【文献解读】Green Chemistry: 绿色添加剂的酸预处理抑制木质素聚合和提高酶解转化率
背景介绍
可再生木质纤维素生物质的预处理和酶解是可发酵糖的生产以及随后在可持续生物精炼厂中将糖转化为各种生物燃料和生物产品的两个关键步骤。然而，研究表明残余木质素，特别是经过酸性预处理后，对剩余纤维素酶水解的抑制作用比原始木质素更大。预处理底物中的残余木质素通过两种主要机制阻碍有效的酶解：作为限制纤维素可及性的表面屏障和纤维素酶的非生产性吸附剂。特别是，在酸性过程中发生再聚合反应的木质素，强化了木质素的非生产性吸附能力，增加了纤维素水解的障碍。因此，在酸性预处理过程中抑制木质素再聚合被认为是降低木质素抑制酶解的关键。
近来，南京林业大学的宋凯副教授研究了稀酸预处理阔叶材时绿色添加剂抑制木质素再聚合以促进纤维素酶解糖化的策略。通过对比基准添加剂（2-萘酚磺酸盐，NS）和绿色添加剂（甘露醇，MT；丁香酸，SA）的表面阻隔作用和不可逆结合作用，揭示了添加剂通过抑制木质素再缩聚以促进纤维素酶解的潜在机制。
Figure 1. Illustration of adsorption and conversion of DPE over Ru and Ru-Br catalyst.
图文解读
添加剂对稀酸预处理效果的影响
作者首先分析了添加剂对稀酸预处理效果的影响。结果表明，在稀酸预处理中添加合适的添加剂能显著提高纤维素的水解效果（如图1）。在对比三种添加剂（丁香酸、甘露醇、2-萘酚磺酸盐），研究发现甘露醇是一种适合稀酸预处理的绿色添加剂，合理的用量可以最大限度地提高纤维素水解率（如图2）。2-萘酚磺酸盐是一种石油基苯酚，目前还不能从可再生资源中获得。丁香酸还可以作为酸催化剂，过量添加丁香酸增加了预处理酸度，加重了碳水化合物的增溶和/或降解。
Fig. 1 Chemical compositions of raw and pretreated biomass afterdilute acid (DA) pretreatment in the absence and presence of variousadditives: syringic acid (SA), mannitol (MT), and 2-naphthol-7-sulfonate(NS); and the corresponding enzymatic hydrolysis yield of cellulose after72 h.
Fig. 2 Enzymatic hydrolysis of Avicel in the absence or presence ofmilled wood lignin (MWL) after dilute acid (DA) pretreatment withvarious additives: syringic acid (SA), mannitol (MT), and 2-naphthol-7-sulfonate (NS).
添加剂对木质素不可逆吸附和表面阻隔效应的影响
为了分析木质素的表面阻隔效应对酶解效果的影响，预处理后的样品在加入纤维素酶前先经过牛血清蛋白处理，可以防止木质素与纤维素酶的不可逆结合。牛血清蛋白处理后的底物与未处理底物之间的酶解差距揭示了木质素的不可逆结合作用，而添加剂在预处理过程中明显缓解了这一作用（如图3）。除了具有不可逆的结合作用外，木质纤维素材料中的木质素还通过内部的木质素-碳水化合物基质和纤维表面的外部覆盖效应阻碍碳水化合物酶解。通过对预处理样品进行BET、SEM和XPS检测，作者证明了这些添加剂减弱了木质素的表面阻隔效益，从而影响了预处理样品的表面积、表面形貌和表面化学性质。最后，作者提出了通过添加剂改性木质素促进阔叶材酶解糖化的机理（Scheme 2）。
Fig. 3 Surface barrier effect and irreversible binding effect of lignin onenzymatic hydrolysis of cellulose (enzyme loading: 20 FPU g−1) afterdilute acid (DA) pretreatment with additives: syringic acid (SA), mannitol(MT), and 2-naphthol-7-sulfonate (NS).
Scheme 2 Proposed mechanisms for boosting enzymatic saccharification of hardwood through lignin modification by additives (“+” and “−”means increasing and decreasing the substrate characteristics,respectively).
添加剂对木质素结构的影响
13C NMR和2D HSQC分析结果显示，DA-MT木质素的β-O-4结构含量较高，缩合结构含量较低，而31P NMR结果显示木质素含有大量的脂肪族OH基团。在稀酸预处理过程中，甘露醇的加入明显降低了木质素的分子量。结果表明甘露醇可以有效地加入木质素结构中，与活性碳正离子反应生成具有大量羟基的Cα-醚化木质素，抑制了同时降解/缩聚。添加甘露醇后，生成了一种具有亲水脂肪族OH基团的少再聚合的木质素。这种形式的木质素有潜力减少其对纤维素酶的非生产性结合作用。而且,这种形式的木质素更容易生物质表面液化，迁移和脱除，能同步扩大纤维素表面积和降低木质素表面覆盖，这大大减轻木质素表面屏障效应,导致增强易于水解纤维素（Scheme 2）。
Fig. 6 The integration of 13C–1H correction peaks in the 2D HSQC spectra of the lignin extracted from dilute acid (DA) pretreated biomass in theabsence and presence of various additives: 5%, w/w, syringic acid (SA), mannitol (MT), 2-naphthol-7-sulfonate (NS).
结论
本研究提出了不同的添加剂(2-萘酚-7-磺酸盐、甘露醇和丁香酸)用于稀酸预处理，可以缓解木质素对纤维素水解的抑制，从而改善生物质的酶解糖化。研究表明甘露醇是一种适合稀酸预处理的绿色添加剂，合理的用量可以最大限度地提高纤维素水解率。在稀酸预处理过程中添加甘露醇，使木质素结构具有更多的β-O-4键和亲水性脂肪族OH官能团。在未来的工作中，可以开发连续预处理策略，包括以甘露醇作为绿色添加剂的酸性预处理，然后碱后处理去除/改性木质素，以高效的生物质分级、糖化和利用，以提高木质纤维素生物炼制的可持续性。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D1GC00738F
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