假木質素沉積及對纖維素酶解的影響研究進展*

沙如意 張沙沙 余 瞻 趙福權 蔡成崗,3,4 肖竹錢,3,4 毛建衛,3,4

(1. 浙江科技學院生物與化學工程學院 杭州310023； 2. 浙江省廢棄生物質循環利用與生態處理技術重點實驗室 杭州310023； 3. 浙江省農產品化學與生物加工技術重點實驗室 杭州310023； 4. 浙江省農業生物資源生化制造協同創新中心 杭州310023)

資源是經濟和社會可持續發展的重要物質基礎。隨著世界各國對資源需求的不斷增長以及對環境保護的日益重視，開發和研究可再生資源代替被過度開采和使用的不可再生資源，已成為各國在資源利用方面共同的發展方向。以木材和草類纖維為代表的木質纖維素類生物質是地球上最豐富的可再生資源，年產量約2 000億t，有效利用木質纖維素類生物質可以降低人類對化石燃料資源的依賴(Zhang， 2008)。木質纖維原料主要由纖維素(38%～50%)、半纖維素(23%～32%)、木質素(10%～25%)以及少量的果膠、蛋白質和灰分等組成，為提高木質纖維素類生物質的轉化率，提升纖維素酶的水解效率和可發酵性糖產量，降低纖維素酶的使用量和生物質轉化成本，需對木質纖維素類生物質進行預處理，以打斷木質素、纖維素、半纖維素之間的天然抗降解屏障，釋放出包裹在內部的纖維素組分，提高纖維素酶的可及性(Puetal., 2013)。

木質纖維素類生物質預處理主要有物理法、化學法、物理化學法和生物法，其中應用較多的是采用質量分數小于4%的稀酸法(如鹽酸、硫酸和硝酸等，120～210 ℃)、高溫熱水法、蒸汽爆破法和液相水熱法等(Yangetal.， 2006； Kumaretal.， 2009)。不同預處理方法可溶解和去除原料中的木質素或大部分半纖維素等，有利于提高纖維素酶的可及性。木質素對纖維素酶解具有明顯抑制作用，通過預處理降低木質素含量有利于提高纖維素酶解效率。研究表明，利用稀酸和高溫熱水等劇烈方式對木質纖維進行預處理后，Klason木質素相對含量反而會增加，預處理過程中沉積的假木質素比木質素更加明顯地抑制木質纖維素類生物質轉化(Mengetal.， 2017)。通常，將生物質預處理過程中生物質碳水化合物的脫水或聚合產物形成的酸不溶性物質稱為“假木質素”(pseudo-lignin)，假木質素是一種芳香族類化合物，并非來自于生物質中的天然木質素，可以球狀等形式沉積在預處理后的生物質細胞壁表面和內部，導致Klason木質素含量增加(Sannigrahietal.， 2011)。本研究綜述木質素液滴和假木質素沉積對纖維素酶解的影響，以期為構建高效的木質纖維素類生物質轉化路徑提供科學指導。

1 木質素液滴和假木質素沉積的形成

1.1 木質素液滴沉積的形成

木質纖維類生物質預處理過程中，木質素會以液滴形式沉積于纖維素表面(表1)。稀酸預處理可導致木質素液滴無序排列于細胞壁外部邊界，在強酸或高溫條件下更容易觀察到木質素的重新定位和再分布。利用稀酸對玉米(Zeamays)秸稈(Donohoeetal.， 2008)、甘蔗(Saccharumofficinarum)渣(Colettaetal.， 2013)、玉米莖(Seligetal.， 2007)、竹子(Phyllostachys)(林玲等， 2014)等木質纖維進行預處理時，木質素會易位、重新分布，形成不同形態的木質素液滴(Pingalietal.， 2010； Holopainen-Mantilaetal.， 2013； Liu， 2015)，覆蓋在細胞壁表面阻止酶進一步接近細胞壁組分，從而降低纖維素酶的可及性(Colettaetal.， 2013)。木質纖維水熱預處理過程中也會產生木質素液滴，Kristensen等(2008)借助原子力顯微技術，在水熱處理小麥(Triticumaestivum)秸稈時觀察到處理后的細胞表面出現類似于稀酸預處理時的木質素球狀顆粒，Demartini等(2011)利用選擇性單克隆抗體免疫標記技術觀察到水熱預處理楊樹(Populus)表面的木質素液滴，Li等(2014a)進一步利用掃描電子顯微鏡和濕化學分析研究高溫熱水預處理后的微晶纖維素和楊木混合物，發現來源于楊木的木質素液滴會遷移到纖維素表面，證實在劇烈預處理條件下更加容易形成木質素液滴的沉積。

