預處理纖維素超分子結構變化機制研究進展

凌喆，賴晨歡，黃曹興，許鳳，勇強*

(1. 南京林業(yè)大學化學工程學院，南京 210037；2. 北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，北京 100083)

木質(zhì)纖維素(lignocellulose)是地球上分布最廣泛的生物質(zhì)資源，其每年捕獲和存儲的太陽能達到人類需求量的10倍以上，是生產(chǎn)生物質(zhì)能源及化學品的重要原料[1-2]。對木質(zhì)纖維原料的深度加工利用，為降低人類對化石資源的依賴、緩解全球氣候變暖和環(huán)境污染提供了可能，同時也是我國實施石油替代戰(zhàn)略，發(fā)展醇類燃料，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在木質(zhì)纖維細胞壁中，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互聯(lián)結形成的三維網(wǎng)絡結構，構成了復雜的生物質(zhì)抗降解屏障，阻礙了木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化[3]。生物質(zhì)預處理主要通過打破細胞壁物理形態(tài)結構、降低包覆在纖維素周圍的基質(zhì)組分(主要為半纖維素和木質(zhì)素)含量，從而實現(xiàn)提高纖維素酶解效率的目的[4]。在預處理過程中，半纖維素易降解為低聚糖，溶解在體系中，從而與纖維素的氫鍵連接減弱，增加纖維素對纖維素酶的可及性，有利于提高纖維素糖化效率；木質(zhì)素的脫除則使細胞壁骨架結構坍塌，物料孔隙率和比表面積增加，暴露出更多的纖維素骨架。目前，通過預處理木質(zhì)纖維素進行生物轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)生物質(zhì)能源和化學品的產(chǎn)業(yè)化利用仍然存在預處理成本高、轉(zhuǎn)化效率低等問題。其主要原因是對木質(zhì)纖維素的內(nèi)在結構解析還不夠充分，致使各種熱化學預處理及纖維素糖化難以低成本地逾越細胞壁復雜的抗降解屏障并實現(xiàn)高值化利用。值得關注的是，在預處理過程中，除了半纖維素和木質(zhì)素的組分含量與內(nèi)在結構變化常被研究討論，木質(zhì)纖維原料的主要成分——纖維素在預處理過程中也發(fā)生了不同程度的超分子結構變化，并對后續(xù)的酶吸附、水解行為產(chǎn)生重要影響[5]。

纖維素是木質(zhì)纖維生物質(zhì)的主要成分，占植物中碳源總量的40%左右，形成植物細胞壁復雜結構的骨架，也是生物質(zhì)酶解糖化的前驅(qū)物質(zhì)和作用目標[6]。纖維素在細胞壁中存在有序的、多尺度的超分子結構，是造成其抗生物降解屏障的重要因素之一。植物細胞壁中纖維素的超分子結構主要包括在纖維素生物合成后葡萄糖分子的翻轉(zhuǎn)、構象排列，葡萄糖分子內(nèi)和分子間氫鍵形成的高度結晶結構，纖維素分子鏈中結晶和無定形態(tài)共存的兩相結構，高分子鏈聚集成為單根基元纖維(elementary fibril)(10-11～10-9m)并在細胞壁中進一步交聯(lián)排列成微細纖維(microfibril)(10-9～10-7m，如圖1)等[7-8]。纖維素的超分子結構由于其中氫鍵作用形成的高度結晶性、纖絲交聯(lián)的致密性和纖絲尺度的不均一性，共同形成了復雜而堅固的物理和化學屏障，極大阻礙了纖維素酶在纖維素纖絲聚集體上的吸附和水解。因此，從多尺度研究木質(zhì)纖維素超分子結構形成機制及其在生物質(zhì)預處理過程中的動態(tài)溶解、潤脹、分離行為，可為提高纖維素酶解糖化效率，實現(xiàn)農(nóng)林生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化提供理論基礎。近年來，預處理過程中纖維素超分子結構變化及其對纖維素酶解效率的影響備受關注，相關研究也逐漸深入。筆者綜述了木質(zhì)纖維生物質(zhì)預處理研究中纖維素超分子結構的變化特性，并對其與纖維素酶解糖化的構效關系進行總結，以期為木質(zhì)纖維素多尺度抗降解屏障的破解和高效糖化技術方法的建立提供新思路。

圖1 植物細胞壁中纖維素多尺度超分子結構示意圖[7]

