通过木质素表面钝化和水环境调节的双重机制，在低酶剂量下显著提升了预处理小麦秸秆的高固体水解效率

高分子添加剂通过竞争性吸附和熵驱动水调控协同提高高压载木质素酶解效率，其中PVA显著降低非生产性吸附（60.02%），PEG4000使系统粘度下降88.5%，为工业优化添加剂配比提供理论依据。

　　

作者：翁如、顾圆佳、张荣、余昌、范宇阳、郑赵娟、欧阳佳

单位：中国人民共和国南京林业大学森林食品资源开发利用国家重点实验室

摘要

在高固体负荷下，木质纤维素生物质的酶解过程受到传质效率低下和酶用量过高的阻碍。本研究采用了两种聚合物添加剂——聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇4000（PEG4000），以改善在高固体负荷（15% w/w）和低酶用量（2.7 FPU/g干基质）条件下经稀酸预处理的小麦秸秆（PWS）的糖化效果。通过多尺度表征方法发现，这两种添加剂通过不同的机制克服了水解过程中的各种障碍。PVA主要通过竞争性阻断木质素表面，减少了非生产性酶吸附，降低了60.02%；而PEG4000则通过熵驱动的相互作用改变水相微环境，分散酶聚集体并释放受限水分，使体系粘度降低了88.5%。添加PVA后，PWS的纤维素转化率从58.2%提高到81.3%，添加PEG4000后提高到70.3%。对聚合物添加剂的结构-功能关系的理解为添加剂的选择提供了科学依据：在以非生产性吸附为主的过程中，PVA效果最佳；而在传质受限的情况下，PEG4000更为有效。本研究为工业木质纤维素生物加工中聚合物添加剂的选择和应用奠定了理论基础。

引言

将木质纤维素生物质（LCB）转化为可发酵糖类是可持续生物精炼的基本过程，但其经济可行性受到生物质本身抗性及酶解成本高的限制[1]。小麦秸秆作为最丰富的农业废弃物之一，具有巨大潜力，但其实际应用受限于较低的糖化效率[2]。在高固体负荷（>15% w/w）条件下，这一挑战尤为突出[3]。虽然高固体操作可以提高产品浓度并降低下游成本，但“高固体效应”严重阻碍了其工业化应用。

已有研究表明，“高固体效应”主要表现为体系粘度急剧增加和传质效率显著下降，导致液化速度慢、可发酵糖产量低以及水解时间延长[4][5]。即使使用高达10–30 FPU/g的酶剂量，在15%–20%固体含量下，各种预处理木质纤维素生物质（如杨木、玉米秸秆、甘蔗渣和小麦秸秆）在96–120小时内的糖化率也仅达到60%–80%[5][6][7][8][9]。其主要瓶颈包括三个方面：1) 高固体浆液具有非牛顿流体特性，粘度高且屈服应力大，导致混合困难及传质受阻[10]；2) 生物质颗粒的多孔结构、界面性质及受限水分分布影响酶与底物的有效接触和扩散[11][12]；3) 大量水分被束缚在生物质基质中或固定在高粘度浆液中，严重限制了酶的扩散和反应所需自由水的可用性[13]。低场核磁共振（LF-NMR）等技术有助于量化这些不同状态的水分（结合水、固定水和自由水）及其在水解过程中的变化[11]；4) 传质速率与酶解速率不匹配[14]。为解决这些问题，目前通常采用分批操作，使反应在30%或更高固体含量下进行[15]。然而，即便如此，大多数报道的工艺仍需高酶用量（>10 FPU/g）和长时间水解（72–168小时）才能达到60%–80%的转化率，远未满足工业需求。因此，探索能够直接缓解高固体效应的核心障碍并实现低酶用量高效水解的新策略尤为紧迫。

在多种酶解强化策略中，添加剂的使用被认为是一种简单有效的方法[16]。表面活性剂（如Tween、PEG）和非催化蛋白（如BSA）已被证明能显著提高低至中等固体系统中的水解效率，通过改善纤维素的可及性、减少酶在木质素上的非生产性吸附及提高酶稳定性[17][18][19]。近年来，研究人员开始探索在高固体系统中的应用[20][21]。尽管已有研究表明这些传统添加剂的有效性，但最近的研究（过去五年内）主要证实了PEG作为流变改性剂的作用（缓解传质限制），以及BSA作为木质素表面物理阻滞剂的功能。例如，Wang等人采用PEG预处理方法，使屈服应力降低了36.9%–88.6%[22]；Mukasekuru等人结合BSA、Tween 80和茶皂素等添加剂及木聚糖酶和AA9辅助酶，采用分批操作，在20%固体含量下实现了83%的纤维素转化率，酶用量为3 FPU/g干基质[21]。这些结果展示了添加剂在高固体和低酶量系统中的巨大潜力。然而，大多数研究仍局限于单一或少数几种添加剂的简单组合。对于不同添加剂在高固体复杂环境中的作用机制及其相互影响的系统理解尚不充分，这阻碍了高效添加剂策略的开发。

本研究旨在填补这一空白，实现低酶用量（2.7 FPU/g干基质）下高固体（15%）条件下稀酸预处理小麦秸秆的高效酶解。选择聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇4000（PEG4000）两种代表性聚合物添加剂进行实验。据我们所知，这是首次系统研究PVA在高固体酶解中的作用和机制。通过多尺度实验方法，评估了它们对木质素吸附、界面性质、颗粒大小分布及传质行为的影响，阐明了它们在克服酶失活、非生产性吸附和传质限制等关键障碍中的具体作用机制，从而为聚合物添加剂在高固体加工中的应用提供了科学依据。

材料

预处理的小麦秸秆（PWS）通过1%硫酸在140°C下处理1小时获得。其成分依据美国国家可再生能源实验室（NREL）的标准分析方法测定[23]，具体组成如下：纤维素54.17%±0.41%，半纤维素5.57%±0.20%，木质素23.15%±0.16%，抽提物5.49%±0.01%，灰分11.32%±0.21%。使用前用水冲洗至pH值中性，然后储存备用。

添加剂介导的预处理小麦秸秆酶解

为保持95%的纤维素回收率，采用了较为温和的预处理方法，得到的PWS残渣中纤维素含量为54.17%，半纤维素5.57%，木质素23.15%。图1a显示了在不同酶用量（2.7、5.4、8.1 FPU/g干基质）和不同干固体浓度（5%–20% w/w）下PWS的糖化率。当固体浓度达到20%时，糖化率显著下降，这可能是由于“高固体效应”所致。

结论

本研究从多尺度界面工程角度探讨了PVA和PEG4000在促进稀酸预处理小麦秸秆（PWS）高固体酶解中的互补机制。数据表明，分子柔韧性较低的PVA通过同时占据木质素结合位点和覆盖酶表面，有效抑制了木质素与酶的吸附。然而，其效果有限。

作者贡献声明

翁如：撰写初稿、方法设计、数据整理。 顾圆佳：撰写初稿、方法设计。 张荣：方法设计、数据整理。 余昌：软件开发、数据分析。 范宇阳：撰写、审稿与编辑、资金争取、数据整理。 郑赵娟：撰写、审稿与编辑、数据分析。 欧阳佳：项目管理、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52506249）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20250690）以及中国国家重点研发计划（项目编号：2021YFC2101603）的支持。