RENEW SUST ENERG REV：木质纤维素高效酶解障碍之不同预处理下木质素-酶的相互作用

背景介绍

利用生物质资源高效生产第二代生物燃料具有重要的战略意义，符合可持续发展目标。在众多的生物炼制途径中，为了提高生物质的可发酵糖产量，首先需要通过预处理改变其物理化学屏障来提高生物质中纤维素的可及性。其中，酶与木质素之间的非生产性结合除了在物理上阻碍纤维素酶与纤维素的接触外，对酶解过程也有很强的抑制作用。其中，残余木质素对酶水解的抑制程度与其结构密切相关，而残余木质素的结构又受预处理方法的显著影响。因此，全面了解木质素在预处理过程中理化性质的变化，对于破解木质素对酶解的负面影响至关重要。

基于此，南京林业大学勇强教授课题组和美国田纳西大学Arthur J. Ragauskas教授课题组探讨了木质素在不同预处理方式下的结构转变以及木质素对酶解过程的抑制作用。另外，还介绍了减少木质素对酶解不利影响的一些技术，包括木质素的化学改性、添加剂的使用和对于残留木质素的进一步去除。通过了解木质素与酶相互作用的根本原因以及如何抑制木质素与酶的相互作用研究，突出木质素在酶解中的作用，为生物质有效转化为生物燃料提供未来的研究方向。

图文解读

1. 生物质预处理过程中木质素的结构变化及其对酶解的影响

预处理过程中常见的木质素反应包括联接键的断裂、木质素单体组成的变化和官能团含量的变化等。木质素结构的许多变化是相互关联的，例如，醚键的断裂通常伴随着额外的酚羟基的形成和脂肪族羟基基团的丢失。这些结构变化会影响木质素与酶之间的吸附行为，进而影响预处理生物质后续的酶水解效率。了解不同预处理过程中木质素结构的变化是建立“木质素结构-酶相互作用功能”关系的前提，这将有助于开发木质素对酶抑制的预处理新技术。

图1. 一些预处理中木质素的断裂机理

2. 木质素抑制酶水解的机理

在生物质预处理过程中，木质素可以重新分布到生物质表面，甚至溶解后的木质素也可以重新聚合形成细小颗粒。这些作用有助于酶吸附到非碳水化合物部分，并破坏纤维素底物的酶水解。酶解过程中木质素通过空间位阻、疏水、静电、氢键等相互作用与纤维素酶发生非生产性吸附，导致大量纤维素酶失去活性，从而降低酶水解效率。这些相互作用对木质素和酶的最终非生产性吸附行为的相对贡献仍存在争议。因此，认识这些理论，有必要进一步更新已开展的工作。

图2. 纤维素酶-木质素相互作用示意图

3. 消减木质素对酶解的不利影响策略

为克服木质素对酶解的不利影响，国内外已开展了多种技术，提出了在预处理过程中使用特定溶剂对木质素进行改性，以提高生物质的酶解性能。再者使用添加剂阻断木质素与酶解的非生产性结合，在酶解过程中添加“木质素阻断剂”是减小木质素对酶解的不利影响的另一种有效方法。由于其可操作性，这已成为一个热点研究领域。以及后处理去除或改性木质素等手段，如简单的溶剂清洗，有机溶剂去除，或在相对温和的条件下的化学处理等。

图3. 大豆蛋白增强水热预处理木质纤维素生物质酶解的机制

结论

本文详细阐明生物质预处理过程中木质素的结构变化和酶解过程中木质素与酶的相互作用，为降低酶解过程的成本提供思路，最终实现具有成本效益和可持续发展的生物炼制工艺。以具有成本效益的方式成功地利用生物质生产乙醇燃料，将减少温室气体排放的影响以及对化石燃料的依赖，减少生态污染，促进国家能源发展。

本综述中，南京林业大学黄曹兴副教授和北卡罗来纳州立大学Xiao Jiang博士为共同第一作者，南京林业大学勇强教授和美国田纳西大学Xianzhi Meng博士为共同通讯作者，大连化物所沈晓骏博士，加拿大卡尔加里大学胡劲光教授，美国田纳西大学Arthur Ragauskas教授和北卡罗来纳州立大学Hasan Jameel教授也为本综述提供撰写参考。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111822

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