表1 不同原料在不同預處理條件下的木質素液滴Tab.1 Lignin droplets of different raw materials under different pretreatment conditions

續表1

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對于木質素液滴形成機制，一般認為木質素聚集體起初存在于預處理材料中，后隨著預處理溫度增加，木質素達到相轉變溫度(120～200 ℃)，分子鏈微布朗運動加快，木質素軟化呈熔融狀態，具有一定流動性，進而在細胞腔和胞間層基質內聚結形成液滴(Donohoeetal.， 2008; Seligetal.， 2007; 林玲等， 2014)。此外，由于木質素具有疏水性，表面張力較高，細胞壁層內的靜水壓力會迫使一部分木質素遷移到外表面，進而與稀酸預處理后的物料接觸并重新沉積于植物細胞壁表面(Holopainen-Mantilaetal.， 2013)。

1.2 假木質素的沉積及結構表征

1.2.1 假木質素的沉積 稀酸可有效水解半纖維素，破壞木質素和半纖維素間的結構，提高纖維素酶的可及性，普遍應用于硬木、軟木、草類、農業廢棄物和報紙等生物質預處理中。以往研究認為，通常情況下稀酸預處理對木質素含量影響不大，如Cao等(2012)在170 ℃下利用稀酸對毛果楊(Populustrichocarpa)預處理0.3～26.8 min，結果發現木質素含量(24.4%～25.9%)與未處理(24.6%)相似。然而，最近越來越多的研究表明，在不添加有機溶劑的條件下，僅利用稀酸常常不能有效去除木質素或顯著降低木質素含量，相反還會導致木質素相對含量增加(Mengetal.， 2017)，如表2所示。

表2 不同原料預處理后的木質素含量變化①Tab.2 Changes of lignin content of different raw materials after pretreatment

續表2

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①總纖維含量為纖維素和半纖維素含量之和；木質素含量為酸不溶性和可溶性木質素含量之和。The total fiber content is the sum of cellulose and hemicellulose；The lignin content is the sum of acid insoluble and soluble lignin content.

Mao等(2010)在140～180 ℃條件下利用稀酸處理玉米秸桿，結果木質素含量增加2%～6%。Foston等(2010)在高溫條件下利用稀酸處理楊木，發現Klason木質素含量從25%增加到40%。類似地，Samuel等(2010)在190 ℃下利用稀酸預處理柳枝稷(Panicumvirgatum)1 min，木質素含量增加10%。Hashmi等(2017)利用自水解預處理甘蔗渣，發現溫度從110 ℃增加至190 ℃，總木質素含量從30.9%增加至41.8%，相應地，木聚糖含量從18.9%降至8.2%。相似地，Hao等(2017)在175 ℃、8.5×105～10.0×105Pa條件下對松木(Pinus)進行自水解預處理并保持85 min，預處理后半纖維素類單糖含量顯著下降，葡聚糖從39.88%增加至42.54%，而酸不溶性木質素含量由32.06%增加至46.11%。經過劇烈條件自水解預處理后，木質素含量增加可能歸因于大量半纖維素去除而保留大部分木質素所致，也可能與形成假木質素有關。不僅僅稀酸預處理可以導致木質素含量增加，楊雪霞等(2001)利用氣爆對玉米秸稈進行氨化預處理，也發現木質素含量增加的現象。這其中一部分原因可能是預處理過程中以半纖維素為代表的糖類化合物的損失，木聚糖含量下降，導致得到的酸不溶性木質素含量比未處理前反而增加(林玲等， 2014； Singhetal.， 2015； Normarketal.， 2016； Brazdausksetal.， 2016)； 然而Sannigrahi等(2011)則認為預處理后木質素含量增加與生物質中碳水化合物脫水和聚合形成的酸不溶性物質——假木質素有關，其利用稀酸處理楊木綜纖維素時，發現具有球形結構的假木質素沉積于稀酸處理后的生物質細胞壁表面。

