综述：木质素-碳水化合物复合结构、其提取方法、表征特性以及对纤维素酶水解的影响：一篇综合性综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Lignin–carbohydrate complex structures, their extraction, characterization, and impact on cellulase hydrolysis: A comprehensive review

木质素-碳水化合物复合物（LCC）的结构特性（如碳水化合物类型、木质素单元比例、键合类型及分子量）显著影响纤维素酶解效率，其双重作用（促进或抑制）需通过多维度结构参数分析揭示。当前LCC提取方法标准化不足，表征技术存在信号重叠和溶剂依赖等局限，导致对LCC结构-酶解机制的理解碎片化。本文系统整合LCC结构特征与酶解效率关系，提出基于机器学习构建结构参数与酶解效率预测模型的未来方向。

　　

陈虹|陈子健|王思佳|李欣月|兰天晴|傅向进|林秦璐

中南林业科技大学食品科学与工程学院，中国长沙天心区，410004

摘要

木质纤维素作为一种可再生原料，其中含有的纤维素可以通过纤维素酶水解为可发酵的糖类，用于生物燃料和化学品的生产。然而，木质素-碳水化合物复合物（LCC）会显著抑制酶的水解效率，因为它阻碍了酶对底物的接触。本文系统总结了来自非木质、硬木和软木来源的LCC的结构特征，并评估了提取和表征技术的适用性和挑战。重点分析了LCC的关键参数，包括碳水化合物类型、木质素单元比例、连接类型（如酯键、醚键和苯基苷键）以及分子量，以阐明它们对酶吸附和底物可及性的调节机制。这些见解最终揭示了LCC对酶水解的促进或抑制作用。与以往仅简要提及LCC对酶水解抑制作用或仅关注LCC提取和应用的综述不同，本文具体探讨了LCC结构对酶水解的促进和抑制效应。旨在为开发能够定向调节LCC结构的预处理策略提供指导，从而精确提高木质纤维素的酶水解效率。

引言

木质纤维素是自然界中最丰富的可再生资源，主要由纤维素（30–50%）、半纤维素（20–35%）和木质素（15–30%）组成[1] [2]。纤维素可以通过纤维素酶水解为可发酵的糖类，进而用于生产生物燃料和高价值化学品[3] [4]。然而，酶水解效率低和成本高的问题仍然存在[5] [6]。这是因为纤维素、半纤维素和木质素通过化学键形成了木质素-碳水化合物复合物（LCC）[7] [8] [9] [10]。这些复合物阻碍了纤维素酶对底物的接触[11]，从而降低了酶水解效率并增加了酶的用量[12] [13]。

为了减轻LCC对纤维素酶水解的不利影响，研究人员提出了化学、物理和生物预处理方法来破坏木质素-碳水化合物连接，提高纤维素酶对底物的接触性，从而提高酶水解效率[14] [15] [16]。例如，Lei等人[17]使用阿魏酰酯酶切割甘蔗渣LCC中的酯键，从而提高了酶对底物的接触性，使酶水解效率从67.3%提高到91.5%；Li等人[18]使用十二烷基硫酸钠（SDS）与对甲苯磺酸（p-TsOH）联合处理油菜秸秆，破坏了LCC结构，使纤维素酶水解效率从37.6%提高到81.5%。尽管各种预处理方法已被证明可以通过破坏LCC结构来提高酶水解效率，但预处理的酶水解效果仍高度依赖于原料特性和工艺条件[19]。例如，在相同的水热预处理条件下，桦木和杨木中LCC连接（酯键和苯基苷键）的降解程度存在显著差异，导致它们的纤维素酶水解效率也有明显差异[20]。Shakeel等人[21]用不同的预处理方法（酸性和碱性）处理相同的杨木原料，得到的酶水解效率也大不相同（24.51%和74.35%）。总之，虽然预处理可以破坏LCC结构以提高纤维素酶对底物的接触性，但还不足以完全揭示LCC结构对纤维素酶水解的影响。这些研究表明，预处理可以通过破坏LCC结构来提高酶水解效率，但其效果受到原料特性和预处理过程的共同影响。目前预处理过程的优化仍依赖于经验筛选，难以实现精确控制。因此，全面分析原料中LCC的结构特征并系统阐明其对纤维素酶水解的影响模式是实现高效酶水解的关键前提。

然而，LCC结构的分析仍依赖于提取和表征，但现有方法和技术存在显著局限性。提取方法缺乏标准化，不同方法（如Bj?rkman方法和醋酸法）得到的LCC在组成、连接含量等方面存在显著差异[22] [23]。仅靠一种提取方法无法全面准确地揭示LCC的结构特征。表征技术（如核磁共振和凝胶渗透色谱）受到信号重叠和溶剂依赖性等因素的影响，难以准确捕捉结构细节[9] [24]。由于这些技术挑战，目前对不同植物来源的LCC结构的理解仍存在许多空白，导致关于其对酶水解影响的结论零散。

