将生物质经预处理转化为糖平台化合物对生物炼制工业非常重要。然而，预处理后（综）纤维素中残留的木质素通常被认为会降低纤维素酶对纤维素的可及性。由于纤维素酶在木质素上的吸附降低了纤维素酶与纤维素底物的结合效率，抑制了纤维素的水解，导致了酶的负荷和总成本的增加。有必要研究几种预处理工艺对纤维素酶解过程中木质素化学性质的影响。此外，识别抑制性较弱的木质素，了解其结构性质，有助于揭示木质素对相应原料的刺激作用。研究木质素与纤维素酶的吸附机理，为木质纤维素的生物精制提供参考。因此，采用合适的预处理和木质素分离方法来改善酶解和生物精制具有重要意义。

图文解读

针对以上问题，厦门大学曾宪海教授团队研究了不同预处理方法（低共熔溶剂（DES）、对甲苯磺酸（p-TsOH）和固体碱/活性氧预处理（CAOSA））获得木质素对纤维素酶解效率的影响。为避免底物中木质素结构的影响，团队以微晶纤维素为底物，并添加不同预处理方法获得的木质素考察其对微晶纤维素酶解的影响。研究发现CAOSA体系在140-150 °C条件下提取获得的木质素可提高微晶纤维素的酶解效率（图1）。CAOSA是该团队设计的新型高效木质素脱除技术，具有木质素脱除率高（达94%）、反应固液比高（达1:10）、综纤维素保留率高（达87%）、无需使用强酸强碱及含硫化合物等特征，且固体碱催化剂易于回收，制备获得的综纤维素具有较高的酶解效率，特别适合经糖平台制燃料或化学品。

图1. CAOSA提取的木质素提高纤维素酶解效率流程示意图。

表1. 竹生物质预处理后质量平衡数据和微晶纤维素的酶解效率。

由表1可知，在温和的预处理条件下(样品为BLD120-140(120-140 °C下DES提取的竹木质素)和BLC140-150(140-150 °C下CAOSA提取的竹木质素))得到的回收木质素促进了纤维素的酶解。与之前报道的木质素的存在抑制纤维素的酶解不同，本研究发现了可以提高纤维素酶解效率的木质素。

表2. 不同预处理方法提取的木质素分子量分布。

采用GPC测试分析了木质素的分子量以及多分散性，随着温度的升高，木质素的解聚作用增强，增加了其疏水性，这与纤维素酶的非有效结合有关。同时，提取的木质素的多分散性（Đ）减小，说明木质素的分子量分布较窄（表2）。对于DES和CAOSA，结果表明Đ值较低的木质素对酶蛋白的吸附效果较好。

图2. 不同预处理方法提取的木质素的二维核磁共振(芳香区)谱图和存在于木质素馏分中的主要结构：(PCE)对香豆酸酯；(G)愈创木基单元；(H)对羟苯基单元；(S)紫丁香基单元；(S’) α-氧化的紫丁香基。

二维核磁共振(芳香区)说明了对于p-TsOH和DES预处理，随着温度的升高，木质素中S/G的比例有所提高（图2）。据报道，S单元可以限制纤维素酶的可及性，因为它通常存在于更多交联的木质素结构中，这对纤维素酶的接近形成了更大的物理屏障。因此，较高的S/G比往往会降低纤维素的水解效率。

图3. 不同预处理方法a (p-TsOH), b (DES) 和c (CAOSA)提取的木质素的热重谱图。

热重揭示了在温和条件下提取的木质素，尤其是在CAOSA140 ℃和150 °C提取的竹木质素（BLC140和BLC150）具有较大比例的亲水性β-O-4键（图3），导致木质素的疏水性较低，减少了纤维素酶对木质素的吸附，最终提高了水解效率。

表3. 不同预处理方法提取的木质素中羟基的种类和含量。

³¹P-NMR说明了随着预处理强度的提高，木质素中-COOH的含量逐渐降低（表3），导致其亲水性下降。木质素在DES120-140 °C提取的竹木质素(BLD120-140)中-COOH含量较高。木质素中-COOH的存在降低了木质素对纤维素糖化的抑制作用。

总结与展望

本研究中，作者采用三种预处理方法(p-TsOH、DES和CAOSA)从生物质中制备葡萄糖。生物质经CAOSA处理后具有较好的纤维素酶解效率。在温和的预处理条件下(样品为BLD120-140和BLC140-150)得到的回收木质素促进了微晶纤维素的酶解，本研究为木质素解聚和生物质制糖研究提供了可行的参考。

原文信息

相关研究以“CAOSA-extracted lignin improves enzymatic hydrolysis of cellulose”为题发表在Green Energy & Environment期刊。第一作者为博士研究生马森，通讯作者为厦门大学刘健教授级高工和曾宪海教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2023.05.009

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部