1 纖維素結晶結構變化

1.1 纖維素晶型

天然的纖維素只存在一種纖維素晶型結構，即纖維素Ⅰ[9]。通過核磁共振碳譜(CP/MAS13C NMR)研究發(fā)現(xiàn)，在細菌及藻類纖維素中，纖維素鏈主要堆砌排列成三斜晶體，定義為纖維素Ⅰα；而高等植物(麻類、棉花、木材等)中的纖維素為單斜晶體結構，定義為纖維素Ⅰβ[10]。木質(zhì)纖維原料中的纖維素Ⅰβ分子鏈平行排列，分別處于單斜晶體的四周和中心。葡萄糖分子的O6基團主要偏向C4，形成tg構象。在同一晶胞內(nèi)，O3與相鄰葡萄糖的O5形成分子內(nèi)氫鍵，O2與O6之間的氫原子可形成多種形式的分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵。

由于纖維素Ⅰβ中纖維素大分子的層狀二維排列與致密氫鍵作用體系，該晶型在化學預處理和纖維素酶解過程中更難被解離。因此，纖維素晶型由穩(wěn)定的纖維素Ⅰβ向其他晶型的轉(zhuǎn)變逐漸成為提高木質(zhì)纖維素酶解效率的有效措施之一。圖2列舉了已知的纖維素晶型轉(zhuǎn)變所需條件及相應結構的X射線衍射(XRD)一維圖譜。堿性蒸煮是最為常用的預處理方法之一，該法對木質(zhì)纖維原料中纖維素及其他組分的結構均產(chǎn)生影響，同時也是改變纖維素晶型的經(jīng)典方法[11]。筆者前期曾研究了梯度堿處理前后毛竹綜纖維素的化學組成與纖維素聚集態(tài)結構變化[12]。結果表明，不同濃度的堿處理造成纖維素晶型由纖維素Ⅰ型(分子鏈平行排列)向纖維素Ⅱ型(分子鏈反平行排列)的遞進轉(zhuǎn)化，該變化伴隨纖維素結晶區(qū)的減少、微纖絲潤脹和宏纖絲束的剝離，有利于后續(xù)酶解時酶的滲入[13]。該結論與諸多報道中纖維素Ⅱ酶解效率變化趨勢一致[14-17]。Jin等[18]將纖維素Ⅰ、Ⅱ型的微晶纖維素制備成去除無定型區(qū)的納米晶體，觀察其在石英晶體微天平(QCM-D)上的原子力顯微鏡(AFM)原位成像，發(fā)現(xiàn)兩種纖維素晶型的晶粒形態(tài)差異較大，纖維素Ⅱ晶體呈顆粒狀排列，具有更松散的聚集和更高的比表面積，有利于纖維素酶的吸附。纖維素Ⅱ的分子鏈呈反平行排列，同時存在角鏈與相鄰內(nèi)部分子鏈層附加的分子間氫鍵，不同于僅有層內(nèi)氫鍵纖維素Ⅰ[19]。纖維素Ⅱ的角鏈存在O3—H…O5 分子內(nèi)氫鍵，以及O6—H…O3的分子間氫鍵，氫鍵的平均長度為2.72 ?，比纖維素Ⅰ中的2.80 ? 稍短。因此纖維素Ⅱ比纖維素Ⅰ的熱穩(wěn)定性更好，同時也證明了纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ的轉(zhuǎn)變是不可逆過程。

圖2 不同纖維素晶型的X射線粉末衍射圖及纖維素晶型間相互轉(zhuǎn)化

研究表明，一些有機溶劑(如N-甲基嗎啉-N-氧化物、氯化鋰/二甲基乙酰胺、磷酸、離子液體等)對纖維素有一定的溶解能力，預處理后的木質(zhì)纖維細胞壁發(fā)生明顯的潤脹解離[20-23]。在溶解后的體系中添加反向溶劑(如水、乙醇、甲醇等)后，纖維素析出再生，再生纖維素的晶型為纖維素 Ⅱ，其形貌也發(fā)生明顯變化。此外，纖維素晶型轉(zhuǎn)變過程中，分子間氫鍵的斷裂重排，造成一部分結晶區(qū)的結構破壞，結晶度下降，孔隙增多[24]。Cheng等[25]研究了不同的木質(zhì)纖維原料以1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽為溶劑分別在120和160 ℃ 預處理后的纖維素結晶結構變化。XRD和小角中子散射(SANS)表征證明了離子液體處理后的纖維素均發(fā)生由纖維素 Ⅰ 到纖維素Ⅱ的晶型轉(zhuǎn)變，且在更高溫度條件下處理時，晶型變化更為明顯，酶解效率也更優(yōu)異。因此，低結晶度的纖維素Ⅱ結構有利于酶解反應，再生纖維素的酶解效率相比存在于天然植物原料中的纖維素Ⅰβ大大提高[26]。但在不同的纖維素溶解體系中，再生纖維素Ⅱ的結晶度也有所差異，酶解效率不盡相同，其具體變化規(guī)律有待深入研究。

