《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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協同水楊酸-乙二醇/水預處理系統通過選擇性斷裂β-O-4鍵和木質素-碳水化合物復合物（LCCs），結合乙二醇的α-羥基烷基化作用抑制木質素重聚，實現蘆葦高效脫 lignin（81.21%）并保留纖維素結晶度，使酶解效率達94.75%，發酵產乙醇66.97%。
雙王|徐文陽|陶業涵|胡金文|杜健|盧杰|呂雅娜|傅成龍|李斌|王海松
中國大連理工大學輕工與化學工程學院，木質纖維素化學與生物材料遼寧重點實驗室，木質纖維素生物精煉遼寧協同創新中心，大連，116034
摘要
高效且無抑制劑的分離木質纖維素生物質仍然是推進可持續生物精煉的核心挑戰，這主要是由于木質素本身的頑固性及其強烈的酸催化再聚合傾向。本文報道了一種協同作用的水楊酸-乙二醇/水（SA-EG/H?O）預處理系統，該系統能夠實現蘆葦木質纖維素的清潔、結構保留性分解。這種三元介質通過兩種協同機制發揮作用：水楊酸促進β-O-4鍵和木質素-碳水化合物復合物（LCCs）的選擇性斷裂，而乙二醇通過α-羥基烷基化穩定活性木質素片段，從而有效抑制再聚合并保留天然木質素結構。這種綜合策略實現了81.21%的脫木質素率，顯著提高了纖維的孔隙率和表面可及性，并大幅減少了非生產性酶的吸附，使得纖維素水解效率達到94.75%。隨后的半同步糖化與發酵（S-SSF）過程產生了66.97%的乙醇，且未產生可檢測到的發酵抑制劑。多尺度表征證實了關鍵木質素鍵的選擇性斷裂、纖維素結晶度的保持以及抑制縮合的木質素中間體的穩定。這一綠色且可擴展的預處理框架為抑制木質素再聚合提供了機制上的見解，并為從蘆葦和其他草本原料中分離高價值組分和生產生物燃料建立了廣泛適用的平臺。
引言
木質纖維素生物質是地球上最豐富的可再生碳資源之一，作為化石基替代品，在生產燃料和生物衍生化學品方面受到了全球關注[1]、[2]。然而，其價值化受到其層次結構固有頑固性的根本限制。纖維素微纖絲緊密嵌入半纖維素和木質素的基質中，而廣泛的共價鍵——特別是木質素-碳水化合物復合物（LCCs）——增強了植物細胞壁的結構剛性[3]、[4]。因此，有效的預處理必須同時破壞多種相互作用網絡，理想情況下應在溫和且環境友好的條件下進行[5]。然而，β-O-4芳基醚鍵的穩定性和木質素在酸誘導下的縮合傾向嚴重阻礙了高效糖化和下游處理所需的清潔分離[6]。
已經探索了多種預處理技術來克服這些障礙，包括酸/堿催化、有機溶劑分離和離子液體基系統[7]。其中，稀酸和堿處理由于成本效益高和脫木質素能力強而最具工業可行性[8]、[9]。然而，傳統的酸預處理常常引發嚴重的木質素縮合、過度的半纖維素降解以及大量偽木質素的生成，最終降低酶的消化率并產生發酵抑制劑[10]。無機酸如H?SO?還會引發腐蝕問題、原子經濟性差和廢水處理負擔重，因此研究興趣轉向了更環保的有機酸[11]。水楊酸（SA）作為一種芳香族酚類化合物，具有獨特優勢：其酚羥基可以穩定活性木質素中間體，同時促進LCCs的選擇性斷裂[12]。然而，單獨使用有機酸不足以抑制熱化學預處理過程中發生的復雜木質素再聚合事件[13]。相比之下，保留較多β-O-4結構的木質素——通常被稱為“天然樣”或“低縮合”木質素——表現出更強的催化解聚能力，并在基于生物的粘合劑等增值應用中表現更好[14]、[15]。
