以天然纤维为载体，利用溶剂交换法将木质素纳米颗粒（LNPs）负载到纤维表面制备碳纤维电极材料，研究碳纤维材料的形貌、比表面积、热稳定性、结晶性能、表面电荷和电化学性能。结果表明：在LNPs与纤维的初始质量比为110时，电极材料比电容最大，为7.88 F/g，远高于未负载LNPs的电极材料比电容值(0.60 F/g)；在经过10 000次的循环测试(10 A/g)后，电容保持率高达93%。研究表明LNPs可有效提高复合碳纤维电极材料的比表面积和碳含量，为木质素在能源领域中的高附加值利用提供了新途径。

为提高制浆树种的利用效率, 缓解国内制浆造纸原料短缺的现状, 降低行业污染与总体成本, 尝试将近红外光谱技术用于海南省制浆树种的成分含量分析, 以期根据实时所得成分含量相应调整工艺参数。 用结构简单、 易改装的全息光栅分光近红外光谱仪采集了海南省常见的适龄制浆树种（尾细桉、 尾巨桉、 尾叶桉、 马占相思和粗果相思）共205个样本的近红外光谱, 按传统实验室方法分析其主要成分——综纤维素和木质素的含量。 选择合适的预处理方法与偏最小二乘法结合, 建立了两种分析模型, 并通过遗传算法剔除不相关的变量, 筛选出特征波段, 明确综纤维素和木质素的特征吸收, 优化了模型。 其中综纤维素分析模型建立时采用Savitzky-Golay 13点3倍平滑、 矢量归一化和一阶导数预处理原始光谱, 1 150.3～2 362.0 nm波段参与建模。 筛选出的波段包含了1 188～1 196 nm之间CH3中C—H伸缩振动的二级倍频吸收, 1 742～1 633 nm区间内O—H伸缩振动的一级倍频, 2 112 nm附近O—H变形振动、 O—H伸缩振动的合频等纤维素的特征吸收; 也包含了1 470～1 495 nm之间O—H伸缩振动的一级倍频, 1 906和1 911 nm附近CO伸缩振动的二级倍频等聚戊糖的特征吸收。 模型RMSEP值为0.55%, 绝对偏差范围为-0.91%～0.87%。 木质素分析模型建立时采用Savitzky-Golay 13点3倍平滑、 多元信号校正和二阶导数预处理原始光谱, 1 137.6～1 872.5和2 131.0～2 424.1 nm波段参与建模。 筛选出的波段包含了1 143 nm附近苯环C—H伸缩振动的二级倍频吸收和CH3的C—H伸缩振动的二级倍频吸收, 1 670～1 684 nm处苯环C—H伸缩振动的一级倍频, 2 205 nm附近C—H、 CO伸缩振动的合频等木质素的特征吸收。 模型RMSEP值为0.45%, 绝对偏差范围为-0.76%～0.79%。 两个模型的RPD值分别为4.71和3.47, 均能满足制浆树种主要成分在线快速分析测定的工业需求。 同时, 本研究为制浆树种近红外表征体系的建立提供了理论依据, 对近红外技术助力制浆造纸工业由自动化向智能化转变具有较为显著的意义。

酸性亚氯酸钠法脱木素是目前实验室最常用的脱木素方法, 可最大程度地保留综纤维素, 但关于木质素在逐步脱除过程中其动力学及选择性的研究却很少。 拉曼光谱能快速、 定性和半定量地测定亚氯酸钠法脱木素过程中残余木质素及木质素单体含量在不同细胞及形态学区域的动态变化。 以阔叶材桉木、 针叶材杉木、 禾本科毛竹为例, 通过提取亚氯酸钠法脱木素过程中不同细胞木质素（1 598 cm-1）及单体愈疮木基（G, 1 270 cm-1）、 紫丁香基（S, 1 331 cm-1）的平均拉曼光谱, 发现三种木材在各区域中木质素脱除动力学总体规律一致, 即在反应初期木质素大量快速移除, 随着反应的进行木质素脱除效率下降。 其中, 在反应前0.5 h, 1 598 cm-1处平均拉曼强度降低量超过82%, 而在脱木素后期（1.0～1.5 h）, 木质素平均拉曼强度减少仅5%～15%。 特别的, 竹材脱木素所需时间要明显少于木材。 相同条件下, 竹材纤维细胞在前10 min内1 598 cm-1处拉曼强度减少就达88.65%。 同时, 木质素的脱除具有高度的选择性。 在反应初期, 射线细胞中G和S型木质素的移除率均高于导管和纤维细胞, 而在导管、 纤维细胞中, S型木质素的脱除比G型木质素更明显。 在逐步脱除木质素过程中, 导管、 射线、 纤维细胞间木质素相对强度关系总体不变, 即导管、 射线相对木质素浓度始终高于纤维细胞。 总体而言, 在组织水平, 导管中木质素最难于脱除, 射线细胞次之, 纤维细胞中的木质素较容易脱除。 在纤维细胞中, 细胞角隅木质素脱除速率最高, 其次是复合胞间层, 次生壁最低。 就木质素单体而言, S型木质素比G型木质素更容易脱除。 研究表明拉曼光谱能简单、 快速地检测不同树种中各类组织、 细胞以及木质素结构单元在生物质化学预处理中残余木质素含量的动态变化, 同时进一步加深对生物质亚氯酸钠法脱木素选择性及动力学的理解。

