在AlCl3-乙醇-甘油预处理的松木中重新沉积木质素衍生物：对纤维素结构及酶解效率的影响

《Industrial Crops and Products》：Redeposition of lignin derivatives in AlCl 3-ethanol-glycerol pretreated pine wood: Impacts on cellulose structure and enzymatic hydrolysis efficiency

甘油预处理结合水稀释溶剂有效改善松木酶解效率，水稀释因木质素沉积抑制酶吸附和促进纤维素微纤丝分散，其酶解转化率达76.9%。有机溶剂稀释虽提高木质素去除率，但导致纤维素结晶度升高（87.9%-88.5%）和分子量增大（488 DP），酶解效率降低。木质素衍生化后降低酚羟基含量（18.2%-23.6% CG比例）并提高分子量（1928-3640 Da），抑制酶非生产性吸附。

　　本研究探讨了在使用AlCl?-乙醇-甘油预处理系统处理松木时，不同稀释溶剂对预处理效率和酶解性能的影响。通过对比不同稀释溶剂的处理效果，研究发现水作为稀释溶剂能够显著提升预处理后的松木在酶解过程中的转化率，达到76.9%，而乙醇和丙酮作为稀释溶剂则分别获得了29.7%和42.3%的转化率。这一结果表明，水在稀释过程中不仅有助于过滤预处理后的浆料，还对预处理样品中的纤维素结构和木质素衍生物的行为产生了积极影响。

在预处理过程中，甘油作为一种非毒性且可生物降解的有机溶剂，因其高沸点（290°C）而成为一种有潜力的预处理材料。然而，纯甘油预处理过程往往需要较高的温度和较长的反应时间，以实现最佳的预处理效果。为了改善这一情况，研究者引入了混合溶剂，如乙醇和水的组合，这不仅降低了预处理的强度，还提高了木质素的去除效率。此外，AlCl?作为一种路易斯酸催化剂，能够有效减少设备腐蚀并提升木质素的提取效率，这在传统使用HCl/H?SO?的预处理方法中并不常见。

预处理过程分为三个阶段：分离、稀释和洗涤。在稀释阶段，研究者采用了水、乙醇或丙酮作为稀释溶剂，并在反应后通过搅拌使反应体系冷却至室温。随后，将相同体积的稀释溶剂加入反应体系，并进行2小时的搅拌，以确保均匀混合。接着，使用相同体积的稀释溶剂对反应体系进行冲洗，最终通过真空过滤分离出富含纤维素的固体。洗涤阶段则进一步利用水、乙醇、丙酮或四氢呋喃（THF）对预处理后的固体进行清洗，以去除残留的溶剂或副产物。

研究发现，水作为稀释溶剂在预处理过程中具有独特的特性。它不仅有助于提高纤维素的转化率，还能通过改变木质素的沉积方式，从而影响纤维素的结构。例如，水的加入可以防止纤维素微纤维的再聚集，形成更松散的结构，从而提高酶解效率。此外，水还能减少纤维素的结晶度和晶粒尺寸，这有助于提升酶解性能。而乙醇和丙酮的使用虽然能有效去除木质素，但它们可能导致纤维素的再聚集，进而降低酶解效率。

木质素在酶解过程中的作用具有双重性。一方面，木质素可能通过非产率的吸附作用，阻碍纤维素与酶的相互作用；另一方面，木质素的存在也可能通过改变纤维素的结构，促进其酶解。因此，研究重点在于分析木质素沉积后的结构变化对酶解效率的影响。通过比较不同稀释和洗涤阶段获得的木质素衍生物，研究发现那些具有较高脂肪族羟基含量、较低酚羟基含量和较高分子量的木质素衍生物，对纤维素酶解的抑制作用较小，其转化率维持在52.4–54.1%之间。

为了进一步研究这些木质素衍生物对酶解的影响，研究者使用α-纤维素作为模型材料，评估了不同木质素的添加对酶解效率的作用。结果表明，某些木质素（如从玉米芯、软木、硬木和小麦秸秆中提取的）对α-纤维素的酶解效率存在不同的影响。例如，从松木中提取的木质素衍生物在酶解过程中表现出较强的促进作用，而从其他来源提取的木质素则可能对酶解产生一定的抑制效应。这一发现表明，木质素的结构和性质在酶解过程中扮演着关键角色，而不同来源和处理方法的木质素可能具有不同的影响机制。

在预处理后的纤维素结构分析方面，研究者采用了扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等技术。SEM结果显示，使用水作为稀释和洗涤溶剂的预处理样品具有更松散的表面结构，而使用乙醇或丙酮处理的样品则表现出更光滑和紧密的表面特征。FTIR分析表明，所有预处理样品中的半纤维素吸收峰均有所减弱，这证实了半纤维素的有效去除。XRD分析进一步揭示了纤维素的结晶度和晶粒尺寸的变化，其中水处理的样品表现出最低的结晶度和晶粒尺寸，而乙醇或丙酮处理的样品则表现出更高的结晶度和晶粒尺寸。

纤维素的聚合度（DP）也是影响酶解效率的重要因素。研究表明，水处理的样品具有较低的DP，这意味着纤维素更容易被酶解。相比之下，使用乙醇或丙酮处理的样品表现出较高的DP，这可能与它们对纤维素结构的改变有关。此外，水处理的样品在接触角测试中表现出更高的亲水性，这表明它们更容易被酶解。

综上所述，本研究揭示了不同稀释溶剂对预处理效率和酶解性能的影响机制。水作为稀释溶剂不仅能够有效去除木质素，还能通过改变纤维素的结构，提升其酶解效率。而乙醇和丙酮虽然在去除木质素方面表现出色，但它们可能导致纤维素的再聚集，从而降低酶解效率。研究还强调了木质素的结构特性对酶解过程的重要性，特别是在不同来源和处理方式下，木质素的亲水性和疏水性对酶解效率具有显著影响。这些发现为优化预处理策略和提升纤维素酶解效率提供了重要的理论依据。