Normark等(2016)在嚴峻烘焙條件下(310 ℃，25 min)處理挪威云杉，也發現假木質素的沉積現象。利用不同酸對木質纖維進行預處理也會生成不同含量的假木質素，如磷酸預處理比硝酸預處理可能產生較少量的假木質素(Boonsombutietal.， 2015)。此外，高溫熱水(Koetal.， 2015)、氯化鋁水熱催化(Shenetal.， 2016)、高壓熱水(Yangetal.， 2015)、自水解(Sipponenetal.， 2014a)、加壓熱水(Leeetal.， 2017)等預處理木質纖維也觀察到假木質素沉積。本研究分別利用硫酸和植酸溶液對毛竹(Phyllostachysedulis)粉進行高溫預處理(121 ℃、60 min)，可看到橢球形的沉積物形成于纖維素表面(圖1箭頭所示)。酸不溶性木質素-假木質素的增加可能與生物質多糖降解產物和木質素聚合、重構形成的假木質素有關(Puetal.， 2013； Sunetal.， 2014)。Wang等(2017)利用水熱法與強氫氧化鈉相結合預處理桉樹(Eucalyptus)，預處理溫度從180 ℃增加至200 ℃，木質素得率從5.1%增加至7.5%，相應地，總糖從0.16%下降至0.10%，其認為在此溫度范圍內木質素與半纖維素間的鍵斷裂，導致木質素遷移，以濃縮木質素液滴的形式存在于細胞壁上，從而有利于后期堿的提取。此外，也可能是形成假木質素所致，這是因為Wang等(2017)將溫度繼續增加至210 ℃，木質素含量降至2.7%，而總糖含量僅為0.03%，更加可能是在此劇烈預處理條件下，碳水化合物和木質素降解產物形成假木質素。假木質素沉積的形成一定程度上解釋了稀酸處理后的生物質中觀察到更高含量木質素，且假木質素含量隨著預處理嚴重程度增加而急劇增加(Kumaretal.， 2013； Sipponenetal.， 2014b)。

圖1 不同稀酸預處理的毛竹表面Fig.1 Scanning electron microscopy of bamboo surface with different dilute acid pretreatmenta. 硫酸Sulfuric acid(2 000×)； b. 植酸Phytic acid(5 000×).

1.2.2 假木質素形成機制 許多研究者在生物質預處理過程中都觀察到了假木質素沉積，但由于假木質素的結構和形成條件的復雜性，對于假木質素具體形成機制還尚未有定論。

對假木質素結構進行分析發現，其中含有大量不飽和碳原子，說明在生物質酸預處理過程中碳水化合物水解成相應的單糖，繼而發生脫水反應和分解反應(Mengetal.， 2017)。表3歸納了不同預處理條件下假木質素的形成。在Li等(2005； 2007)的研究中，其推測認為多糖的降解產物(如糠醛)可能與木質素聚合形成木質素的類似物——假木質素，該現象可歸因于在稀酸條件下，伴隨著木質纖維預處理過程中多糖的損失，通過酸催化脫水反應，木糖和葡萄糖可分別形成糠醛和5-羥甲基糠醛(HMF)。進一步地，糠醛和/或HMF經重排可以產生芳族化合物，可能作為假木質素形成的中間產物，如木質素酸降解的主要產物為3,8-2-羥基-甲色酮，5-羥甲基糠醛(HMF)經水解開環反應可以生成1,2,4-苯三醇(BTO)等中間產物，這些中間產物經過聚合和/或縮聚反應最后形成假木質素(Mengetal.， 2017； Huetal.， 2012)。然而，假木質素的形成量與生物質本體中的木質素含量并無太大關聯性，Sannigrahi等(2011)認為，在稀酸預處理過程中，假木質素可由生物質中的碳水化合物轉變而成，而木質素的貢獻率不明顯。

