化学-酶协同预处理机械制浆：实现能耗降低40.99%与纤维强化的创新策略

针对机械制浆高能耗（1200-2000 kWh/t）和纤维质量差的行业难题，本研究开发了NaOH（6%）与纤维素酶（10 FPU/g）协同预处理系统，通过多尺度表征（SEM/XRD/HSQC NMR）揭示其作用机制。该技术使精炼能耗降至765.11 kWh/t，较传统机械浆（MP）和化学机械浆（C-MP）分别节能40.99%和33.99%，同时提升抗张指数和耐破指数，为木质纤维素低能耗解离提供理论依据。

　　

在造纸工业面临原材料短缺和碳中和目标的双重压力下，桉树作为全球种植最广泛的速生树种，其高效利用成为行业战略重点。然而传统机械制浆（MP）存在两大痛点：惊人的能耗（1800-3000 kWh/t）和因纤维损伤导致的纸张强度缺陷。这种"高能耗伴随低质量"的技术瓶颈，严重制约了行业的可持续发展。中国林业科学研究院林产化学工业研究所的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的研究，提出了一种革命性的"碱-酶协同解构"策略，通过多尺度调控纤维结构，实现了能耗与性能的协同优化。

研究采用SEM、XRD、XPS、HSQC NMR等技术，系统分析了桉木机械浆在化学-酶协同处理下的结构演变。通过优化6% NaOH与10 FPU/g纤维素酶的协同参数，使精炼能耗较MP降低40.99%。碱性预处理溶解20.33%半纤维素和7.02%木质素，并切断木质素-碳水化合物复合物（LCC）的酯键，使β-O-4连接减少9.7%，S/G比率从2.02提升至3.05。后续酶处理进一步水解25.59%纤维素和22.07%半纤维素，促进纤维细胞壁S1-S2层剥离。

3.1. Impact of NaOH

6% NaOH预处理实现最佳组分溶解平衡，半纤维素去除率达20.33%，且避免过度降解。拉曼光谱显示该条件能有效破坏LCC酯键（1730 cm^-1特征峰消失），为酶解创造通道。

3.2. Enzymatic effect

10 FPU/g纤维素酶实现糖类释放最大化，XRD证实其优先攻击纤维素非晶区，结晶度从52%提升至60%，而晶粒尺寸通过碱溶胀-酶解协同调控。

3.3. Refining performance

在150 mL CSF标准下，生物化学机械浆（B-MP）能耗仅765.11 kWh/t，纤维 fines含量达39.01%（较MP提高19.4%）。虽然酶处理导致纤维长度缩短，但S2层暴露促进原纤化，使抗张指数提升显著。

3.4. Refining mechanism analysis

HSQC NMR揭示碱性预处理选择性断裂木质素β-O-4键（减少9.7%），而酶解进一步降低G单元含量。SEM直观显示B-MP纤维出现独特的S1-S2层离解现象，XPS证实表面O/C比从0.52增至0.60，解释其节能机制。

该研究建立了"软化-酶解"协同理论框架：碱性预处理通过溶解基质和修饰木质素结构（S/G↑）实现纤维"预软化"，酶解则精准解构S1-S2层界面。虽然表面木质素富集导致强度指标较C-MP降低7.2%，但40.99%的节能突破为行业树立新标杆。未来通过优化纤维素酶/木聚糖酶/漆酶复配体系，有望进一步突破强度瓶颈。这项源自中国的研究，为全球制浆工业的绿色转型提供了关键技术路径。