粘土矿物在催化木质素形成腐殖质方面具有重要贡献。 为有效阐明微生物-木质素-粘土矿物三者间的关系, 探明矿物-菌体残留物的结构特征, 采用液体摇瓶培养法, 以木质素为碳源, 通过添加高岭石和蒙脱石, 在接种复合菌剂后启动110 d液体培养, 期间动态收集矿物-菌体残留物, 利用傅里叶红外光谱及扫描电子显微镜技术对其结构特性进行了研究。 结果表明: 高岭石颗粒边缘多由管状体卷曲而成, 在参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后, 连片状细小颗粒结构进一步团聚, 结合更加紧凑, 短管状结构增多, 但整体仍保持多水高岭石的结构特征; 在初始富营养条件下, 高岭石能够促进微生物繁衍, 使大量菌体聚集于高岭石表面, 掩蔽了Si—O和Si—O—Al键, 且矿物-菌体残留物中脂族碳结构比例增加; 菌体中多糖物质通过含氧官能团与高岭石表面的水化层在多个部位形成氢键, 氢键的形成对于高岭石稳定木质素及其降解产物具有重要作用, 芳香碳结构比例和多糖类物质含量随培养时间逐渐增加, 而后复合菌株对掩蔽在矿物表面的菌体进行二次利用, 使高岭石Si—O—Al键重现; 蒙脱石多由浑圆的颗粒结构组成, 接种微生物可使其表面产生溶蚀, 团粒结构遭到破碎; 与10 d相比, 历经30 d培养所得矿物-菌体残留物中的多糖类物质增多, 使原本归属蒙脱石Si—O—Si及Si—O结构的1 034~1 038 cm-1处吸收峰强度增加, 而后因多糖类物质与蒙脱石表面羟基发生缔合, 又使该处吸收峰强度减弱, 同时发生了氢键键合, 该作用是蒙脱石-微生物-木质素间相互作用、 形成矿物-菌体残留物的主要机制; 高岭石在稳定有机碳方面的能力要高于蒙脱石, 更易促进HS前体物质的形成。

铁铝锰氧化物催化木质素形成腐殖质具有重要作用。 为阐明微生物-木质素-铁铝锰氧化物三者间的关系, 揭示矿物-菌体残留物的结构特征, 采用液体摇瓶培养法, 以木质素为碳源, 通过添加针铁矿、 三羟铝石及δ-MnO2粉末, 在接种复合菌剂后启动110 d液体培养, 期间动态收集矿物-菌体残留物, 利用FTIR及SEM技术对其特性进行研究。 结果表明: 针铁矿呈松针状结构, 参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后表面附着了条状的暗色物质, 表观结构不规则, 但晶体结构并未改变。 菌体中多糖类物质与针铁矿游离羟基的阴离子发生交换作用, 芳香碳结构比例增加, 菌体在针铁矿表面堆积掩蔽了Fe—OH键以及(001)面的γ-OH键, Fe—OH发生质子化使Fe—O键振动频率增强; 三羟铝石表面结构疏松、 呈绒球状物质, 参与形成矿物-菌体残留物后, 缩聚作用明显、 疏松程度降低、 表面微孔结构减少。 氢键作用使矿物-菌体残留物的铝羟基振动频率下降, 即与AlOH相结合的O—H键极性减弱; 木质素引入使芳香碳结构比例增加, 随着培养进行, 其含量先下降, 而后再历经缩合; δ-MnO2表面颗粒粗糙, 以絮状或颗粒状团聚, 参与形成矿物-菌体残留物后, 颗粒团聚趋势明显、 堆积更加紧密、 表面结构更加光滑。 60 d培养期间, δ-MnO2结晶度受到菌体堆积以及氢键作用使O—H键的极性减弱, 而后层间水分子—OH含量增加对其产生了叠加效应, 使3 404~3 435 cm-1处吸收峰强度增加。 菌体中多糖类物质的羟基通过氢键、 化学力与δ-MnO2表面发生缔合, 所形成的矿物-菌体残留物芳香碳结构比例增加, 但Mn—O基团受到掩蔽; δ-MnO2的参与能够使矿物-菌体残留物产生更大数量的芳香碳结构, 为腐殖质形成提供更多的稳定性碳, 其次是针铁矿, 而三羟铝石则在培养30~60 d更有利于木质素的微生物降解。

