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木质素磺酸钠基聚氧乙烯醚对木质纤维素酶解的影响及强化调控

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本文研究了木质素磺酸钠基聚氧乙烯醚LS-PEG的PEG链长、PEG含量和

聚合物重均分子量对微晶纤维素和玉米秸秆酶解的影响。随着LS-PEG中PEG

含量和重均分子量的增大,LS-PEG强化玉米秸秆的低固酶解效率增大，从空白

的16.7%增加到51.9%。同时添加阳离子表面活性剂CTAB时，LS-PEG强化

玉米秸秆的酶解效率可以进一步增强：低固酶解效率从45.3%提高到62.8%，

酶解效率从61.1%提高到70.5%。CTAB的季铵阳离子与LS-PEG的磺酸盐

阴离子通过静电引力作用相结合，形成CTAB-LS-PEG类木质素基非离子表面

活性剂，不仅可以分散纤维素酶体，也可以吸附在木质素上并改善其亲水

性，从而显著地减少纤维素酶在木质素上的无效吸附和显著提高木质纤维素的

酶解效率。

：lignosulfonate-basedpolyoxyethyleneether;hydrophilicity;enzymatic

hydrolysis;CTAB;charge

1.前言

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，日益引起人们的关注。木质纤维

素主要成分为纤维素（40-45％），半纤维素（30-35％）和木质素（25-30％），其

以经过酶水解反应转化为糖。但是，由于木质纤维素的顽抗性，木质纤维素酶解

之前需要经过预处理脱除木质素、半纤维素或改变木质素的分布，以提高木质纤

维素的酶解效率(3)。较为成稀酸法预处理可以有效脱除半纤维素，但是酸性

高温条件会产生抑制酶解发酵的中间产物(4,5)。另外，木质素会发生重新聚合并

通过和无效吸附纤维素酶从而减少纤维素酶在纤维素上的吸附(6-8)，严

重影响到木质纤维素的酶解效率。

木质纤维素预处理过程中全部脱除木质素的成本高(9)。疏水作用是木质素

无效吸附结合纤维素酶的主要作用方式(10,11)。在预处理过程在木质素上接上

羧酸基或磺酸基以提高其亲水性，有利于木质纤维素的酶解(12,13)。近年来发展

了一种较新的SPORL法预处理方法(14,15)，它采用亚硫酸盐在酸性条件下预处

理木质纤维素，在脱除半纤维素的同时，木质素通过磺化改性变成水溶性良好的

木钠。SPORL法预处理后的木质纤维素不需要分离和洗涤脱毒，可以直接用于

酶解发酵，纤维素乙醇的浓度高达42g/L和理论得率高达70%(16,17)。木钠的

亲疏水性和带电性对木质纤维素酶解效率的影响很大(18)。磺化度低时，导致木

钠大分子的亲水性差，会与纤维素酶产生无效吸附，抑制酶解进行(19,20)；磺化

度高时，导致木钠带明显的负电性，影响到纤维素酶的酶活，可能会抑制酶解效

率(18,21)。

聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂强化纤维素酶解效率作用最为显著(22)。最

近我们了由酶解木质素合成的木质素聚氧乙烯醚可以减少纤维素酶在木质

素上的无效吸附，强化木质纤维素酶解效率显著优于PEG4600(23,24)。本文最

直接的目的是对木钠进行PEG改性，以改善其亲水性同时不增加负电性，并考

察该改性木钠对木质纤维素酶解效率的影响。木质纤维素预处理废液进行PEG

改性，并用作预处理后木质纤维素的酶解助剂，实现木质纤维素资源的综合高效

利用，如图Fig.1所示。

本文通过控制PEG接枝反应条件合成一系列不同PEG链长、不同PEG含

量和不同重均分子量的LS-PEG，研究了LS-PEG的分子结构对微晶纤维素和玉

米秸秆酶解效率的影响。另外，采用阳离子表面活性剂来调控LS-PEG的带电性

和亲疏水性，其对玉米秸秆酶解的影响，并揭示LS-PEG强化木质纤维素酶

解的作用机理。

2.实验方法

2.1实验原料

经过180℃蒸汽5min预处理后的玉米秸秆由天冠公司提供。玉米

秸秆在121℃灭菌1h,然后多次水洗去除水溶物，50℃下干燥48h。玉米秸秆，

通过两步法酸解，测出纤维素、酸不溶性木质素、木聚糖和灰分的含量分别为

30.8%、27.6%、14.2%和22.1%。