臺灣大學㩗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

木材是人類發展史中重要的基礎材料與能源來源，也是未來可永續利用的再生性資源。木材細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，占全球生物質量的四分之一。雖然木材纖維素的結構研究已有百年歷史，其奈米結構卻仍不明朗，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。早在1913年，日本物理學家西川正治已經利用小角度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。

在臺大化學系前專任老師戴桓青教授的引領合作下，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展新穎模型，將微纖絲區分為結晶核區與半結晶殼層，進而發現高Q值的形狀因子來自於核區的散射，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，解決以前學者分析模式所造成習之以久的誤差，透過擬合可計算出核區的條鏈數。同時，臺大化學系教授陳振中的研究團隊開發出GIFTED (Global Iterative Fitting of T1ρ-Edited Decay)的固態核磁共振技術，依照分子運動性的差異，可測量完整木材中核區與殼層的分子比例。結合這2項新穎技術，估算出木材微纖絲的葡聚糖條鏈數，意外得出24條的結論，推翻數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，認為纖維素合成酶所製造的微纖絲最初只有18條鏈，後來經過晶體融合(crystalline fusion)，寬度或許接近24條鏈。若此假說成立，木材經過千年老化，半纖維素分解後，融合程度應該會增加，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，並未發現融合現象，反而觀察到聚集現象(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，每束微纖絲保持分離，具備24條鏈核殼結構，裸子植物與被子植物皆相似。此成果解答木材細胞壁研究百年來的纖維素結構難題，對於木材基因改良與纖維素資源的未來永續利用，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，發表於國際知名期刊Nature子期刊Nature Plants。臺大化學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。發表全文請詳見：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01430-z。