顺序进行超声波处理和水热预处理能够增强松木和黄杨木的细胞壁降解以及后续的酶促水解过程

《Industrial Crops and Products》：Sequential ultrasonic and hydrothermal pretreatment enhances cell wall degradation and enzymatic hydrolysis of pine and yellow poplar

高效环保的木质纤维素预处理对克服其抗降解性至关重要。本研究采用超声-湿热联合预处理，分析其对松木和黄杨木细胞壁降解及酶解效率的影响。显微分析（FE-SEM、CLSM、TEM）显示，联合预处理显著破坏了细胞壁结构，降低了木质素和半纤维素含量，尤其是黄杨木葡萄糖转化率达89.48%。XRD和FTIR分析表明，超声预处理促进了结晶区与非晶区分离，湿热处理（190℃）进一步破坏结晶区，提升了酶解效率。TEM免疫电镜证实，联合预处理使半纤维素 epitopes 检出率降低，木质素自荧光强度升高。研究揭示了超声预处理通过氧化作用和空化效应预处理木质素-半纤维素网络，湿热处理则利用质子化水离子加速降解，二者协同作用可提升生物乙醇生产效率。

　　在当前全球能源结构面临挑战的背景下，寻找可持续的替代能源已成为科研和工业领域的重要课题。其中，木质纤维素生物质因其丰富的储量和碳中性特性，被视为一种极具潜力的资源。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，这些成分在生物燃料和生物基材料的生产过程中起着关键作用。然而，由于其复杂的结构，木质纤维素的降解效率较低，这使得研究者们不断探索更高效的预处理方法，以提高其转化率和经济可行性。

本研究聚焦于两种常见的木质纤维素原料——松木和黄杨木，分别采用超声波预处理和水热预处理，以及它们的组合处理方式，以评估其对细胞壁降解和酶解效率的影响。研究发现，当这两种预处理方式按顺序进行时，对松木和黄杨木的半纤维素降解效果最为显著。具体而言，在顺序处理过程中，半纤维素的降解率分别达到了85%和87%，显著高于单独使用水热预处理的降解率。这一结果表明，超声波预处理能够通过产生空化效应和氧化性自由基，破坏木质纤维素的表面结构，为后续的水热处理创造更有利的条件。水热处理则利用水的离子化特性，在高温高压下生成酸性水合氢离子，从而进一步分解半纤维素和木质素，提高纤维素的可及性。

研究还通过多种显微镜技术，如场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、免疫透射电子显微镜（Immuno-TEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），深入分析了预处理对生物质结构和成分分布的影响。这些技术不仅能够直观地展示生物质的形态变化，还能在分子水平上识别和定位特定的半纤维素表位，如木聚糖和甘露糖。通过这些手段，研究者发现顺序处理显著改善了半纤维素和木质素的降解效果，同时对纤维素微纤维的排列产生了影响。例如，在FE-SEM图像中，顺序处理后的生物质显示出更光滑和更薄的细胞壁结构，这表明其孔隙率和表面积得到了有效提升，为酶的接触提供了更多的机会。

在化学分析方面，研究利用高分辨率X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，揭示了预处理对生物质结晶度和化学键的影响。XRD结果显示，经过顺序处理的生物质结晶度显著提高，这表明在处理过程中，非结晶区域的分解使得结晶区域的比例增加。FTIR分析则进一步确认了木质素和半纤维素的化学键断裂，特别是在超声波处理后，与木质素相关的C-O和C-H键的峰强度下降，表明木质素的降解程度较高。而在水热处理过程中，半纤维素相关的峰强度降低，而木质素相关峰的强度增加，这可能是由于半纤维素的分解导致木质素相对浓度的上升。

在酶解效率方面，研究通过使用Cellic? CTec3酶混合物对预处理后的生物质进行酶解实验，发现顺序处理后的生物质在酶解过程中表现出更高的纤维素转化为葡萄糖的效率。对于松木，最高转化率为41.62%，而对于黄杨木，最高转化率达到了89.48%。这一结果可以归因于顺序处理对木质素结构的改变，以及半纤维素的高效降解，从而提升了纤维素的可及性。此外，木质素的结构在处理过程中也发生了变化，部分木质素可能因高温而发生软化或重分布，形成新的结构特征，影响了酶与纤维素的相互作用。

研究还通过定量分析，评估了不同预处理条件下，细胞壁中半纤维素表位的分布变化。使用ImageJ软件对免疫金标记的抗体进行计数，发现顺序处理后的生物质中，半纤维素表位的标记密度显著增加，这可能与处理过程中木质素的降解和半纤维素的暴露有关。然而，对于某些处理条件，如190°C的顺序处理，标记密度反而有所下降，这可能是由于过度降解导致某些表位的损失。

总体而言，本研究通过综合运用多种分析技术，揭示了顺序超声波和水热预处理在提高木质纤维素生物质降解效率和酶解效果方面的潜力。研究结果不仅有助于理解预处理过程中的分子机制，还为开发更环保、高效的生物质转化策略提供了科学依据。这些发现对于推动生物燃料和生物基材料的工业化生产具有重要意义，同时也为未来研究提供了新的方向，如进一步优化预处理参数、探索其他组合处理方式等。