除天然纖維素Ⅰ和堿處理或溶解再生法得到的纖維素Ⅱ外，通過液氨爆破處理或者有機胺處理纖維素樣品得到的纖維素Ⅲ也被深入研究。根據(jù)初始纖維素的晶型不同(纖維素Ⅰ或Ⅱ)，得到的纖維素樣品分別為纖維素ⅢⅠ和纖維素ⅢⅡ。這兩種纖維素Ⅲ樣品的衍射圖樣十分相似，但分子鏈的平行或反平行排列方式與其原始纖維素相同。纖維素Ⅲ中分子發(fā)生重排，O6基團偏向O5，形成tg構象。該構象使得纖維素Ⅲ分子內(nèi)氫鍵數(shù)量減少，同時分子間氫鍵數(shù)量增多(圖3)[27-28]。這類分子重排使更多可水解的葡聚糖鏈疏水平面暴露在表面，顯著打破了纖維素的有序結晶結構造成的天然抗降解屏障，使酶解效率提升至原來的5倍。綜上，纖維素的晶型轉(zhuǎn)變通常伴隨著分子鏈的重排，進而造成結晶度、結晶尺寸、晶面間距等結晶參數(shù)的變化。重排后的纖維素晶體一般具有更疏松的結構，有利于纖維素酶的反應，而這類結晶參數(shù)的轉(zhuǎn)變也逐漸成為評價纖維素預處理效果的新指標。

圖3 液氨處理纖維素Ⅰ轉(zhuǎn)化為纖維素ⅢⅠ提高酶解效率示意圖[27]

1.2 纖維素結晶度

纖維素具有由結晶區(qū)和非結晶區(qū)組成的兩相結構，分子鏈排列規(guī)則的區(qū)域，即結晶區(qū)在纖維素中占的比例被定義為結晶度。纖維素的高結晶度是形成生物質(zhì)抗降解屏障、阻礙酶解的主要因素之一。在木質(zhì)纖維素的研究中，測定纖維素結晶度的方法很多，主要有XRD、紅外光譜(IR)、NMR、拉曼光譜(RM)等，其中XRD為最常用的測定手段[29-32]。利用XRD圖譜計算纖維素結晶度的方法分為3種：1)Segal法——通過結晶區(qū)峰高(I200-Iam)與200面的峰高(I200)的比值來計算結晶度。該方法運用范圍最廣，但已被證明其準確性有所欠缺[33-35]。2)結構精修法——借助數(shù)據(jù)處理軟件，導入標準纖維素晶型，對實驗所得XRD譜圖進行分峰擬合，將代表結晶區(qū)纖維素的峰進行積分，并計算結晶區(qū)域峰強度與各衍射峰積分總強度的比值[36]。此方法相對準確性更高，逐漸得到廣泛運用。3)將球磨纖維素作為無定形區(qū)的標樣，衍射峰積分總強度減去無定形區(qū)，即得到結晶區(qū)域的衍射峰強度，從而計算出結晶度數(shù)值。

