广西大学王双飞教授研究团队：改变表面木质素含量预处理对高产竹化学机械浆酶解的影响 | MDPI Polymers

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通讯作者

王双飞教授

广西大学

广西大学轻工与食品工程学院终身教授、博士生导师，广西八桂学者特聘专家。主持完成国家“863”计划、国家“973”计划等多项国家级项目。以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项。获授权美国、加拿大等国发明专利8件，中国发明专利34件；以第一或通讯作者发表SCI论文95篇，其中JCR一区Top论文38篇。撰写发表300余篇学术文章，被引用次数超过2400次，H-Index为26。主要从事制浆造纸的研究工作。

一种有效利用酶解残留物的方法能够在很大程度上提高竹浆的附加值利用度。本文以过氧化氢化学机械浆 (APMP)、磺化化学机械浆 (SCMP) 和化学热机械浆 (CTMP) 为原料，探讨了过氧化氢预处理 (HP)、芬顿预处理 (FP) 和乙醇预处理 (EP) 对高产竹机械浆 (HBMP) 酶解的影响。实验结果证明芬顿预处理对 HBMP 的酶解效果最佳。本文图片摘要如图1所示：

图1：图片摘要。

实验简介

高产竹浆的制备

作者对竹片分别使用 H₂O₂处理、15% Na₂SO₃和 2% NaOH 预处理、热水预处理后，得到了 APMP、SCMP 和 CTMP。

预处理

用 H₂O₂预处理后，三种 HBMP 分别命名为：H-APMP、H-SCMP 和 H-CTMP；用 Fenton 试剂预处理后，分别命名为 F-APMP、F-SCMP 和 F-CTMP；用乙醇预处理后，分别命名为 E-APMP、E-SCMP 和 E-CTMP。

数据分析与总结

样品的化学成分

预处理对 HBMP 化学成分的影响见表1。APMP 中木质素和半纤维素的含量低于 SCMP 和 CTMP，其原因在于过氧化氢对半纤维素和木质素的降解和去除均大于磺化和热处理。经过氧化氢、芬顿和乙醇处理后，HBMP 中纤维素、半纤维素和木质素含量降低；经过芬顿预处理后，HBMP 中纤维素、半纤维素和木质素的含量低于过氧化氢和乙醇预处理的 HBMP。

表1. 样品的化学成分

F-APMP 中半纤维素和木质素的去除率分别为30.2%和33.1%；F-SCMP 中半纤维素和木质素的去除率分别为55.3%和23.2%；F-CTMP 中半纤维素和木质素的去除率分别为22.3%和25.1%。结果表明，与 SCMP 和 CTMP 相比，APMP 对木质素的去除率更高，这可能是由于 APMP 中残留的木质素被芬顿试剂氧化所致。

XRD分析

预处理对高产竹机械浆 (HBMP) 结晶度的影响如图2所示，结晶度计算如表2所示，与 APMP 和 CTMP 相比，SCMP 的结晶度相对较低。APMP、SCMP 和 CTMP 经过不同预处理后结晶度增加，因为不同预处理很大程度地去除了非晶区的半纤维素和木质素。

图2. XRD分析：(a) APMP 样品、(b) SCMP 样品和 (c) CTMP 样品。

表2表明 F-SCMP 的结晶度低于 H-SCMP 和 E-SCMP。这是因为芬顿预处理比过氧化氢和乙醇预处理对结晶区纤维素的降解作用更强，导致 HBMP 纤维结晶度降低。APMP 和 CTMP 结晶度变化相似。F-SCMP 的结晶度 (61.4) 高于 F-APMP 和 F-CTMP，因为 F-SCMP 的纤维素、半纤维素和木质素低于 F-APMP (59.1) 和 F-CTMP (58.6)，说明酶解效率受木质纤维素结晶度的影响。