另一方面，假木質素的形成具有溫度相關性，當前大部分研究集中于加熱預處理過程后假木質素的形成情況，事實上當預處理結束后，隨著反應溫度降低，溶解在水解液中的木質素或其類似物也可能重新沉積到生物質表面，這也可能是在木質纖維預處理過程中假木質素沉積的原因之一。在生物質預處理過程中存在著多種形態的假木質素，取決于預處理溫度條件。Yang等(2015)發現預處理溫度達到180 ℃，能夠觀察到游離的微球狀假木質素，溫度高于200 ℃或低于120 ℃，則觀察不到游離假木質素，而吸附型的假木質素在較廣的溫度范圍內都比較容易形成。同樣地，最近有研究表明，在預處理溫度下收集到的木材樣品中并未檢測到假木質素存在，從而證實假木質素是在冷卻過程中產生的。這就要求預處理后需要及時將生物質與水解液分離開，以降低冷卻誘導假木質素的形成。通過對水解液進行分析，Zhuang等(2017)發現解聚的木質素和呋喃分別占假木質素組成的80.4%和10.6%，而碳水化合物水解得到的可溶性糖與冷卻誘導的假木質素形成無關。這一發現與Sannigrahi等(2011)研究結論不一致，可能與預處理生物質的結構、預處理方式和操作條件等因素有關。由此可見，假木質素的形成非常復雜，對于木質素具體形成機制還有待于進一步研究和證實。

表3 不同原料預處理后形成的假木質素Tab.3 Pseudo-lignin formation after pretreatment with different raw materials

續表3

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為進一步研究假木質素的形成機制，基于稀酸水解預處理和蒸汽爆破預處理的相似性，Lam等(2009)結合稀酸水解中木聚糖的解聚一級反應動力學模型及醋酸中木質素溶解和縮合反應一級動力學模型，引入包括糠醛和木質素聚合在內的旁路反應，提出蒸汽爆破過程中假木質素形成預測模型能夠比較準確地模擬試驗數據。但是將此模型用于不同來源的原料和預處理工藝條件下的假木質素形成過程還需要進一步完善，如酸催化的歧化機制也可能伴隨著假木質素的形成(Fanetal., 2012)。高溫和酸是假木質素形成的關鍵因素，理解假木質素形成機制，有利于在生物質預處理過程中調控假木質素的沉積，從而有利于提高纖維素酶解效率。

盡管目前已有大量關于假木質素形成機制的研究，但是假木質素結構的復雜性和多樣性、形成條件的不確定性、反應體系的異質性以及多相催化的復雜性使得假木質素的形成機制尚無定論。可以推測的是，假木質素結構中存在高含量的不飽和碳，這表明在稀酸、高溫熱水、蒸汽爆破等預處理過程中，纖維素和半纖維素分解成相應的單糖，單糖組分在劇烈預處理環境下可能經過解聚、分子重排、聚合等化學反應形成假木質素的中間產物，進而形成假木質素，至于木質纖維本體中的木質素在假木質素形成過程中所起的作用還需要進一步研究。在不同原料和預處理條件下，會出現不同形態的假木質素，未來研究應重視不同形態的假木質素形成機制研究，可以通過構建化學反應數學模型、借助于人工神經網絡模型及先進的深度學習算法等進行假木質素形成過程動力學的模擬和預測，從而全面揭示假木質素的形成機制。