木質(zhì)纖維素預處理過程中，結晶度變化顯著。纖維素結晶度的降低，促使纖維素酶進入纖絲聚集體內(nèi)核，吸附位點增多，從而提高了酶解效率，但并非所有的預處理均能達到理想的去結晶效果。表1總結了多種預處理方法作用于不同木質(zhì)纖維原料前后結晶度的變化[37-55]。由表1可以發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)纖維素的結晶度變化趨勢各異，主要隨原料種類、預處理方法、反應條件等諸多因素而變化。對于常用的酸、堿、有機溶劑、離子鹽等預處理，其主要目的是降解細胞壁中無定形的半纖維素、木質(zhì)素，使包覆在纖維素周圍的屏障去除，同時使微纖絲潤脹，孔隙率和比表面積增加[56-57]。但是，這一過程通常伴隨排列雜亂的無定形纖維素的降解，使得預處理物料中結晶纖維素的相對含量增加，結晶度反而更高，依然造成較高的生物質(zhì)抗降解屏障。預處理強度進一步增加，如增加酸堿濃度、提高反應溫度等，可更大程度地促進微纖絲的潤脹并加劇纖維素鏈的重排。此時，纖維素結晶結構也隨之打破，結晶度降低[58-59]。

表1 多種預處理方法作用于不同纖維素原料前后結晶度的變化

降低纖維素結晶度的有效方式有機械處理法和溶解-再生法[60]。機械處理法，如球磨、超聲、研磨法等操作簡便，可迅速打破纖維素的高聚集態(tài)結構，降低分子量、結晶度等。筆者曾系統(tǒng)研究了球磨處理高結晶棉纖維的降解機制，發(fā)現(xiàn)球磨處理2 h后，纖維素結晶度從90%降至10%左右，同時分子量、粒徑減小，比表面積和孔隙率增加，有利于纖維素酶的作用[32]。機械處理法常與化學預處理同時或分步進行，以實現(xiàn)木質(zhì)纖維素的高效轉(zhuǎn)化[61]。化學預處理可有效降解植物細胞壁中的木質(zhì)素和半纖維素，實現(xiàn)組分分離，暴露纖維素微纖絲；機械處理則有效降低物料的結晶度，兩種處理方法共同作用，從多角度破解木質(zhì)纖維素的抗降解屏障，促進生物轉(zhuǎn)化效率的提升[62]。除機械處理外，通過溶解-再生法制得的纖維素具有較低結晶度，且其晶型為纖維素Ⅱ。Guo等[63]制備了低結晶度纖維素薄膜，并研究其酶解性能，發(fā)現(xiàn)即使薄膜中存在木質(zhì)素，低結晶度樣品的酶解速率更高。Arantes等[64]提出一種“無定形化”的纖維素酶解模型，認為纖維素酶解的過程可分為三步：纖維素酶吸附在纖維素的致密表面，此時纖維素分子鏈逐漸疏松，出現(xiàn)無定形化現(xiàn)象；纖維素鏈在內(nèi)切、外切葡聚糖酶的協(xié)同作用下被迅速水解為纖維二糖；纖維二糖被β-葡萄糖苷酶進一步水解為葡萄糖。這種模型雖然得到一部分學者的認同，但對于低結晶度纖維素來說，不同方法制備的無定型區(qū)結構依舊存在差異，與纖維素酶的吸附、反應情況仍值得深入探索。

