杜仲(Eucommia ulmoides Oliver)是一種我國特有的單科單屬單種孑遺植物和傳統(tǒng)中藥材。杜仲不僅含有藥理價值的活性成分,而且含有一種具有橡塑二重性的特殊天然高分子杜仲橡膠(反式-聚異戊二烯,簡稱杜仲膠)。隨著全球工業(yè)對橡膠材料需求的日益增長,三葉橡膠(順式-聚異戊二烯)資源呈現(xiàn)不足與病蟲害減產(chǎn)的潛在危機,作為世界第二大天然橡膠資源—杜仲膠(天然橡膠的同分異構(gòu)體)將成為未來橡膠材料的發(fā)展方向之一。我國擁有非常豐富的杜仲資源,被認(rèn)為是最具發(fā)展優(yōu)勢的天然橡膠替代資源,將杜仲膠轉(zhuǎn)化為新型高值化材料發(fā)展?jié)摿薮,同時也為我國橡膠戰(zhàn)略的布局與發(fā)展提供支撐。
近日,西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院董娟娥教授團(tuán)隊在國際著名期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》上發(fā)表杜仲膠封面綜述文章(圖1),并且美國化學(xué)會(ACS)配文“Du Zhong”介紹了杜仲及杜仲膠,有助于全球?qū)Χ胖俸投胖倌z的了解,這也是杜仲首次登上國際著名期刊封面,對于在世界上確立杜仲橡膠作為天然橡膠資源的地位具有重要意義。
圖1 杜仲膠封面綜述
在該論文中作者首先介紹了杜仲膠在杜仲不同組織中的分布特點,繼而對杜仲膠的生物合成、提取分離、結(jié)構(gòu)特征、理化性質(zhì)及改性等方面系統(tǒng)性的綜述了目前杜仲膠的研究狀況。杜仲膠廣泛的存在于杜仲的種皮、果實、葉、樹皮、根等組織,其中種皮中含量最高,可達(dá)12%-18%,主要分布在種皮的薄壁細(xì)胞中,一般采用有機溶劑(如甲苯、丙酮)提取純化,甲羥戊酸(MVP)途徑是生物合成杜仲膠前驅(qū)物異戊二磷酸的主要途徑。
杜仲膠為典型的直鏈型高分子,容易發(fā)生交聯(lián)。我國著名的杜仲膠專家嚴(yán)瑞芳教授根據(jù)杜仲膠交聯(lián)程度的不同將杜仲膠材料分為:熱塑型(零交聯(lián)度)、熱彈型(低交聯(lián)度)和橡膠型(臨界交聯(lián)度)(圖2),這為杜仲膠材料發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
圖2 杜仲膠材料的三種類型
結(jié)晶是杜仲膠的另一個重要特性,由于分子鏈的高度線性,室溫下分子內(nèi)或分子間容易形成氫鍵而發(fā)生結(jié)晶,分為α和β兩種結(jié)晶型。張繼川副研究員提出杜仲膠三相結(jié)晶模型(圖3),認(rèn)為杜仲膠具有結(jié)晶區(qū)、介晶區(qū)和無定形區(qū),分別占杜仲膠的39.8%,27.6%和32.6%,當(dāng)溫度由25℃上升至80℃時,結(jié)晶區(qū)和介晶區(qū)逐漸減小并向無定形區(qū)轉(zhuǎn)變,當(dāng)溫度高于80℃時,杜仲膠表現(xiàn)為無定形態(tài)。
圖3 杜仲膠三相結(jié)晶模型
隨后作者重點綜述了近年來杜仲膠生物可降解薄膜、形變記憶性材料、根管治療充填材料、抗腐蝕涂層材料、阻尼隔音材料、自愈合彈性材料、綠色新型輪胎、界面附著材料等研究進(jìn)展,表明杜仲膠在工程、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景(圖4)。全文最后,作者對杜仲膠及其材料領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向提出了重要參考意見。該綜述為杜仲膠新型材料的發(fā)展提供了理論與技術(shù)總結(jié),對進(jìn)一步提升和推動杜仲膠產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要作用。
圖4 杜仲膠新型材料應(yīng)用領(lǐng)域
相關(guān)論文以“Natural polymer Eucommia ulmoides rubber: A novel material”為題近期發(fā)表在Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2021, 69(13), 3797-3821,論文第一作者為碩士生魏興能,通訊作者為彭湃副教授與董娟娥教授,本論文同時得到北京林業(yè)大學(xué)彭鋒教授的指導(dǎo)。
論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c07560
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