Donohoe等(2008)利用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)研究稀酸預處理玉米秸稈表皮組織過程中生物質組分溶解規律，發現木質素以球狀顆粒形式分布于胞間層、紋孔及細胞次生壁各個亞層，且這些球狀顆粒通過紋孔區域被擠出到細胞壁表面。采用共聚焦熒光顯微技術結合免疫熒光標記觀察稀酸預處理前后玉米莖部組織木聚糖分布規律的變化，發現在厚壁細胞次生壁中層、次生壁內層與胞間層區域，木聚糖的熒光信號隨處理時間變化同步增減，這為預處理過程中木質素的遷移和重分布假設提供了重要依據(Bruneckyetal.， 2009)。Chu等(2010)利用堿預處理芒草(Miscanthus)，采用顯微共聚焦拉曼光譜成像(CRM)觀察到薄壁細胞壁中木質素和纖維素共存，同時木質素-半纖維素復合物在細胞壁內部呈現球狀結構。Sannigrahi等(2011)利用掃描電鏡觀察到稀酸預處理綜纖維素表面沉積有球狀顆粒，采用紅外光譜和核磁共振譜證實球狀顆粒是由碳水化合物和木質素降解產物組成的假木質素。利用共聚焦和熒光壽命成像顯微鏡，Coletta等(2013)觀察到稀酸預處理甘蔗渣后木質素球狀顆粒沉積于細胞壁的外部邊界。林玲等(2014)利用環境掃描電鏡(ESEM)和X射線光電子能譜(XPS)分析預處理竹表面的形態和木質素含量，結果顯示，水解后竹片表層物質的木質素特征峰(1 423、1 510和1 600 cm-1)不斷增強，說明水解使得竹子內部木質素類物質向著竹片表層和表面遷移，從而造成表層木質素含量增加。

目前，越來越多的先進方法和設備用于表征假木質素結構，對假木質素含量的精確定量也至關重要。為了檢測木質纖維預處理過程中假木質素的含量，Ma等(2015)利用XPS跟蹤熱水預處理全纖維素過程中假木質素的形成，通過定量測定C和O含量達到對假木質素形成量的檢測，相應地，FTIR和CP/MAS13C-NMR幾乎無響應，結果表明形成假木質素后，C1由8.9%增加至23.0%，O/C含量由0.68降至0.54，而木質素含量由1.0%增加至6.2%。對假木質素含量進行精準定量，有利于更準確確定假木質素可能的形成機制。鑒于在預處理后的冷卻過程中也會不斷形成假木質素，開發原位在線、操作簡單、針對木質素和假木質素等多重組分聯合分析、高通量的假木質素含量檢測方法是未來的研究方向之一。

2 假木質素對纖維素酶解的影響

2.1 木質素液滴對纖維素酶解的影響

在木質纖維酶水解過程中，天然木質素作為物理屏障降低酶的可及性，且通過疏水性相互作用不可逆地結合酶，導致酶活性的損失(Yangetal.， 2006)。與天然木質素不同，木質纖維預處理過程中形成的木質素液滴更加顯著地抑制纖維素酶解(Koetal.， 2015)。

表4 不同大類生物質材料本體構造成分及其假木質素特征Tab.4 Structural components and characteristics of pseudo-lignin with different biomass materials

續表4 Continued

續表4 Continued

①纖維素含量以葡萄糖計；半纖維素含量以阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、木糖和半乳糖等計；Mn為數均分子質量(g·mol-1)，Mw為重均分子質量(g·mol-1)，Mw/Mn為重均分子質量與數均分子質量之比，表示多分散性。Cellulose content is calculated by glucose; Hemicellulose content is calculated by arabinose, mannose, glucose, xylose, galactose, etc.;Mnis the number average molecular weight(g·mol-1)，Mwis the weight average molecular weight(g·mol-1)，Mw/Mnis the ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight, indicating polydispersity.

Selig等(2007)研究發現，在稀酸預處理濾紙片過程中，向其中添加源于玉米莖皮的木質素，木質素會以球形形式沉積在纖維素表面上，降低酶解速率，但其研究并不能區分球形沉積物是源于木質素還是假木質素。進一步地，Donohoe等(2008)發現稀酸預處理后沉積在生物質細胞壁上的木質素液滴成為酶水解的物理屏障，不利于纖維素酶接近生物質的碳水化合物部分。Hansen等(2011)利用熒光標記法對秸稈預處理前后不同組織細胞中內切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的分布進行研究，推測造成2種纖維素酶顯著不同分布的原因是預處理過程中形成的木質素球狀顆粒附著在纖維素表面，因而降低了纖維素酶的利用效率。為更進一步明確熱預處理過程中木質素液滴對纖維素酶解的影響作用，Li等(2014a)發現沉積在純纖維素Avicel上的木質素液滴顯著抑制纖維素酶解，經過系列試驗證實木質素液滴主要通過纖維素表面阻滯作用抑制纖維素的酶解，而木質素液滴和酶的非特異性結合并不是主要影響因素。木質素液滴影響纖維素酶解的機制主要是非特異性吸附或表面阻滯或2個方面的結合，取決于木質素液滴的化學特性和顆粒尺寸。木質素液滴對纖維素酶解可能還受木質素液滴存在形式的影響，木質素液滴占據的木質纖維表面位點決定了纖維素酶的可及度，同時木質素液滴覆蓋木質素的表面積多寡更能影響到纖維素酶解的效率。

