《International Journal of Biological Macromolecules》：Synergistic phenolic acid-ethylene glycol pretreatment for enhanced saccharification and ethanol fermentation of reed through suppressed lignin repolymerization
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协同水杨酸-乙二醇/水预处理系统通过选择性断裂β-O-4键和木质素-碳水化合物复合物（LCCs），结合乙二醇的α-羟基烷基化作用抑制木质素重聚，实现芦苇高效脱 lignin（81.21%）并保留纤维素结晶度，使酶解效率达94.75%，发酵产乙醇66.97%。
双王|徐文阳|陶业涵|胡金文|杜健|卢杰|吕雅娜|傅成龙|李斌|王海松
中国大连理工大学轻工与化学工程学院，木质纤维素化学与生物材料辽宁重点实验室，木质纤维素生物精炼辽宁协同创新中心，大连，116034
摘要
高效且无抑制剂的分离木质纤维素生物质仍然是推进可持续生物精炼的核心挑战，这主要是由于木质素本身的顽固性及其强烈的酸催化再聚合倾向。本文报道了一种协同作用的水杨酸-乙二醇/水（SA-EG/H?O）预处理系统，该系统能够实现芦苇木质纤维素的清洁、结构保留性分解。这种三元介质通过两种协同机制发挥作用：水杨酸促进β-O-4键和木质素-碳水化合物复合物（LCCs）的选择性断裂，而乙二醇通过α-羟基烷基化稳定活性木质素片段，从而有效抑制再聚合并保留天然木质素结构。这种综合策略实现了81.21%的脱木质素率，显著提高了纤维的孔隙率和表面可及性，并大幅减少了非生产性酶的吸附，使得纤维素水解效率达到94.75%。随后的半同步糖化与发酵（S-SSF）过程产生了66.97%的乙醇，且未产生可检测到的发酵抑制剂。多尺度表征证实了关键木质素键的选择性断裂、纤维素结晶度的保持以及抑制缩合的木质素中间体的稳定。这一绿色且可扩展的预处理框架为抑制木质素再聚合提供了机制上的见解，并为从芦苇和其他草本原料中分离高价值组分和生产生物燃料建立了广泛适用的平台。
引言
木质纤维素生物质是地球上最丰富的可再生碳资源之一，作为化石基替代品，在生产燃料和生物衍生化学品方面受到了全球关注[1]、[2]。然而，其价值化受到其层次结构固有顽固性的根本限制。纤维素微纤丝紧密嵌入半纤维素和木质素的基质中，而广泛的共价键——特别是木质素-碳水化合物复合物（LCCs）——增强了植物细胞壁的结构刚性[3]、[4]。因此，有效的预处理必须同时破坏多种相互作用网络，理想情况下应在温和且环境友好的条件下进行[5]。然而，β-O-4芳基醚键的稳定性和木质素在酸诱导下的缩合倾向严重阻碍了高效糖化和下游处理所需的清洁分离[6]。
已经探索了多种预处理技术来克服这些障碍，包括酸/碱催化、有机溶剂分离和离子液体基系统[7]。其中，稀酸和碱处理由于成本效益高和脱木质素能力强而最具工业可行性[8]、[9]。然而，传统的酸预处理常常引发严重的木质素缩合、过度的半纤维素降解以及大量伪木质素的生成，最终降低酶的消化率并产生发酵抑制剂[10]。无机酸如H?SO?还会引发腐蚀问题、原子经济性差和废水处理负担重，因此研究兴趣转向了更环保的有机酸[11]。水杨酸（SA）作为一种芳香族酚类化合物，具有独特优势：其酚羟基可以稳定活性木质素中间体，同时促进LCCs的选择性断裂[12]。然而，单独使用有机酸不足以抑制热化学预处理过程中发生的复杂木质素再聚合事件[13]。相比之下，保留较多β-O-4结构的木质素——通常被称为“天然样”或“低缩合”木质素——表现出更强的催化解聚能力，并在基于生物的粘合剂等增值应用中表现更好[14]、[15]。
