将杨木锯末中的酶解木质素进行转化，用于合成表面活性剂，从而显著提升预处理和酶解效果

《Biochemical Engineering Journal》：Valorization of enzymatic lignin from poplar sawdust for synthesizing surfactants to commendably advance pretreatment and enzymatic hydrolysis outcomes

残余酶解木质素磺酸盐制备及其对杨木水解热预处理和酶解效率的协同增强作用，提出闭环资源利用策略。

　　

钱浩杰|王新月|环金鑫|郭树琪|何宇才|唐伟

中国江苏省常州市常州大学药学院与生物与食品工程学院，邮编213164

摘要

高效利用残余酶解木质素（EHL）是生物精炼过程中的一个关键瓶颈。本研究通过磺化作用将杨木锯末（PS）中的EHL转化为酶解木质素磺酸盐（SEHL），并将其作为功能性添加剂用于增强杨木锯末的水热预处理（HP）。结果表明，在HP过程中添加40克/升的SEHL可将木质素去除率从28.1%提高到44.1%，这得益于其表面活性剂特性，该特性能够抑制木质素的再聚合并促进其溶解。添加20克/升的SEHL时，木糖寡糖（XOS，聚合度2–6）的产率从34.2%上升至51.6%，同时减轻了木聚糖的过度降解，并保持了温和的酸性环境，从而使酶解效率提高到48.2%。此外，在酶解过程中添加5克/升的SEHL可进一步提高效率至66.1%，原因是SEHL能够稳定纤维素酶的活性并减少非特异性木质素-酶吸附。本研究提供了一种通过闭环工艺实现高价值EHL利用的新策略，并为通过集成预处理-酶解系统优化木质纤维素生物转化提供了见解，提升了杨木锯末生物精炼的经济可行性。

引言

能源危机，加上雾霾和日益严重的环境污染，尤其是不可避免的温室效应，迫切需要探索可再生能源来替代化石燃料[1]、[2]。人们高度关注通过生物精炼过程将生物质转化为可再生生物燃料和生物产品，以应对这一挑战[3]、[4]。杨树作为一种公认的快速生长树种，在木材资源供应中发挥着重要作用。然而，杨木在各种木材加工厂的处理过程中会产生大量的杨木锯末（PS），这是一种具有潜力的木质纤维素资源，可用于生物精炼应用[5]。实现PS中主要成分葡聚糖的高效生物转化已成为其生物精炼过程中的关键目标[6]。由于PS复杂的物理化学性质（与其他木质纤维素材料类似），这些性质极大地阻碍了酶解的效率[7]、[8]。因此，必须采用预处理方法来克服这些顽固的障碍，提高纤维素的可利用性，从而实现高效的糖化[9]。

预处理方法包括机械处理、物理处理、化学处理和生物处理，以及它们的各种组合[10]、[11]。值得注意的是，水热预处理（HP）是一种环境友好的技术，仅使用水作为处理介质，从而无需额外的化学物质。这一特点不仅提高了成本效益，还降低了设备腐蚀的风险，延长了设备的使用寿命[12]、[13]。从原料角度来看，木聚糖是PS中半纤维素主链和支链的主要聚合形式[14]。这意味着在PS的水热预处理过程中，木聚糖可以同时产生木糖和木糖寡糖（XOS）等终端产物，这些产物具有很高的生物价值[15]、[16]。大量研究表明，HP过程可以有效促进半纤维素的直接溶解及其转化为糖类（如阿拉伯糖、木糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖），进而产生一系列具有工业价值的副产品[17]、[18]、[19]。然而，不可否认的是，HP在木质素去除效率上存在局限性，酶解后仍会残留大量木质素，这明显限制了其在生物精炼领域的进一步应用[20]。