通过木质素基因工程能够有效降低杨木细胞壁木质素含量, 从而改善人工林杨树作为木质纤维材料的利用现状。 选取C3H基因活性抑制表达的转基因杨树和其对照组杨树为实验材料, 利用傅里叶红外光谱（FTIR）技术快速表征C3H基因表达活性降低后幼龄杨木细胞壁木质素的含量, 并结合激光共聚焦显微镜（CLSM）和组织化学染色技术原位表征木质素含量微区分布变化规律。 结果表明转基因杨树与对照组杨树红外谱图的形状和特征峰数目、 位置基本一致, 表明C3H基因活性降低并未改变杨木细胞壁主要化学成分及结构, 但I1 508/I1 379, I1 508/I1 425和I1 508/I1 740木质素特征峰高度比值结果表明转基因杨木木质素含量下降了8.2%～9.5%, 峰强度的区别说明C3H基因活性抑制表达能够改变杨木细胞壁上木质素等化学组分含量; CLSM观察发现转基因杨木木质素微区分布含量均为纤维细胞角隅>复合胞间层>次生壁, 与对照组木质素呈现相同的沉积规律, 且转基因杨木细胞壁木质素浓度低于对照组杨木; 组织化学染色的结果同样表明杨木S单体木质素均匀分布于纤维细胞壁上, 而G单体木质素微区沉积规律为纤维细胞角隅>复合胞间层>次生壁, 进一步揭示了C3H基因活性的降低并没有改变转基因杨木G和S木质素单体的沉积规律, 但对其纤维和导管壁上木质素单体含量分布有一定影响。

整合共聚焦显微荧光和拉曼光谱成像技术系统研究了黄藤藤茎组织中不同类型细胞以及同一细胞不同形态区域的木质素区域化学特点。 共聚焦荧光成像表明黄藤藤茎组织中木质素主要汇聚于初生木质部导管、 次生木质部导管、 维管束间的薄壁组织细胞以及纤维细胞角隅区。 基于荧光光谱差异的光谱成像线性拆分结果显示纤维细胞次生壁由宽、 窄层交替的同心层状结构组成, 且窄层具有更高的木质化程度。 比较黄藤、 毛竹、 芒草、 毛白杨和虎皮松拉曼光谱发现黄藤材细胞壁拉曼光谱与阔叶木毛白杨类似, 证实了黄藤材的化学组成更加趋近于阔叶木毛白杨。 对拉曼光谱中木质素特征峰成像进一步揭示出纤维细胞中木质素不均一的分布规律: 其中细胞角隅胞间层和复合胞间层的拉曼信号强度最高, 表明较高的木质化程度, 其次是次生壁中的窄层, 而次生壁宽层中拉曼特征峰强度最低, 这一分布规律与竹材纤维细胞中木质素分布规律类似。 宽、 窄层中木质素不仅存在浓度上的差异, 而且木质素基本结构单元的比例亦不同。 采取光谱去卷积的方法排除了碳水化合物的影响, 发现窄层中愈创木基(G型)木质素与紫丁香基木质素(S型)比例为0.19, 而在宽层中这一比值为0.14, 这一结果亦解释了宽、 窄层荧光光谱间的差异。 该研究结果对探索黄藤细胞壁生物合成及力学响应机制研究具有重要理论指导意义。

共聚焦拉曼显微光谱技术可有效用于木质纤维生物质细胞壁的区域化学研究。 利用该技术探索稀酸预处理过程中奇岗纤维细胞壁木质素和羟基肉桂酸的区域化学变化规律。 研究发现预处理前木质素在细胞壁各区域的浓度不同, 木质素浓度较高的区域羟基肉桂酸的浓度也较高。 稀酸预处理后1 600 cm-1(木质素)和1 170 cm-1(羟基肉桂酸)的峰值强度降低, 表明二者被部分溶出, 且溶出率为次生壁>复合胞间层>角隅胞间层。 预处理过程中次生壁和复合胞间层的特征峰强度比值(I1 170/I1 600)呈现上升趋势, 表明在这两个形态区域中木质素比羟基肉桂酸更易溶出; 而在角隅胞间层没有明显变化, 表明该形态区域对二者的溶出没有倾向性。 通过本研究可以更加深入了解稀酸预处理中化学组分在亚细胞水平的变化规律, 同时也进一步拓展了拉曼光谱技术在植物细胞壁研究领域的应用。