2.2 假木質素對纖維素酶解的影響

與木質纖維預處理過程中沉積的木質素液滴類似，假木質素也可以球狀顆粒形式沉積于纖維素表面，阻滯纖維素酶的作用位點，降低纖維素酶的利用度； 同時，假木質素也可能通過與纖維素酶非生產性結合從而降低纖維素酶的酶解效率。通常情況下，添加到纖維素酶解系統中的少量假木質素比生物質中的木質素更能顯著抑制純纖維素的酶解(Fanetal.， 2012)。Kumar等(2013)研究源于半纖維素的假木質素對于纖維素酶解的影響，結果發現在較低的預處理劇烈因子(CSF 1.94)條件下，產生的假木質素幾乎可以忽略不計，但會使得纖維素酶解效率顯著下降(>25%)，進一步的蛋白吸附試驗表明假木質素與纖維素酶產生了非生產性的結合。類似地，Hu等(2013)研究發現，假木質素的添加可以降低纖維素底物糖產率25%，顯著不同于稀酸預處理后木質素對于纖維素酶解的抑制，這可能與假木質素和纖維素酶的高度疏水性，通過疏水性相互作用結合有關。

假木質素影響纖維素酶解的程度與其結構密切相關。木質素中紫丁香丙烷單元(S)/愈創木基丙烷單元(G)的比例較高意味著纖維素酶解比較容易進行，這是因為G型木質素具有支鏈結構，可與3個以上的基團共價結合，而S型木質素為線性結構，僅能與2個以上的基團共價結合。Pal等(2017)在中試規模下對甘蔗渣進行不同組合的蒸汽爆破-混合酸處理過程中，發現預處理后的物料具有較高的S/G比例，有利于纖維素酶解，推測這可能是形成少量假木質素的結果。

目前，假木質素影響纖維素酶解的機制并不明確。Fan等(2012)、Smith等(2016)利用稀酸預處理雜交楊樹生物質，認為纖維素和半纖維素經酸催化的脫水、斷裂、重排和縮聚和/或聚合反應產生的假木質素顯著抑制纖維素酶解，可能是假木質素和纖維素酶之間形成不可逆性的吸附作用。此外，纖維素酶的可及度也是制約纖維素酶解的重要因素，Ishizawa等(2007)發現稀酸或高溫熱水預處理后，木質素液滴經過重排或多或少增強了纖維素酶對纖維素微絲的可及度。存在于纖維素微纖絲間疏水的木質素顆粒，有效增大了纖維素間的空間，限制了微纖絲間的塌陷，增大了酶對纖維素的可及性，可以增強酶的水解效率(馬建鋒等， 2014)； 假木質素沉積物也可能通過誘導形成類似于Igarashi 等(2011)在報道的“Traffic Jam”從而抑制纖維素酶解，包括假木質素對纖維素晶型轉變的影響(Lietal.， 2014b)。因此，至于假木質素究竟是通過何種可機制抑制纖維素酶解，目前還沒有系統的研究證實。評價假木質素對于纖維素酶解的影響機制，需要綜合考慮預處理方式、木質纖維結構、組成、纖維素的結晶度、纖維素酶的可及性和其他因素的影響。假木質素可能通過抑制和促進纖維素酶解2種綜合效應影響纖維素水解： 一方面，沉積的假木質素通過吸附作用減少游離纖維素酶量，也可以通過占據纖維素表面酶催化位點降低纖維素酶的可及度，還可以通過阻滯纖維素酶移動通路抑制纖維素酶的水解； 另一方面，沉積的假木質素可能分布于木質纖維空間間隙，造成可利用纖維素空間位點增加，反而有利于增加纖維素酶的可及度，從而提高纖維素酶的水解。這也可能是在不同預處理條件下，假木質素對纖維素酶解影響結論不一性的原因。此外，假木質素、木質素液滴、木質素對于纖維素酶活性的影響，也是需要考慮的影響纖維素酶解的因素。