1.3 纖維素結晶尺寸與晶面間距

纖維素晶粒的大小(結晶尺寸)和晶面間距是衡量纖維素晶體性質(zhì)的一項主要指標，對木質(zhì)纖維素酶解糖化也具有較大影響。纖維素晶粒尺寸指微纖絲中相距最遠的晶面間的寬度，與微纖絲中的分子鏈數(shù)量有關。普遍觀點認為，單根基元纖維中含有36條纖維素分子鏈，呈六邊形排列，但根據(jù)原料的不同，基元纖維可進一步拆分為18條或24條纖維素分子鏈[65]。一般來說，禾本科原料基元纖維中的纖維素鏈數(shù)量多于木、竹材原料[66]。在針葉木原料脫木質(zhì)素過程的研究中，氧化脫木質(zhì)素和亞氯酸鈉脫木質(zhì)素的處理條件不同對結晶度和結晶尺寸均產(chǎn)生影響[67]。氧化脫木質(zhì)素和亞氯酸鈉脫木質(zhì)素都增加了針葉木中纖維素結晶區(qū)所占比例，且氧化脫木質(zhì)素對結晶尺寸的影響更為明顯。同時，結晶尺寸也隨處理條件而變化。處理時間、濃度和處理溫度等處理強度的提升使纖維素中晶粒聚集、結晶尺寸增加。結晶尺寸的大小決定了結晶區(qū)纖維素鏈的暴露程度，影響其與纖維素酶的接觸。Nishiyama等[68]對楊木樣品進行液氨爆破、蒸汽及稀酸預處理，結果表明3種預處理方法均提高了結晶尺寸。其原因可能是相鄰的纖維素分子鏈在共晶面處發(fā)生了局部共結晶作用。液氨爆破預處理后楊木中纖維素晶型轉(zhuǎn)化為纖維素Ⅲ，且結晶尺寸由未處理樣品的2.4 nm增加至2倍以上(5.8 nm)，遠超過稀酸處理和蒸汽預處理后的結晶尺寸(3.1和4.1 nm)，同時，代表200晶面的峰位(約2θ=22.5°)發(fā)生右移。根據(jù)布拉格公式，該現(xiàn)象證明了纖維素晶體中(200)平面的晶面間距有所降低[69]。類似的情況發(fā)生在堿性預處理中，堿液浸透結晶區(qū)，擾亂了纖維素晶體的有序堆砌，晶面間距增加，體系中的水分子進入雙鏈晶胞單元，造成晶胞潤脹，形成纖維素Ⅱ水合物，打開了纖維素Ⅱ的疏水平面，有利于酶吸附反應[15,70]。因此，通過一定的預處理方法擴展纖維素晶體疏水平面的晶面間距是提高酶解效率的有效方式。最新研究表明，隨著酶解的進行，纖維素晶體的疏水晶面面積逐漸增大，且逐步發(fā)生自發(fā)聚集[71]。這一現(xiàn)象使得暴露在晶體外的羥基進一步減少，纖維素酶在纖維素晶體表面的吸附效率降低，難以進一步水解，直至酶解糖化達到終點。

上述預處理方法均可有效去除纖維素表面的生物基質(zhì)(木質(zhì)素與半纖維素)，使得更多的微纖絲暴露出來，并在溶劑中發(fā)生潤脹，增大纖絲與纖維素酶的接觸面積。此時，纖維素鏈的氫鍵作用減弱，但在一定條件下可能發(fā)生共結晶和重結晶作用，造成結晶尺寸增加。Kuribayashi等[72]進一步研究了纖維素結晶尺寸變化和纖維素內(nèi)部共結晶機理。研究發(fā)現(xiàn)，在水熱處理溫度超過180 ℃時，木材樣品中纖維素結晶尺寸增加1倍，該結論與楊木液氨纖維爆破的結果相似[68]。高溫打破了纖維間水分的結合，相鄰纖維素晶胞之間親水的(1-10)和(110)平面間距靠近，發(fā)生聚集重排，形成與纖維素鏈垂直的斜方晶系。值得注意的是，纖維素的這種共結晶現(xiàn)象增加了纖維素晶粒的疏水平面間距，使微纖絲進一步暴露，從而增加纖維素酶的接觸位點，增效酶解反應。

2 纖維素纖絲聚集體變化

2.1 纖絲聚集體潤脹與解離

纖維素大分子組裝聚集形成的不同尺度和形態(tài)結構的纖維稱為纖維素的纖絲聚集體。在木質(zhì)纖維細胞壁中，具有兩相結構的纖維素基元纖維通過氫鍵以及分子間作用力進一步交聯(lián)，形成尺度更大的微纖絲，其直徑為5～60 nm[73]。小角X射線散射(SAXS)是研究纖維表面粗糙度、孔徑大小、纖絲聚集，甚至細胞壁中木質(zhì)素聚集態(tài)結構的優(yōu)良手段[8,74]。根據(jù)布拉格公式[69]：