最近的進展表明，將多元醇整合到酸預處理系統中可以有效穩定木質素解聚過程中形成的芐基碳正離子中間體，從而抑制縮合路徑[16]、[17]。特別是乙二醇（EG），它結合了低成本、高沸點和強木質素溶解能力的優點，使其成為生物質分離的有前景的共溶劑[18]。通過豐富的羥基，EG與木質纖維素中的氫鍵位點競爭，破壞LCC網絡，增強木質素片段的溶解度，同時減少酶對木質素表面的非生產性吸附[19]。重要的是，將EG與水結合使用可以在保持強預處理效果的同時顯著改善工藝經濟性[10]。生命周期評估（LCA）顯示，原料組成對乙醇產率有顯著影響，低木質素和富含纖維素/半纖維素的材料表現最佳[20]。
蘆葦（Phragmites australis）是一種豐富的多年生草本植物，由于其高多糖含量和廣泛的可用性，被認為是生產生物乙醇的有希望的原料[21]。全球蘆葦年產量超過7000萬噸，其中中國作為主要生產國，每年貢獻約200萬噸[22]。然而，其顯著的木質化程度和密集的組織結構使其比許多農業殘余物或硬木更難處理，需要針對其獨特的物理化學特性定制預處理策略[23]。因此，有效的蘆葦分離需要一種既能強烈破壞木質素結構又能同時抑制縮合現象的預處理系統。
為了解決這些挑戰，我們引入了一種協同作用的水楊酸-乙二醇/水（SA-EG/H?O）預處理系統，該系統結合了選擇性有機酸催化和多元醇輔助穩定。在這種三元介質中，SA促進β-O-4鍵和LCCs的選擇性斷裂，而EG通過α-羥基烷基化穩定活性木質素片段，從而抑制再聚合并保留天然結構特征。這種策略實現了一步法將生物質分離為富含纖維素的固體、半纖維素衍生的寡糖和適合高價值利用的低縮合木質素。此外，響應面方法（RSM）被用來闡明SA濃度、溫度和EG/H?O比例之間的相互作用，并優化預處理條件以實現最大的葡聚糖保留率和脫木質素效率。總體而言，這項工作為抑制木質素再聚合和推進蘆葦及其他草本原料的生物精煉建立了機制和實用框架。
材料與化學品
從中國遼寧省盤錦市采集的蘆葦（Phragmites australis）被切成4-7厘米的段，自然風干后儲存于袋中。使用前測得其含水量為9.07%。根據NREL/TP-510-42618標準進行的成分分析確認，原始蘆葦含有36.40%的纖維素、25.92%的半纖維素和20.73%的木質素。分析級水楊酸（SA，99.5%）和乙二醇（EG，98%）購自天津凱米化學試劑有限公司。
SA-EG/H?O預處理系統的構建與性能
為了明確關鍵操作參數對SA-EG/H?O系統分離性能的影響，首先進行了單因素實驗，改變了水楊酸濃度、反應溫度、預處理時間和EG/H?O比例（圖1）。未經處理的蘆葦含有36.40%的葡聚糖、25.92%的木聚糖和20.73%的木質素，作為成分基準。
在固定條件（155°C，60分鐘，EG/H?O = 1:1）下，將SA濃度從10%增加到20%會導致...
結論
本研究表明，協同作用的水楊酸-EG/H?O預處理提供了一種高效且選擇性的蘆葦分離方法。水楊酸的催化作用與乙二醇的穩定能力相結合，實現了顯著的木質素去除（81.21%），同時保留了大部分纖維素，從而產生了高消化性的原料。結構分析證實β-O-4鍵和LCC鍵被有效斷裂，EG介導的α-羥基烷基化...
CRediT作者貢獻聲明
雙王：監督、軟件開發、實驗研究、撰寫——審閱與編輯、初稿撰寫。徐文陽：實驗研究。陶業涵：軟件開發。胡金文：監督。盧杰：項目管理、撰寫——審閱與編輯。呂雅娜：軟件開發。傅成龍：實驗研究。李斌：項目管理。王海松：項目管理、撰寫——審閱與編輯、初稿撰寫。杜健：初稿撰寫。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了中國自然科學基金（編號W2412117、22208038和22208040）和遼寧省高等學校基本科研業務費（編號LJ112410152029、LJ222410152030和LJ212410152038）的支持。
