木质纤维素生物质是自然界中最丰富的碳基资源，其主要组分纤维素、半纤维素和木质素都可以转化为高附加值化学品，然而三组分互相缠绕导致木质纤维素结构复杂紧凑，限制了木质纤维素的高效利用。在木质纤维素拆解过程中，通常只考虑预处理方式的影响而忽略试剂本身性质对木质纤维素拆解的影响。实际研究发现，不同的预处理试剂会使木质纤维素的组分发生不均匀降解，从而产生不同的残渣，最终导致残渣酶解效率差别巨大。
基于此，广州能源所科研人员系统研究了NaOH和KOH两种碱对杨木结构破坏的影响，深入探讨了预处理底物结构与酶解的相关性。研究结果表明，NaOH和KOH在相同的预处理强度（包括时间、温度和pH值等条件）下对杨木产生不同程度的破坏，从而导致不同的酶解率。相比之下，NaOH比KOH更能有效地破坏杨木结构，这可能是由于Na+的离子半径较小（Na+离子半径为0.95Å，K+离子半径为1.33Å），从而可以更好地渗透到杨木中以提高预处理程度。结构分析表明，相比于KOH预处理，NaOH预处理残渣具有更少的氧化表面、更高可及性的纤维表面和更多的无定型区，均可更有效促进其酶解（图1）。
同时，通过研究NaClO2、NaOH和H2SO4等三种不同酸碱性预处理和酶解残渣顽抗性，发现预处理渣中较高的β-β′含量和S/G比均不利于酶解。在木质素-碳水化合物复合体中，苄基醚和苯基糖苷键与木糖和甘露糖连接，形成了木糖-木质素-葡甘聚糖网络。该网络的稳定性、空间位阻性和疏水性可能在确定木质纤维素的顽抗性方面起着关键作用（图2）。
以上研究成果发表在期刊Carbohydrate Polymers和International Journal of Biological macromolecules上，广州能源所博士后Usama Shakeel为第一作者，亓伟研究员和张宇正高级工程师为共同通讯作者。该研究获得国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。
相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.122037；
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.131193
图1. NaOH和KOH两种碱对木质纤维素预处理的影响
β-β׳ LCC
图2. 生物质不同组分的顽抗性与酶水解之间相互作用
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