与环相比发现,螺旋结构中片晶不是垂直 于螺旋切线方向而是与之有大约顺时针30o-40o 的夹角。此种排列在受到形变时 给螺纹导管提供了更高的耐拉伸和耐压缩能力。 由此,我们在图4 种给出了一种环和螺纹导管中纤维素分子的示意模型,即 分子链平行排列的纤维素片晶排列成束状,进而形成环纹或螺纹导管。 环中纤 维素片晶垂直于环的切线而螺旋中纤维素片晶则与螺旋切线成顺时针30-40 度夹 角。可以推想其中纤维素分子链相互平行,穿越许多不同尺寸的片晶并穿过不同 的结晶区域。 综上所述,环纹和螺纹导管中纤维素分子链沿着环或螺旋切向取向并且取向 度很高。环纹和螺纹导管中纤维素分子以片晶结构存在而不是通常所说的微纤。 环中纤维素片晶垂直于环的切线而螺旋中纤维素片晶则与螺旋切线成顺时针 30-40O 夹角。 致谢:感谢中国国家自然科学基金 (No 和 中国科学院(No. KJCX2-SW-H07) 的支持. 参考文献: 1. Liu RG, Yu H, Huang Y. Cellulose 2004, 12 (1): 25-34. 2

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