nλ=2dsinθ

可得：SAXS對樣品的入射角度比XRD更小，從而在微纖絲微孔處發(fā)生散射現(xiàn)象，并通過接收器獲得散射信息，計算材料微觀尺度范圍較廣，可從納米級延伸至微米級。對不同預處理條件下楊木的SAXS圖樣觀測發(fā)現(xiàn)，未處理樣品的二維散射圖樣呈現(xiàn)出與纖維縱軸垂直的長條紋狀，說明天然條件下微纖絲的排列具有一定的取向[68]。而經(jīng)過稀酸、蒸汽爆破和液氨處理的樣品，二維散射圖具有寶石狀結構，且顏色更深，纖維排列無序，呈現(xiàn)各向同性。但在某些未處理的植物纖維樣品的SAXS散射圖樣中也出現(xiàn)了寶石形狀的厚條紋形狀[75]。該現(xiàn)象是由于未處理樣品的微纖絲在沿著纖維方向的排列存在孔隙。但在堿處理后，寶石狀的圖樣向四周發(fā)散，出現(xiàn)更為明顯的各向同性散射形狀，進一步證明堿處理對纖維素纖絲排列結構具有明顯的破解作用。筆者曾采用一種新型的乙酰丙酸基低共熔溶劑處理毛竹原料，并進行微纖絲聚集形態(tài)研究[76]。發(fā)現(xiàn)利用乙酰丙酸與氯化膽堿(圖4中LA-Ch樣品)所合成的低共熔溶劑處理毛竹纖維素效果優(yōu)異，其二維SAXS圖樣也呈現(xiàn)寶石形狀，處理后的纖絲排列具有各向異性(圖4)。進一步的定量計算表明，纖維素微纖絲在垂直于纖維軸向的方向上受低共熔溶劑預處理影響，出現(xiàn)約為30 nm的微孔。微纖絲的斷裂和排列變化顯著提高了酶解效率。

圖4 乙酰丙酸基低共熔溶劑處理毛竹原料小角X射線散射圖[76]

在木質(zhì)纖維細胞壁中，纖維素的微纖絲束相互交聯(lián)，進一步聚集成宏纖絲。分子模擬研究表明，由于分子內(nèi)氫鍵O2—O6’的存在，微纖絲在交聯(lián)過程中，發(fā)生右手方向的螺旋扭轉(zhuǎn)，這種扭轉(zhuǎn)普遍存在于細胞壁中，且隨著微纖絲的長度增加而減弱[77]。該現(xiàn)象對纖維素的排列取向、與細胞壁其他組分的相互連接以及與纖維素酶的吸附作用均產(chǎn)生一定影響。細胞壁中木質(zhì)素和半纖維素的含量比重僅次于纖維素，且與纖維素共同聚集擴張，形成穩(wěn)定的三維多尺度結構。纖維素、木質(zhì)素和半纖維素在細胞壁中的分布具有不均一性，其中木質(zhì)素在細胞角隅區(qū)和胞間層含量最多，而碳水化合物主要存在于細胞初生壁和次生壁中，且以面積最大的次生壁S2層為主[78]。半纖維素在細胞壁三維骨架中充當“黏結劑”的作用，以醚鍵、酯鍵等方式連接外層包覆的木質(zhì)素，又以氫鍵為主要作用力與內(nèi)層的纖維素纖絲相連(圖5)[79]。在多種化學、物理預處理方法中，半纖維素均可輕易解離、溶出，但其與纖維素連接鍵的破解機制仍未得到明確解譯。其主要原因是，纖維素與半纖維素均屬于碳水化合物，官能團結構相似，難以被IR、RM等常規(guī)檢測儀器有效分辨。Thomas等[80]利用SANS對云杉細胞壁的研究表明，纖維素微纖絲聚集態(tài)中存在距離為3.8 nm左右的空隙，供水分子游離；而木聚糖為主的半纖維素片段與微纖絲的親水面結合，進一步增加了纖絲之間的空隙。但分子模擬研究表明，熱化學處理過程中，纖維素-半纖維素這種親水面的結合孔隙隨著溫度的升高而減小，該現(xiàn)象可能是由于孔隙中水分的蒸發(fā)，使半纖維素與纖維素間的氫鍵作用增多[81]。這種重構現(xiàn)象使細胞壁結構更致密，加劇了細胞壁的抗降解屏障。

圖5 植物次生壁中纖維素、半纖維素(木聚糖為主)及木質(zhì)素聯(lián)接機制[79]