近年来，研究从LCC组成、LCC连接和LCC分子量的角度揭示了LCC结构对纤维素酶水解的潜在影响。就LCC组成而言，LCC中葡聚糖比例的增加提高了其对纤维素酶的吸附能力，从而影响酶水解效率[25]；同时，LCC中木质素桂酰单元（G）比例较高会导致纤维素酶的非生产性吸附增强，这对纤维素酶水解不利[26]。然而，S/G比对纤维素酶水解的影响仍存在争议[26] [27]。就LCC连接而言，破坏木质素和碳水化合物之间的连接（酯键、醚键、苯基苷键）可以提高酶对底物的接触性，从而提高酶水解效率[20]。此外，虽然破坏LCC中的半纤维素苷键有利于纤维素酶水解，但产生的产物可能会造成干扰[28] [29]。另外，虽然破坏木质素单元之间的连接有助于去除木质素，但游离木质素或缩合反应可能会抑制纤维素酶水解[30]。就LCC分子量而言，高分子量的LCC可能更容易吸附在纤维素表面，影响酶对底物的接触性[31]；此外，作为LCC的组成部分，木质素根据其分子量的不同表现出相反的效果，高分子量的碱性木质素可能促进纤维素酶水解[32]，而低分子量的硫酸木质素对纯纤维素的酶水解抑制作用较小[33]。总之，目前关于LCC结构对酶水解影响的研究发现大多零散且相互矛盾，缺乏一个整合多维结构参数的“机制框架”来阐明其促进或抑制机制。

基于上述背景，本文重点关注“LCC结构对纤维素酶水解的影响”，以系统整合相关研究。与以往主要关注LCC提取、应用或其对酶水解抑制作用的综述不同，本文从结构-酶相互作用机制的角度全面分析了LCC结构的双重效应——抑制和促进作用。旨在为开发定向调节LCC结构的预处理策略提供指导，从而精确提高木质纤维素的酶水解效率。首先，总结了来自不同植物来源的LCC的结构特征，为LCC结构-酶水解研究提供结构数据支持。其次，评估了LCC提取和表征方法的适用性和局限性。随后，重点分析了LCC组成、连接类型和多维结构参数（如分子量）对酶水解的促进、抑制或无显著影响的作用机制。最后，提出未来研究可以结合机器学习方法和LCC结构数据及工艺参数来构建酶水解效率的预测模型。这将为定向调节LCC结构和优化各种木质纤维素酶水解过程提供预测性指导，从而推动木质纤维素的高价值综合利用。

节选

不同植物来源的LCC结构特征

不同植物来源的LCC在组成、连接和分子量方面存在显著差异（表1）。了解这些结构差异有助于理解它们对纤维素酶水解的不同影响[34]。分析和总结来自非木质植物、硬木和软木的LCC的结构特征，可以为研究LCC结构对纤维素酶水解的影响奠定基础

LCC的提取方法

不同的提取方法决定了观察到的LCC结构，从而影响对其对纤维素酶水解影响的解释。由于现有分析技术的局限性，很难直接确定木质纤维素材料中LCC的精细结构，如其组成、连接类型和连接含量[35]。因此，提取是分离适合结构表征的LCC组分的关键步骤。

LCC结构表征技术

LCC结构表征技术是分析其组成、连接和分子量特征的重要工具。这些方法为研究LCC结构如何影响纤维素酶水解提供了基础支持。目前常用的技术可以分为组成表征、连接表征、分子量表征和辅助表征技术，包括湿化学方法等

LCC结构对纤维素酶水解的影响

LCC是天然木质纤维素中的基本结构单元，由木质素和碳水化合物通过各种化学键连接而成。它在生物质中以交联网络的形式存在，显著影响纤维素酶对底物的识别、结合和催化水解。近年来的研究表明，LCC在构建底物结构稳定性、调节酶结合界面以及干扰纤维素酶水解过程中起着关键作用

结论与展望

木质纤维素是自然界中最丰富且有前景的可再生碳资源之一。纤维素酶水解是将木质纤维素转化为生物燃料和生物基化学品的关键步骤，直接决定了酶的消耗量、能源消耗水平以及整个生物精炼过程的经济可行性和工业可行性。它对于减少对化石资源的依赖和促进低碳发展具有重要的战略意义。

CRediT作者贡献声明

陈虹：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。陈子健：撰写——审稿与编辑。王思佳：撰写——审稿与编辑。李欣月：撰写——审稿与编辑。兰天晴：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思。傅向进：撰写——审稿与编辑，监督。林秦璐：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了湖南省自然科学基金（项目编号：2023JJ30985）的支持。