最近的进展表明，将多元醇整合到酸预处理系统中可以有效稳定木质素解聚过程中形成的苄基碳正离子中间体，从而抑制缩合路径[16]、[17]。特别是乙二醇（EG），它结合了低成本、高沸点和强木质素溶解能力的优点，使其成为生物质分离的有前景的共溶剂[18]。通过丰富的羟基，EG与木质纤维素中的氢键位点竞争，破坏LCC网络，增强木质素片段的溶解度，同时减少酶对木质素表面的非生产性吸附[19]。重要的是，将EG与水结合使用可以在保持强预处理效果的同时显著改善工艺经济性[10]。生命周期评估（LCA）显示，原料组成对乙醇产率有显著影响，低木质素和富含纤维素/半纤维素的材料表现最佳[20]。
芦苇（Phragmites australis）是一种丰富的多年生草本植物，由于其高多糖含量和广泛的可用性，被认为是生产生物乙醇的有希望的原料[21]。全球芦苇年产量超过7000万吨，其中中国作为主要生产国，每年贡献约200万吨[22]。然而，其显著的木质化程度和密集的组织结构使其比许多农业残余物或硬木更难处理，需要针对其独特的物理化学特性定制预处理策略[23]。因此，有效的芦苇分离需要一种既能强烈破坏木质素结构又能同时抑制缩合现象的预处理系统。
为了解决这些挑战，我们引入了一种协同作用的水杨酸-乙二醇/水（SA-EG/H?O）预处理系统，该系统结合了选择性有机酸催化和多元醇辅助稳定。在这种三元介质中，SA促进β-O-4键和LCCs的选择性断裂，而EG通过α-羟基烷基化稳定活性木质素片段，从而抑制再聚合并保留天然结构特征。这种策略实现了一步法将生物质分离为富含纤维素的固体、半纤维素衍生的寡糖和适合高价值利用的低缩合木质素。此外，响应面方法（RSM）被用来阐明SA浓度、温度和EG/H?O比例之间的相互作用，并优化预处理条件以实现最大的葡聚糖保留率和脱木质素效率。总体而言，这项工作为抑制木质素再聚合和推进芦苇及其他草本原料的生物精炼建立了机制和实用框架。
材料与化学品
从中国辽宁省盘锦市采集的芦苇（Phragmites australis）被切成4-7厘米的段，自然风干后储存于袋中。使用前测得其含水量为9.07%。根据NREL/TP-510-42618标准进行的成分分析确认，原始芦苇含有36.40%的纤维素、25.92%的半纤维素和20.73%的木质素。分析级水杨酸（SA，99.5%）和乙二醇（EG，98%）购自天津凯米化学试剂有限公司。
SA-EG/H?O预处理系统的构建与性能
为了明确关键操作参数对SA-EG/H?O系统分离性能的影响，首先进行了单因素实验，改变了水杨酸浓度、反应温度、预处理时间和EG/H?O比例（图1）。未经处理的芦苇含有36.40%的葡聚糖、25.92%的木聚糖和20.73%的木质素，作为成分基准。
在固定条件（155°C，60分钟，EG/H?O = 1:1）下，将SA浓度从10%增加到20%会导致...
结论
本研究表明，协同作用的水杨酸-EG/H?O预处理提供了一种高效且选择性的芦苇分离方法。水杨酸的催化作用与乙二醇的稳定能力相结合，实现了显著的木质素去除（81.21%），同时保留了大部分纤维素，从而产生了高消化性的原料。结构分析证实β-O-4键和LCC键被有效断裂，EG介导的α-羟基烷基化...
CRediT作者贡献声明
双王：监督、软件开发、实验研究、撰写——审阅与编辑、初稿撰写。徐文阳：实验研究。陶业涵：软件开发。胡金文：监督。卢杰：项目管理、撰写——审阅与编辑。吕雅娜：软件开发。傅成龙：实验研究。李斌：项目管理。王海松：项目管理、撰写——审阅与编辑、初稿撰写。杜健：初稿撰写。
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所述的工作。
致谢
本工作得到了中国自然科学基金（编号W2412117、22208038和22208040）和辽宁省高等学校基本科研业务费（编号LJ112410152029、LJ222410152030和LJ212410152038）的支持。
