木质素表面特性调控促进酶解效率：松木与桉木的对比研究

本研究针对木质纤维素生物质酶解过程中木质素非生产性吸附的瓶颈问题，通过水热处理（hydrothermal treatment）对比松木（pine）和桉木（eucalyptus）中磨木木质素（MWL）的理化特性变化，发现降低木质素疏水性、增加表面负电荷（zeta potential）及减少脂肪族羟基（aliphatic hydroxyl）可显著提升葡萄糖转化率（HT60条件下达最优），为定向调控木质素-酶相互作用提供了新策略。

　　

随着全球工业化进程加速，2040年能源需求预计增长28%，但化石燃料的过度使用引发温室气体排放和资源枯竭等严峻问题。木质纤维素生物质作为可再生资源，其三大组分——纤维素（cellulose）、半纤维素（hemicellulose）和木质素（lignin）构成的复杂基质却成为生物转化的主要障碍。尤其是木质素通过物理屏障和非生产性吸附（non-productive adsorption）严重抑制酶解效率，而不同树种木质素结构差异（如松木富含愈创木基单元G，桉木含更多紫丁香基单元S）使得调控策略需因材而异。

韩国科学技术研究院（Korea Institute of Science and Technology）的研究团队在《Bioresource Technology》发表论文，通过对比松木和桉木水热处理前后的磨木木质素（Milled Wood Lignin, MWL）特性，揭示了木质素表面性质对酶解效率的调控机制。研究采用170°C水热处理（10/60分钟）、MWL乙酰化修饰及酶吸附实验，结合zeta电位、接触角、二维核磁（2D-HSQC）等技术，系统分析了木质素化学结构变化与酶解性能的关联。

材料与水热处理

松木和桉木经20-80目筛分后，在170°C下分别处理10分钟（HT10）和60分钟（HT60）。HT60条件下，两种木材降解率达22-23%，但桉木半纤维素保留率更高（42.1% vs 松木29.8%），与其较高密度和木质素含量相关。

木质素理化性质变化

水热处理后，木质素疏水性（接触角降低15-20°）、比表面积减少，zeta电位负值增强（松木-25.1 mV→-32.4 mV）。二维核磁显示β-O-4键断裂，脂肪族羟基减少（松木1.28→0.72 mmol/g），而酚羟基（phenolic hydroxyl）增加（桉木0.89→1.21 mmol/g）。乙酰化MWL的酶吸附量比未修饰样本降低40%，证实羟基是关键吸附位点。

酶解效率差异

桉木HT60样本葡萄糖转化率最高（82.3%），显著高于松木（68.5%）。相关性分析表明，松木酶解效率主要受纤维素含量、酚羟基和zeta电位影响，而桉木则依赖于纤维素含量、脂肪族羟基和zeta电位。

结论与意义

该研究证明水热处理通过降低木质素疏水性、增加表面负电荷和减少脂肪族羟基，有效缓解了酶的非生产性吸附。相比完全脱木质素，这种定向调控更具经济性和可持续性。研究为针对不同树种木质素特性设计个性化预处理工艺提供了理论依据，对推动生物质精炼产业化具有重要意义。