3 假木質素沉積形成的調控

木質纖維預處理過程中形成的假木質素不利于纖維素酶酶解，這就要求在處理中能夠調控以抑制假木質素的形成，提高木質纖維的轉化效率(Normarketal.， 2016； Mathewetal.， 2015)。

有研究向稀酸預處理反應介質中加入DMSO，發現甚至在強烈預處理條件下，DMSO仍可有效抑制假木質素形成，從而增加稀酸預處理后纖維素的酶消化率(Hu， 2014； Huetal.， 2014)，這可能與DMSO抑制形成假木質素的關鍵中間產物(HMF)有關。盡管DMSO具有特殊的抑制假木質素形成特性，但是其沒有顯著改變假木質素分子質量或其任何結構特征。低溫、低酸和厭氧條件可能有助于抑制預處理過程中假木質素的形成。

Normark等(2016)研究發現，利用離子液體1-丁基-3-甲基咪唑乙酸鹽處理含有因高溫焙烤沉積有假木質素的挪威云杉，通過假木質素脫除可以明顯增強纖維素酶的可及性。盡管醋酸鹽類離子液體具有溶解木質纖維的優勢，但是離子液體合成的高成本、回收可行性和穩定性等問題，仍然需要進一步探索和研究。Lee等(2017)利用加壓熱水(200 ℃，15 min)對北美鵝掌楸生物質進行預處理，發現生物質表面沉積有直徑<2 μm的球狀假木質素，進一步結合過氧乙酸預處理可以明顯去除假木質素，葡萄糖得率顯著提高，為生物質預處理過程中假木質素的脫除提供了一個新的思路。Liu等(2017)通過向高沸點醇/水預處理反應體系中添加1,4-丁二醇(BDO)，降低了半纖維素的去除率，推測可能BDO阻滯了木質素或假木質素的沉積，從而增強了固體纖維素底物對酶的利用效率。在生物質稀酸預處理過程中，添加各種助劑抑制假木質素的形成量是可控的，這也為生物質預處理過程中開發經濟有效的預處理工藝提供了一條新的路徑。

然而，僅僅脫除假木質素也不一定有利于纖維素轉化率的提高，還可能與形成的假木質素比表面積有關(Sipponenetal.， 2014a)。在明確假木質素形成機制的基礎上，通過各種控制條件抑制假木質素形成，同時需要探索一種在不改變木質纖維表面結構特征條件下能夠精準調控假木質素沉積量的有效方案，以更準確研究假木質素生成量對纖維素酶解的影響，改變傳統以不同預處理劇烈因子改變假木質素沉積量的方法。因此，對于假木質素形成的調控需要綜合考慮其沉積量、比表面積等結構特性，才能找到最有利于木質纖維酶解效率提高的有效途徑。

4 結語

木質纖維預處理過程中，特別是在嚴峻預處理環境下更容易產生木質素類產物——假木質素，使得預處理后生物質的酸不溶性木質素含量增加； 形成的假木質素沉積于木質纖維表面，更加不利于纖維素酶解的進行。因此，研究假木質素的產生機制、結構特性、調控及其影響纖維素酶解機制對木質纖維的生物煉制具有重要意義。

假木質素形成屬于多相反應過程，同時受傳質擴散(分子群水平)和流動(宏觀統計水平)的影響，將來對于假木質素形成機制的研究，可從其介尺度行為的形成機制建立相關模型和理論，實現其科學定量描述與定向調控，這既有利于服務木質纖維素類生物質煉制工藝和過程的開發，也有利于推動跨領域、跨學科的介尺度科學的形成和發展。在假木質素影響纖維素酶解機制方面，可以尋找一種可控性地調節假木質素量的方案，同時又綜合考察纖維素酶的可及性、纖維素和木質素的表面結構特征等多尺度效應，從而系統性地揭示生物質預處理過程中假木質素沉積對于纖維素酶解的影響機制。