2.2 細胞壁解構

細胞壁中的半纖維素和木質(zhì)素對纖維素微纖絲的排列有顯著影響并進一步影響其生物轉(zhuǎn)化。近來，有學者制備細菌纖維素與木聚糖和甘露聚糖的復合物以模仿植物細胞壁中碳水化合物的相互作用。酸處理復合物樣品的SAXS圖譜研究表明，纖維素微纖絲的形貌和尺寸未發(fā)生明顯變化，但由于酸處理過程水解大量半纖維素，微纖絲間的孔隙尺寸增加，有利于酶的進入，同時接觸面積增加，酶的反應位點增多[82-83]。在細胞壁中，木質(zhì)素包覆在纖維素微纖絲表面，降低其比表面積，影響纖維素酶的接觸，是形成生物質(zhì)抗降解屏障的主要因素之一[84]。堿預處理可溶解部分木質(zhì)素，暴露纖維素微纖絲，溶出的堿木質(zhì)素無規(guī)則形狀，其尺寸約為3.2～7.0 nm[85]。在不同木質(zhì)纖維原料中，木質(zhì)素對纖維素酶解的阻礙作用也有所差異，這是由于木質(zhì)素的分子結構、分子量、親疏水性以及預處理后在纖維素表面的殘留量不同。Takada等[86]對木質(zhì)纖維原料的蒸汽預處理研究發(fā)現(xiàn)，盡管處理強度均十分劇烈，冷杉和玉米秸稈中的木質(zhì)素在預處理后的脫除程度和內(nèi)在結構差異較大，造成纖維素微纖絲形貌也不盡相同。具有更低分子量且更多親水性木質(zhì)素的玉米秸稈在預處理后的酶解糖化效率更高，其根本原因是此類木質(zhì)素對纖維素微纖絲的包覆程度有限，微纖絲結構更為疏松，比表面積更大，有利于酶的吸附與水解。

對木質(zhì)纖維細胞壁在預處理前后組分的溶出與降解過程的直觀檢測依賴于多種成像技術。Zhou等[87]利用新型的γ-戊內(nèi)酯預處理方法在溫和條件下處理楊木細胞壁，并通過免疫熒光標記和免疫金標記觀測其微觀結構變化。研究發(fā)現(xiàn)兩種細胞壁組分的溶出過程具有協(xié)同作用。在纖維細胞次生壁中，木質(zhì)素醚鍵的斷裂與木聚糖的脫除量變化趨勢一致。同時，XRD擬合計算表明，木質(zhì)素的脫除對纖維素疏水的(200)晶面暴露更為有利，從而促進纖維素酶解。對禾本科原料的纖維細胞壁組分微區(qū)分布的共聚焦激光顯微鏡(CLSM)和透射電子顯微鏡(TEM)研究發(fā)現(xiàn)，化學預處理中木質(zhì)素和木聚糖的協(xié)同脫除從胞間層中開始，并向初生壁和次生壁遷移(圖6)[88]。該現(xiàn)象伴隨著細胞壁的塌陷和剝離，其表面形貌明顯變化，暴露出更多的微纖絲[89]。此外，機械預處理對細胞壁的結構和組分微區(qū)分布也存在明顯的破壞作用，且這種作用與細胞壁初始的含水率有關[90]。細胞壁中含水率越高，次生壁在機械預處理后受到的破壞更為嚴重，這是由于次生壁中具有親水性的碳水化合物含量較其他微區(qū)更高，結合水分后更易被破壞降解。綜上，生物質(zhì)預處理效果的影響因素主要包括原料結構特性、預處理方法、預處理強度等。預處理過程中細胞壁三大組分的遷移規(guī)律是生物煉制基礎研究中的重點，其最終目標是將次生壁中的纖維素微纖絲充分解離，從而使植物細胞壁解構，抗降解屏障完全破除。

圖6 稀酸處理奇崗薄壁細胞壁共聚焦激光顯微鏡(a,b,c)和透射電子顯微鏡(d,e,f)成像變化

3 展 望

利用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)清潔、可再生能源的探索仍是時代發(fā)展潮流中的研究熱點，其中前期的物料預處理是完成木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化的必經(jīng)之路，預處理創(chuàng)新方法的報道也層出不窮。筆者認為未來重點研究方向為：

1)針對纖維素的超分子結構的特異性與纖絲聚集體的尺度復雜性，在高效脫木質(zhì)素與半纖維素的基礎上，建立合理預處理方法，實現(xiàn)微纖絲的高效潤脹與解離、結晶纖維素中疏水平面面層間距的擴張以及纖維素的去結晶化，實現(xiàn)全組分協(xié)同預處理；

2)細胞壁中纖維素與半纖維素多糖的作用機制研究，即纖維素超分子結構與半纖維素多糖之間的氫鍵體系構建及在預處理過程中的破解機理。

對預處理過程中纖維素超分子結構的深入研究和發(fā)掘，有助于完善生物質(zhì)抗降解屏障理論體系，并建立宏觀、合理的預處理方法策略，全方位破除木質(zhì)纖維素的抗降解屏障，從而高效服務于生物煉制產(chǎn)業(yè)。