日本柳杉木质纤维素同步酶解粉碎（SESC）过程中木质素及木质素-多糖复合物的化学特性研究

本研究针对传统热化学法分离木质素存在结构破坏严重、功能丧失的问题，开发了同步酶解粉碎（SESC）技术，通过湿法珠磨物理解缠结合酶处理，从日本柳杉中高效提取了结构完整、功能多样的木质素（SESC-lignin）及木质素-多糖复合物（SESC-LPC）。结果表明，SESC-lignin得率达80.7%，显著高于传统磨木木质素（20%），且保留了天然木质素的紫外屏蔽、自由基吸收及热稳定性等特性，为木质素的高值化利用和可持续生物质精炼提供了新策略。

　　

木质素作为植物细胞壁的重要组成部分，是自然界中储量仅次于纤维素的生物质资源，具有赋予植物机械强度、疏水通道构建及紫外线吸收等多重功能。近年来，随着化石燃料替代与循环经济理念的兴起，木质素作为可再生芳香聚合物资源受到广泛关注。然而，其工业化应用仍面临巨大挑战：传统热化学分离方法（如 Kraft 法、有机溶剂法等）需在高温、强酸/强碱条件下进行，导致木质素化学结构发生显著变化，分子量降低，β-O-4键大量断裂并通过缩合反应形成新的化学键，最终得到结构与天然木质素截然不同的产物。这种变性木质素不仅丧失了天然木质素的高功能特性，作为酚类化合物来源的价值也大幅降低。因此，开发一种温和、高效且能保持木质素天然结构与功能的分离技术，成为木质素资源化利用的关键瓶颈。

针对这一难题，日本森林综合研究所的研究团队开发了一种创新性的同步酶解粉碎（Simultaneous Enzymatic Saccharification and Comminution, SESC）技术，并利用日本柳杉（Cryptomeria japonica）为原料，系统研究了 SESC 过程中所得产物的化学特性。相关研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上，为木质纤维素生物质的高值化利用提供了新思路。

该研究主要采用了以下关键技术方法：1. 湿法珠磨系统：使用LMZ015珠磨机，以氧化锆增强氧化铝珠为研磨介质，对日本柳杉木粉进行物理解缠，破坏细胞壁结构，暴露纤维素、半纤维素和木质素；2. 酶解处理：使用商业纤维素酶（GODO-Cellulase F）和本研究通过异源表达制备的木聚糖酶混合物（含GH10 Xyl10A、GH11 Xyl11C和GH3 Bxy3B）进行特异性降解；3. 产物分级与表征：通过离心分离得到不同产物（DCL、SESC-LPC、SESC-lignin），并采用激光粒度分析、残糖分析（NREL标准方法）、以及凝胶态异核单量子相干核磁共振（HSQC-NMR）等技术对其化学结构、组成和功能特性进行了系统分析。

3.1. 浆料的形态与粒径

通过珠磨与酶解相结合，研究团队成功制备了三种不同特性的产物：未经酶处理的解缠柳杉木质纤维素（DCL）、使用木聚糖酶处理得到的木质素-多糖复合物（SESC-LPC）以及使用纤维素酶和半纤维素酶处理得到的SESC-木质素（SESC-lignin）。直观显示，DCL为高粘度奶油状物质，能保持其形状不流动；SESC-LPC为粘性悬浮液，倾倒时缓慢流动；SESC-lignin则为低粘度、略带红棕色的悬浮液，倾倒时立即流动。粒度分析表明，SESC-lignin的平均粒径最小（0.42 μm），远小于初始木粉悬浮液（72.28 μm），表明SESC过程能有效细化材料。

3.2. 残糖分析

残糖组分分析揭示了不同酶处理策略的选择性降解效果。SESC-LPC的选择性降解效果尤为突出，其残糖总量占固形物的55.89%，其中纤维素（葡聚糖）占比高达47.42%，而半纤维素糖（阿拉伯聚糖、半乳聚糖、木聚糖、甘露聚糖）总和仅占8.47%，表明超过60%的半纤维素被特异性去除，纤维素则被大量保留。相比之下，SESC-lignin的残糖总量仅为9.01%，其中纤维素仅剩1.68%（去除率超94%），半纤维素糖剩7.33%，表明绝大部分多糖被去除，得到了富含木质素的产物。

3.3. HSQC-NMR分析

HSQC-NMR分析从分子层面揭示了SESC处理过程中木质素结构的变化。结果表明，无论是初始木粉、DCL、SESC-LPC还是SESC-lignin，其木质素的主要结构单元（愈创木基G、对羟基苯基H）和关键连接键（如β-O-4、β-5、β-β）的谱图信号均得以保留，且各连接方式的比例与已报道的磨木木质素（MWL）相似。特别是在SESC-lignin中，清晰地检测到了在其它样品中未明显出现的稀有结构（如二苯并二噁英，5-5/4-O-β）的信号，这可能是由于木质素相对浓度提高所致。此外，在SESC-lignin中还检测到来自蛋白质（如苯丙氨酸、酪氨酸）的信号，推测是酶处理过程中酶蛋白非特异性吸附在木质素上所致。重要的是，谱图中未出现α-羰基结构信号，表明在整个SESC过程中没有发生氧化反应，木质素的化学结构得到了很好的保留。FT-IR光谱分析也佐证了这一点，珠磨处理后没有新的特征峰出现。

4. 讨论与结论

该研究通过系统的表征分析证实，SESC技术是一种高效、环保的木质纤维素分离方法。其核心优势在于：1. 结构完整性：全程在温和（无热、无强化学处理）条件下进行，通过物理珠磨解缠和酶促特异性降解，最大限度地保留了木质素的天然化学结构，其连接键类型和比例与磨木木质素（MWL）高度相似；2. 高得率：SESC-lignin的木质素得率高达80.7%，远高于传统MWL提取方法（约20%）；3. 功能多样性：由于结构得以保留，SESC-lignin完美继承了天然木质素的多种功能特性，如紫外线屏蔽、自由基吸收、热稳定性和增强材料刚性等，这为其在功能材料（如紫外屏蔽膜、抗氧剂、复合材料增强相）中的应用奠定了基础；4. 过程绿色化与产物多元化：SESC过程不产生有害废物，其副产物糖液可直接用于微生物发酵生产沼气或乙醇，甚至可酿造具有木材风味的饮用酒精饮料，实现了全组分利用。此外，通过选择不同的酶组合，SESC技术还能灵活地生产特定组分（如选择性去除半纤维素的SESC-LPC），展现了其在生物质精炼中的巨大应用潜力。

尽管SESC工艺的初始设备投资和运行能耗较高，但研究者展望未来可通过集成可再生能源（如水力、风力驱动）来显著降低其环境影响和成本。综上所述，SESC过程能够以高得率分离出结构完整、功能丰富的木质素，为下一代可持续木质纤维素生物质利用策略提供了有效的技术方案，有望推动木质素从“燃料”向“功能材料”的转变，在材料科学、能源和化工等领域发挥重要作用。