《Biomass and Bioenergy》：Mechanistic insights into hydrothermal–kraft pretreatment: balancing the accessibility of cellulose in larch and condensation of lignin
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松木水热联合kraft预处理研究：优化水热强度对酶解效率的影响。研究发现单独kraft处理酶解产率为59.0%，联合水热预处理时产率先升后降（65.8%-44.3%）。180℃水热处理可有效去除87.5%半纤维素，提升纤维素可及性，但过度处理导致木质素缩合，抑制后续酶解。该研究揭示了水热预处理强度与酶解效率的关联机制，为软木多产品生物精炼提供理论依据。
彭王|吴静静|苏燕|赵晓雪|黄超星|杨强
中国南京林业大学化学工程学院高效加工与利用森林资源江苏省协同创新中心，南京，210037
摘要
热水和硫酸盐预处理相结合的方法被证明是分离落叶松主要成分的有效途径。本研究的目的是评估热处理强度对采用这种组合处理方法的落叶松酶水解的影响。结果表明，单独进行硫酸盐预处理可达到59.0%的酶水解率。当与不同强度的热处理结合时，水解率最初上升，随后下降（从65.8%降至44.3%）。通过180°C的热处理步骤去除半纤维素（87.5%）增强了落叶松纤维素的可利用性，并提高了生物质在硫酸盐预处理阶段的反应性。过度的热处理强度会导致木质素缩合，从而阻碍后续的生物转化。本研究探讨了不同热处理条件对预处理落叶松酶水解的影响，旨在建立高效的软木利用生物转化途径。
引言
木质纤维素生物质通常被视为一种低成本且可再生的资源，而生物质的生物精炼被认为是替代石油衍生产品以实现可持续发展的关键途径之一[1,2]。然而，由于其致密的结构和高木质素含量，木质生物质比草本生物质更难以被微生物降解和酶解[3]。生物质的这种顽固性显著阻碍了木质纤维素的利用，尤其是在生物转化过程中。特别是对于软木来说，其高木质素含量使得它们的生物转化更加困难，这一点通过酶法测定的低糖化率得到了证明[4,5]。
落叶松是中国主要的软木树种，广泛分布于东北部、北部和西南部地区[1]。高效利用这些残余物对于木质纤维素生物质的增值至关重要。因此，迫切需要一种有效的生物精炼策略来克服落叶松的顽固结构，提高其生物转化率，并实现多产品的联合生产[7,8]。
在常用的生物精炼过程中，热处理因其环保性、成本效益和操作简便性而成为一种广泛应用的技术[9,10]。热处理倾向于选择性地作用于半纤维素和木质素。此外，通过优化热处理过程可以最大限度地减少对木质素的影响。热处理主要应用于基于糖的生物精炼过程中，以优化半纤维素的提取。当前的研究表明，热处理可以从各种木质纤维素生物质来源中成功提取多糖[[11], [12], [13]]。然而，在利用热处理提高富含木质素的木质纤维素生物质的酶水解效率方面仍存在挑战，主要是由于木质素的溶解效率较低[14]。文献显示，热处理可以从玉米秸秆和杨木中有效获得木寡糖[12]，但杨木的酶水解率提升幅度远低于玉米秸秆。木质素难以去除导致其顽固性，形成了物理和化学屏障，限制了固体残余物的酶糖化。因此，单一的热处理通常不足以实现木质纤维素生物质中纤维素成分的全面利用[15]。为了提高酶水解能力，有必要开发额外的预处理方法与热处理结合使用，以促进木质素的去除。近年来，组合预处理方法越来越受欢迎，以实现木质纤维素生物质中三大成分的全面利用。
与热处理相比，硫酸盐预处理作为一种碱性处理方法，在溶解和去除木质素方面更为有效，但对纤维素和半纤维素的去除影响较小[16]。硫酸盐预处理方法已广泛应用于成熟的纸浆生产过程中[17]。硫酸盐预处理主要通过破坏木质素分子内的醚键以及木质素与半纤维素之间的酯键来消除木质素。硫酸盐预处理使纤维素纤维膨胀，从而提高酶水解效率[18]。此外，硫酸盐预处理利用硫化化学品破坏木质素与碳水化合物之间的键，使木质素的性质与天然木质素显著不同，并具有潜在价值。针对半纤维素的热处理和溶解木质素的硫酸盐预处理可以创造性地结合使用，以分离出高效进行酶水解的富含纤维素的残余物，同时从生物质中分离出有价值的木质素[19,20]。
本研究旨在探索热处理与硫酸盐预处理结合使用的协同效应。我们采用了不同的热处理和硫酸盐预处理条件，并比较了热处理在组合预处理生物质残余物的酶水解中的性能。本研究还揭示了热处理强度对组合预处理系统中落叶松酶水解效率的影响。进行了分析，以评估不同热处理条件对组合预处理残余物木质素基底特性的影响，以及这些特性通过相关性分析对酶水解效率的影响程度。此外，还阐明了热处理和组合预处理每个阶段的木质素结构变化。使用2D HSQC和31P NMR对热处理和组合预处理后的木质素进行了表征，以研究热处理对组合预处理中木质素相关基底因素的影响。我们的发现为分离落叶松的三大主要成分和多产品生物精炼过程的可行性提供了宝贵的见解。
材料
落叶松木屑由大兴安岭农场慷慨提供。材料在常温下自然干燥，随后使用实验室研磨机粉碎成粒径在20到80目之间的粉末。预处理前，落叶松粉在60°C下进行2小时的水提取，以去除可溶性阿拉伯半乳聚糖。提取后的落叶松用水冲洗至中性，并在4°C的冰箱中储存[21]。使用纤维素酶（Cellic@ CTec2）
预处理对落叶松化学成分的影响
预处理温度对预处理后落叶松的化学成分有显著影响。我们通过独立改变热处理和硫酸盐预处理的温度来研究不同预处理条件的影响[28]。如表1所示，比较了热处理、硫酸盐预处理和组合热处理-硫酸盐预处理条件下落叶松化学成分的变化
结论
本研究表明，组合热处理和硫酸盐预处理有效去除了落叶松中的半纤维素和木质素，从而提高了酶水解效率。热处理步骤部分去除了半纤维素和纤维素，破坏了生物质结构，促进了随后在较低温度下进行硫酸盐预处理时的木质素去除。然而，高温热处理最终降低了酶水解效率。NMR分析表明
CRediT作者贡献声明
彭王：撰写——初稿、研究、数据分析。吴静静：软件、资源管理。苏燕：软件、资源管理。赵晓雪：验证、监督。黄超星：验证、监督。杨强：撰写——审阅与编辑。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFD2200505）的资助。