表2. 样品的结晶度

FTIR分析

如图3所示，与未经预处理的 HBMP 相比，不同预处理后 HBMP 的官能团将发生变化。例如，经过氧化氢和芬顿预处理后，SCMP 中羟基峰的强度增强；而经过乙醇预处理后，羟基峰的强度有所减弱，可能是在过氧化氢和芬顿预处理过程中，羟基被羟基自由基氧化生成羧基。H-SCMP 中非共轭羰基峰的强度低于 F-SCMP 和 E-SCMP，说明经过过氧化氢预处理后，非共轭羰基的含量明显降低。

与 SCMP 相比，H-SCMP 和 F-SCMP 的芳香环骨架结构峰强度降低，而 E-SCMP 的变化不大，说明双氧水和芬顿预处理能有效去除 HBMP 中的木质素，乙醇预处理对 HBMP 中木质素的去除较少。

图3. 经FTIR分析的 HBMP 样品。

酶解

HBMP 的酶水解效率如图4所示。过氧化氢和芬顿预处理后 APMP、SCMP 和 CTMP 的酶解效率提高，乙醇预处理后效率降低，可能是由于乙醇中的木质素小分子水解物吸附在纤维表面，降低了酶解效率。

图4. HBMP 的酶解效率和糖分分析：(a) 酶解效率、(b) 葡萄糖、(c) 木糖、(d) 总还原糖。

SCMP 的酶解效率高于 APMP 和 CTMP，F-SCMP 的酶解效率最高为49.5%，这是由于木质素和半纤维素被去除后，木质素对纤维素酶的非生产性吸附减少，并且半纤维素对纤维素酶的空间位阻减弱。SO₃²⁻的吸附增加了木质素的亲水性，降低了木质素与纤维素酶之间的疏水相互作用，并可能增加酶解。HBMP 酶解液中葡萄糖和木糖含量如图4b,c所示，HBMP 的葡萄糖和木糖含量随酶解时间的增加而增加，F-SCMP 的葡萄糖和木糖含量高于 F-APMP 和 F-CTMP。HBMP 中葡萄糖和木糖含量的增加导致总还原糖的增加 (图4d)。

酶解残渣对亚甲基蓝的吸附

为了有效利用酶水解后的残留固体，亚甲基蓝 (MB) 被酶解残留物 (EHR) 吸附，如图5所示。与 APMP 和 CTMP 相比，SCMP 的 EHR 吸附了更多的 MB，这可能是由于酶促水解去除了部分碳水化合物纤维，形成更多的孔，增加了纤维的比表面积，从而增加了亚甲基蓝的吸附。APMP、SCMP、Fenton 预处理后，CTMP 和 CTMP 降低，这可能降低了 Fenton 预处理的 APMP、SCMP 和 CTMP EHR 的 MB 去除率。研究表明 Fenton 预处理的 SCMP 不仅具有最高的酶解效率，而且 SCMP 的酶解残留物具有高吸附性 MB 的容量。

图5. 酶解残留物对亚甲蓝的去除率。

实验结论

预处理可改善高产竹机械浆的酶解性能。芬顿预处理提高了 HBMP 的酶解效率，其效率高于过氧化氢和乙醇预处理。APMP 和 CTMP 的表面木质素含量显著影响酶解。然而，SCMP 的酶解同时受到表面木质素含量和半纤维素含量的影响。硫的引入可能增加了纤维的亲水性，有利于提高纤维的酶解效率。HBMP 酶解渣对亚甲基蓝有良好的吸附能力。本研究为高得率竹浆的酶解提供了基础知识，为高效利用酶解残渣提供了一种有效的方法。

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原文出自Ploymers 期刊

Luo, L.; Yuan, X.; Zhang, S.; Wang, X.; Li, M.; Wang, S. Effect of Pretreatments on the Enzymatic Hydrolysis of High-Yield Bamboo Chemo-Mechanical Pulp by Changing the Surface Lignin Content. Polymers 2021, 13, 787.