【文献解读】南林夏常磊教授课题组CEJ:利用亲核性的萘酚衍生物抑制木质素聚合并促进可发酵性糖的转化

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背景介绍

作为最丰富的可再生资源，木质纤维原料可用于生产生物炭、生物燃料、化学品、肥料、吸附剂。开发生物燃料生产需要包括：预处理、酶水解和发酵三个主要步骤。预处理对破坏木质纤维原料的拮抗结构，以及提高生物质的酶解得率是非常重要得，其中稀酸预处理是一种可行且低成本的方法。虽然稀酸预处理很容易溶解和去除半纤维素，但仍有大量残余木质素保留在预处理物料中。此外，在酸性预处理过程中会发生木质素再聚合反应，这会抑制后续的酶水解效率。因此，这些限制性因素推动了克服这一障碍的技术研究。

图1：比较了添加或不添加亲核试剂的稀酸预处理的效果，阐明了稀酸预处理中添加3-羟基-2-萘甲酸的促进机理

南京林业大学夏常磊教授课题组通过添加5种亲核性的萘酚衍生物作为碳正离子清除剂，包括2-萘酚、6-羟基-2-萘甲酸(6H2NA)、2-羟基-1-萘甲酸(2H1NA)、6-羟基-1-萘甲酸(6H1NA)和3-羟基-2-萘甲酸(3H2NA)，以提高木质素脱除率并且抑制预处理中木质素的再聚合反应。结果表明，与其他带有羧酸基团的萘酚衍生物相比，3H2NA最能提高木质素去除率。3H2NA添加剂提高了木质素的羧基含量，抑制了再聚合反应。通过在稀酸预处理过程中添加3H2NA，减少了木质素对预处理物料中可发酵糖生产的抑制。该研究近期以题为“Using nucleophilic naphthol derivatives to suppress biomass lignin repolymerization in fermentable sugar production” 于近期发表在了《Chemical Engineering Journal》上。

02

图文解读

图2：添加和不添加2-萘酚和萘酚羧酸衍生物的预处理底物的葡萄糖产率。(a) 72 h水解率；(b)酶解历程

五种添加剂均提高了预处理物料的酶水解得率，预处理中添加2-萘酚，使得72h的葡萄糖产率提高了12.27%。此外，预处理中添加 6H2NA、2H1NA、6H1NA和3H2NA，分别将72h的葡萄糖产率从30.93%(空白)提高到38.34%、36.02%、35.99%和53.22%。这些结果表明萘酚衍生物上的羧酸基团有助于生物质的酶水解。与其他带有羧酸基团的萘酚衍生物相比，3H2NA是提高酶解率的最有效添加剂。

为了进一步探索添加3H2NA对预处理的影响，分别比较了稀酸预处理的杨木(DA)、2-萘酚添加的稀酸预处理的杨木(DAN)和3H2NA添加的稀酸预处理的杨木(DAHN)(图1b)。相比之下，DAHN显示出最高的初始酶水解得率和最终酶水解得率。 

图3：酸预处理过程中木质素结构与3H2NA的反应机理

2-萘酚已经被证明了具有单一取代位点，同时羧酸基团是间位增强基团。因此，3H2NA上的C4位置显示出比2-萘酚上的C1位置更高的反应活性(图2)。

与2-萘酚相比，添加3H2NA可以去除更多的酸不溶性木质素。此外，乙醇提取物的含量显著增加，这一变化与预处理底物脱木素率的提高有关，表明2-萘酚和3H2NA可以通过抑制木质素缩合来促进木质素的解聚。

图4：预处理材料的纤维素可及性

DAHN物料上的残余木质素含量小于DAN物料上的木质素含量。作者认为这些木质素沉积物会导致酶和纤维素纤维之间产生更多的非生产性吸附。因此，3H2NA的添加提高了乙醇提取物的含量和纤维素可及性。

图5：杨树原料和预处理材料的XPS光谱

加入2-萘酚和3H2NA后，O/C比更高，C–C峰强度进一步降低。基于预处理的脱木素效果，较高的碳氧比表明底物中多糖含量有所提高。

作者认为MWL-DAHN的最高负电荷可能是由于木质素和3H2NA的取代反应。在杨木的稀酸预处理中，2N7S通过磺酰基对木质素的取代反应表现出相似的促进作用。

图6：2D-HSQC光谱和分离的木质素的主要结构

稀酸预处理过程可能导致β-O-4和β-β键断裂，木质素的再聚合伴随着新的β-5键的形成。而3H2NA和2-萘酚的加入显著降低了β-5键的生成。因此，酸预处理中的3H2NA和2-萘酚的添加，能够抑制木质素的再聚合，从而提高了纤维素酶水解的效率。

在杨木的稀酸预处理过程中添加3H2NA，显著增加了木质素中的羧酸含量，能够降低物料中木质素的疏水性并减少了木质素对纤维素酶的非生产性吸附。羧酸基团的增加和木质素分子量的降低是降低木质素抑制效应，并且提高预处理底物酶水解得率的两种潜在机制。

03

结论

2-萘酚及其羧酸衍生物(6H2NA、2H1NA、6H1NA和3H2NA)提高了杨木稀酸预处理的效率。特别是，3H2NA的加入使酶水解产率比不含添加剂的底物提高了72.07%。这些萘酚衍生物通过抑制杨木稀酸预处理中木质素的再聚合有效地提高了酶解得率。使用3H2NA的稀酸预处理增强了酶对底物中纤维素可及性。此外，从预处理物料中分离的木质素显示出更高的zeta电位、更低的分子量和更丰富的羧酸基团。因此，3H2NA的添加提高了生物质预处理效率和随后的纤维素酶水解得率。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130258

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