表面活性剂预处理技术的进步显示出在预处理阶段提高木质素溶解效率的巨大潜力[21]。冯等人采用了一种结合金属离子和表面活性剂的协同方法来预处理PS，从而提高了还原糖的转化效率[22]。陈等人使用阳离子表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵与O-羟基苯甲酸结合处理玉米秸秆，显著提高了木质素去除率至77.2%[23]。张等人发现，在离子液体预处理过程中添加1%的十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵，分别实现了49%和34%的脱木质素效果[24]。这些研究表明，表面活性剂可以显著增强木质素在水相中的疏水性，从而促进其溶解。此外，许多研究证实，表面活性剂通过稳定酶活性、防止木质素吸附和提高底物可利用性，对木质纤维素的酶解具有积极影响[25]、[26]。鉴于表面活性剂在预处理和酶解过程中的双重作用，研究木质素衍生表面活性剂是否同样具有溶解木质素的能力具有重要的意义，这是一个值得进一步探索的领域。酶解木质素磺酸盐（SEHL）是一种传统的表面活性剂，由木质素磺化制得。它广泛用于聚合物和混凝土中，具有成本效益和环境兼容性等优点。我们之前的研究表明，SEHL作为酶解的增强剂，可以通过稳定酶活性和抑制非特异性木质素吸附来显著提高酶解效率[27]。此外，SEHL还可以在酸性或碱性预处理过程中有效降低木质素含量并提高酶解效率[28]。唐等人的研究发现，在过氧化氢碱性水热预处理小麦秸秆的过程中添加15克/升的木质素磺酸盐钠，72小时内纤维素的消化率可提高到83.5%[28]。蔡等人在纤维素酶酶解过程中同时使用CTAB和木质素磺酸盐，显著提高了木质纤维素的酶解效率，从27.1%提高到71.0%[29]。另外，唐等人在另一项研究中使用40克/升的木质素磺酸盐钠和4克/升的H?SO?共同预处理杨木锯末（PS），实现了木质素和木聚糖的有效去除，去除率分别达到49.7%和80.5%，酶解效率从22.4%提高到66.9%；进一步在酶解系统中添加5克/升的木质素磺酸盐钠后，酶解效率进一步提高到72.8%[27]。因此，为了提高PS水热预处理技术的经济可行性，本研究提出将HP过程中产生的酶解木质素（EHL）转化为可溶性的SEHL。SEHL可以作为HP的辅助剂，从而促进高效的脱木质素，为PS的生物精炼提供了一种闭环策略。

在这项工作中，首先对PS进行了水热预处理和酶解。然后利用酶解后的残渣制备SEHL，并将其作为添加剂来提高HP的效率，同时监测整个过程中的木质素去除率和XOS分布，以评估SEHL对HP性能的影响。最终，基于PS的酶解效率，通过物料平衡方法对整个系统进行了评估，为酶解残渣的资源和HP的闭环过程利用提供了新的策略和见解。

部分摘录

材料

PS来自中国江苏省宿迁市的一家木材加工厂。收集的PS经过干燥和粉碎后，通过筛分得到粒径在20至80目之间的颗粒。纤维素酶（Cellic? Ctec2，滤纸酶活度为220 FPU/g）购自诺维信公司（美国富兰克林）。Direct Red 28购自西格玛-奥德里奇公司（中国上海）。NaOH和Na?SO?由上海新华化工试剂有限公司提供。

PS的预处理

PS和

EHL和SEHL中官能团的测定

SEHL是通过EHL的磺化制备的，SEHL中的-SO?H、-OH和-COOH含量通过Boehm滴定法测定。如图1a所示，EHL中含有0.06毫米摩尔/克的-SO?H、1.04毫米摩尔/克的-OH和0.19毫米摩尔/克的-COOH。这些基团在EHL中的质量比例分别为0.5%、1.8%和0.8%。这表明天然木质素含有许多适合进一步化学改性的活性官能团。磺化后，-SO?H的含量

结论

本研究创新性地提出了一种杨木锯末水热预处理的闭环操作方案。通过使用PS进行木质素的酶解制备了SEHL，并将其应用于水热预处理中。实验结果表明，SEHL显著提高了木质素的去除率，并显著增加了XOS的产率。因此，酶解效率从HP的48.2%提高到了66.1%。基于PS及其木质素的结构分析，可以确定SEHL

CRediT作者贡献声明

何宇才：撰写 – 审稿与编辑。郭树琪：数据分析、数据管理。唐伟：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、资金筹集。钱浩杰：撰写 – 初稿撰写、资源管理、项目规划。环金鑫：结果验证、软件应用。王新月：结果验证、软件应用。

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

作者感谢国家自然科学基金青年项目（32301531）、江苏省前沿科学技术项目（BF2025080）、江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究项目（23KJB220001）、常州市“龙城人才计划”第四批领军型创新人才引进项目（CQ20230084）等对这项工作的财政支持。