《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Enhancing lignin extraction and enzymatic hydrolysis from corn straw via surfactant-assisted hydrothermal pretreatment
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玉米秸秆表面活性剂辅助水热预处理可显著提升酶解效率，CTAB效果最优，使还原糖产量提高310.5%。研究同时发现该预处理能有效保持木质素活性结构，纯度达31.22%，且通过聚类分析揭示预处理与热解温度协同促进高附加值酚类物质生成。
姚通|杨天华|王健|李炳硕|张海军|李润东
沈阳航空航天大学，中国沈阳，110136
摘要
为了提高玉米秸秆（CS）的酶水解效率，本研究全面探讨了三种表面活性剂（Span80、CTAB和SDBS）与水热预处理结合对CS中木质素提取的酶水解效果的影响，并分析了提取木质素的结构和热化学变化特性。结果表明，添加表面活性剂显著增加了预处理阶段CS水解产生的还原糖含量，其中CTAB的促进效果最为显著。进一步在最佳预处理条件下（5% CTAB、120°C、0.5小时）进行纤维素酶水解，获得了41.72%的还原糖，比未预处理时高出310.5%。木质素的产率超过65%，纯度为31.22%。同时，联合预处理改变了木质素的结构，使其具有更高的最大分解温度和更稳定的结构，同时保留了CS中天然木质素的活性基团，并促进了热解产物中酚类、酸类和酮类的富集。层次聚类分析进一步揭示了CTAB的引入与中高温（500-550°C）热解条件之间的显著协同效应，这些因素共同主导了高价值酚类化合物的选择性生成。
引言
玉米秸秆（CS）是中国非常重要且丰富的农业废弃物之一，是生产可再生燃料和化学品的潜在原料[1]。CS富含木质纤维素，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素和半纤维素可以通过酶法糖化转化为葡萄糖和木糖，进而发酵成乙醇、乳酸等化学合成平台化合物。而木质素作为自然界中最丰富的天然可再生芳香物质，具有稳定的三维无定形大分子结构，主要由三个苯丙烷单元（肉桂基（S）、香豆基（G）和对羟基苯基（H）通过C-O和C-C键连接而成[2][3]。这种坚固的结构阻碍了纤维素和半纤维素向可发酵糖类的酶水解。作为高效生物精炼的关键步骤，木质纤维素生物质的酶法糖化对于生产可发酵糖类至关重要[4]。此外，酶水解将纤维素和半纤维素转化为糖类后，残留的木质素可以保持其结构完整性。然而，在当前研究中，同时实现高纯度木质素分离、保持结构完整性、高产率以及提高纤维素消化率仍然是一个重大挑战。
然而，生物质复杂的紧凑结构使得木质素和半纤维素通过共价键交联形成密集的三维网络，从而具有较强的抗降解性[5]。此外，木质素的空间阻碍以及纤维素酶的非选择性吸附导致直接酶水解得到的葡萄糖产率较低。因此，通常需要预处理来破坏生物质基质，提高纤维素的可及性，并促进纤维素酶与纤维素的有效接触[6]。作为生物精炼的关键步骤，预处理有助于去除木质素和半纤维素，降低纤维素结晶度，分离纤维素纤维，并增加酶法糖化的可用表面积[7]。近年来，开发了多种预处理方法，包括酸/碱[8][9]、水热[10][11]、有机溶剂[12]、离子液体[4][13]以及多种组合策略[13][14][15][16][17][18][19][20][21]。仅使用水作为反应介质的水热预处理是一种绿色且具有前景的方法，已被证明可以有效减少木质素的阻碍，通过去除半纤维素并增加生物质孔隙度来提高水解性能[22]。该过程通常在加压反应器中于较高温度（120-230°C）下进行[23]。此外，这种技术是绿色的，不需要化学试剂，几乎不会产生抑制剂[24]，并且在酶消化前无需分离或洗涤预处理浆料，近年来受到了越来越多的关注。最近，多种表面活性剂（如Tween 80[25][26]、PEG 8000[27][28]、Triton X-100[29]、SDS[30]、CTAB[20]、Span 80[28]）被广泛研究。由于其两亲性，表面活性剂在预处理过程中可以降低液相之间的界面张力[31]。现有研究表明，在酶水解前加入表面活性剂有助于提高糖的产率。例如，Kataria等人[31]报告称，在受控温度和压力下，SDS辅助的预处理促进了木质素的溶解并提高了酶效率，从而改善了糖的释放。同样，Chen等人[32]观察到Tween 20显著提高了酶促葡聚糖的转化率，Tang等人[33]发现表面活性剂的添加破坏了紧密的生物质结构，促进了更高的转化率。
尽管现有关于表面活性剂的研究主要集中在减少纤维素酶对木质素的非特异性吸附和提高低酶负载下的糖化效果上，但其在木质素提取过程中的应用仍较少探索。特别是，关于表面活性剂辅助的水热预处理用于从CS中酶水解分离木质素（EHL）的研究很少见。因此，本研究介绍了一种结合表面活性剂和水热预处理的策略来分离CS。主要目的是评估这种综合方法是否能在预处理和酶水解过程中提高木糖和葡萄糖的回收率，同时获得具有良好保留天然结构的高纯度木质素。研究了三种表面活性剂（CTAB，阳离子表面活性剂）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS，阴离子表面活性剂）和山梨醇油酸酯（Span80，非离子表面活性剂）与亚临界水预处理结合对CS中木质素提取的影响。此外，还研究了表面活性剂与水热预处理结合对酶水解提取的木质素的结构和热化学性质的影响，特别是对酶水解木质素热解产物的影响，重点关注酚类产物的变化。进一步利用层次聚类分析揭示了热解温度和预处理条件在调节产物分布方面的协同机制。这些发现旨在为木质素资源的高价值利用提供科学依据。
材料与化学品
CS从中国辽宁省沈阳市的一个邻近农场收集。经过研磨和筛分后，使用40至100目的颗粒作为原料。表面活性剂SDBS、Span80和CTAB由Reagent（上海）有限公司（中国）提供。所有使用的化学试剂均为分析级，购自Sinopharm Chemical Reagent有限公司。用于酶水解的商业纤维素酶的滤纸活性为163
表面活性剂辅助水热预处理效果的比较
在预处理过程中添加表面活性剂可以通过润湿和乳化作用提高溶剂和/或催化剂渗透到生物质中的效率，从而有助于去除木聚糖和木质素[36]。为了研究表面活性剂在水热预处理过程中有效促进木聚糖去除的机制，本研究比较分析了含表面活性剂和不含表面活性剂的预处理溶剂系统的表面张力。如图2所示
结论
本研究使用了三种不同的表面活性剂（Span80、CTAB和SDBS）来辅助CS的水热预处理和EHL的提取。结果表明，表面活性剂辅助的水热预处理是一种有效的策略，可以增强CS的分离和增值。该方法不仅显著提高了酶法糖化效率，还获得了结构更优、反应性更强的木质素。具体来说，表面活性剂CTAB降低了
作者贡献声明
李炳硕：监督、概念设计。王健：写作——审稿与编辑。杨天华：写作——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念设计。姚通：写作——初稿撰写、方法学研究、实验设计、概念设计。李润东：项目管理、实验研究。张海军：资源支持。
利益冲突声明
本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表。本研究工作不归任何营利性实体所有，也未为其开展。作者们与本研究工作无任何财务利益关系。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（编号52176195）和辽宁省高校的基础研究基金的财政支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
