植物纤维原料资源丰富且可再生,因此可以作为化石燃料的替代资源。植物纤维原料转化为生物燃料对于加强能源安全以及减少温室气体排放具有重要的战略意义。然而,在植物纤维原料生产生物燃料的过程中,某些关键因素,例如,木质素和半纤维素的含量、纤维素的结晶度以及基质的比表面积等,影响着酶对原料的可及性。因此,为了提高生物质酶解糖化效率,应该优先对植物纤维原料进行预处理,以打破细胞壁固有的防护壁垒,降低生物质对酶的抵抗,从而增加酶对纤维素的可及性。本论文根据我国的实际情况,选用三种具有代表性的禾本科植物纤维原料(竹子-分布广泛、稻秆-农业秸秆和甜高粱-能源作物)为研究对象,利用三种典型的预处理方法(蒸汽爆破、稀酸和水热),再耦合稀碱处理,以提高植物纤维原料酶解糖化效率。同时,对抑制纤维素酶解糖化的木质素大分子进行分离提取,并表征其化学结构。随后,采用浓度梯度碱溶液法解译木质素大分子的复杂性和不均一性。最后,研究木质素化学结构对纤维素酶解糖化效率的影响,确立两者之间的相关性,从而为提高植物纤维原料酶解糖化效率提供新的研究思路和途径。针对不同类型的植物纤维原料,提出了三种稀碱基的耦合处理工艺(蒸汽爆破-稀碱、稀酸-稀碱和水热-稀碱),阐明了各自生物质精炼过程中木质素的结构转变及影响纤维素酶解糖化的因素,同时发现预处理过程促进了后续碱木质素的解离。在这三种典型预处理耦合稀碱的过程中,发现随着预处理强度的增加,碱木质素相继发生了芳醚键断裂、分子解聚、脱甲氧基和缩合反应。其中,木质素β-0-4逐渐断裂,导致酚羟基含量增加,而脂肪族羟基发生氧化反应等,其含量逐渐降低。经三种耦合处理后,基质的酶解糖化效率得到显著提高。纤维素酶解糖化效率受多种因素共同影响,例如,基质组分组成、表面形貌以及结晶度等。其中,木质素对纤维素酶解糖化效率起明显的抑制作用。采用浓度梯度碱溶液法对能源作物甜高粱木质素进行分离并对其结构进行评估。结果表明,木质素总得率为80.3%,属于HGS-型木质素,其链接键主要以β-O-4芳基醚键为主。木质素样品中高比例的C-C键可能与存在大量的G-型单元有关。与木质素链接的对香豆酸和阿魏酸发生断裂并共沉淀在前期分离的木质素中,导致后期分离的木质素中未发现对香豆酸和阿魏酸。木质素最大热降解温度可能与木质素分子量和β-O-4含量有关,而残炭率的多少可能与木质素C-C键的含量多少有关。总之,连续抽提分离的碱木质素结构呈现复杂性以及不均一性。木质素在植物纤维原料酶解糖化过程中扮演着至关重要的抑制角色。采用不同强度的水热条件对木质素单元相对简单的阔叶材杨木进行预处理,随后从不同预处理残渣中制备磨木木质素。将分离的结构不同的磨木木质素分别添加到相同体系的微晶纤维素中进行酶解糖化。结果表明,随着预处理强度的升高,木质素对酶的吸附能力增强,进而对纤维素的酶解糖化抑制越明显。其中,G-和S-型木质素酚羟基含量(尤其是缩合的G-和S-型木质素酚羟基)与纤维素酶解糖化效率之间呈现很强的负相关性。此外,羧基的存在能够降低木质素对纤维素酶解糖化的抑制作用。木质素抑制纤维素酶解糖化的原因可能来源于木质素的苯环和酶的芳香族氨基酸之间的疏水作用以及酶的酰胺基团和木质素的羟基之间形成的氢键作用。以上因素共同导致作用于纤维素的酶减少,进而抑制纤维素的酶解糖化效率。