近年来,能源短缺以及化石燃料燃烧造成的空气污染问题日益严重,将可再生木质纤维生物质高效地转化为生物燃料受到了广泛的关注。木质素和半纤维素被认为是阻碍纤维素高值化利用的关键因素,研究其含量与分布对生物质抗降解屏障和纤维素酶水解的影响受到各国学者的重视。为此,本文将化学与显微分析相结合,研究了稀碱预处理杨木主要组分脱除过程中细胞壁化学组成、超微结构以及区域化学变化,并分别探究了木质素和半纤维素的脱除对纤维素酶水解的影响,为实现生物质的高值化利用提供理论指导。所得主要结果与结论如下:采用稀碱预处理同时脱除木质素和半纤维素,提高了杨木酶解转化率。研究发现,半纤维素的脱除量随碱浓度增大(0.5～5%)而增多(7.86～68.88%),而木质素的脱除量变化不大(21.14～22.61%)。随着无定形木质素和半纤维素的脱除,纤维素结晶度逐渐升高。未处理杨木酶解转化率仅为15.8%。随着碱浓度的增大预处理杨木酶解转化率逐渐升高,最高达到69.2%。综上所述,当碱浓度为0.5%时,木质素的脱除提高了酶解效率。而随碱浓度继续增大,酶解效率持续提高的主要原因是半纤维素的脱除。稀碱预处理过程中杨木细胞壁解构效果显著。从微米尺度分析,稀碱处理脱除木质素导致细胞角隅(CCML)和胞间层(CML)区域结构变得疏松,有利于纤维素酶液向细胞壁内部渗透。从纳米尺度分析,稀碱处理后纤维素微纤丝发生润胀,同时使得微纤丝间距减小。木质素的脱除使得细胞壁强度降低,使被包裹的微纤丝充分暴露;半纤维素脱除则减少了微纤丝之间的连接键,将相互结合的微纤丝分离,进而增大微纤丝间距,增加孔隙度。细胞壁发生了不同程度的形变,其中当碱浓度为5%时细胞壁形变程度最大。拉曼光谱分析结果同样表明木质素和半纤维素在溶出过程中次生壁受到拉力作用,使细胞壁内部结构变得疏松,同时增大微纤丝间距。阐明了木质素过度脱除抑制纤维素酶水解的机理。利用酸化亚氯酸钠选择性脱除木质素,研究结果表明,当木质素脱除率为86.22%时,细胞壁内部致密结构被打破。纤维素微纤丝之间出现缝隙,并使微纤丝充分暴露,从而增大样品孔隙度以及比表面积(从未处理样品的1.871 m2/g增加到2.698 m2/g)。此时72小时纤维素酶解转化率为68.26%。然而当96.58%的木质素被脱除时,纤维素转化率下降至55.19%。这是由于起支撑作用的木质素被大量脱除,细胞壁强度降低,内部骨架坍塌。同时相邻纤维素微纤丝通过表面的氢键与聚木糖相互连接发生重聚反应。二者协同作用使细胞壁内部结构重新变得致密,比表面积降低至2.583 m2/g,阻碍酶解液的渗透,减少微纤丝疏水面与酶的结合位点,从而抑制纤维素酶水解。揭示了酶水解过程中纤维素酶对杨木样品的吸附行为及杨木结构特性的变化。结果表明,木质素脱除率为86.22%的样品对纤维素酶的吸附能力最强(123.42 mL/g),是未处理杨木的5倍。纤维素酶的吸附经历了吸附-解吸-重吸附的动态变化过程,即酶吸附到纤维素特定结合位点作用完成后解吸成为游离酶,再寻找新的结合位点重新吸附。在酶解底物结构特性变化方面,酶解过程中底物结晶度变化对酶解速率的影响较大。酶解初期(0-4 h)主要水解无定形纤维素,底物结晶度升高,此时水解速度快。后期酶解速率下降,其主要原因是结晶纤维素水解速率较慢。在微观结构变化方面,酶分子通过剪切和渗透两种作用机制对纤维素微纤丝网络进行降解,会同时导致细胞壁微纤丝的断裂以及微纤丝网络凹面或孔洞的产生。针对性研究了半纤维素脱除促进杨木酶水解的机理。首先用酸性亚氯酸钠脱除木质素,再用稀碱于室温条件下选择性脱除半纤维素。FTIR和XRD结果表明,半纤维素脱除过程中纤维素的化学结构和结晶结构保持不变,而结晶度逐渐增大。半纤维素的脱除导致微纤丝束之间产生大量缝隙,从而增加细胞壁内部比表面积。此外,微纤丝直径逐渐减小,表明微纤丝表面的半纤维素被逐步脱除,从而使微纤丝表面的纤维素充分暴露,出现更多可与酶特异性结合的位点。以上两种变化共同作用促进了纤维素酶水解。