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木质纤维素生物质作为重要的可再生资源，已经被广泛地用于燃料、化学品及材料制备研究中，以解决化石能源枯竭及全球气候变化问题。玉米芯是玉米的副产物，作为一种典型禾本科木质纤维素生物质，在中国储量巨大，利用前景广阔。本课题组采用酸催化蒸汽爆破技术，开发了玉米芯清洁高效生产木糖的工艺。然而，对于蒸汽爆破残渣并没有实现有效利用，主要原因在于残渣结构尚不明确。蒸汽爆破残渣中木质素的结构解析最为困难，且残渣中木质素的高效分离提取不易实现。生产高收率、高纯度的木质素既是实现工艺中全组分利用的关键，又是木质素高值化利用的必经之路。针对以上问题，本课题利用酸催化蒸汽爆破玉米芯清洁生产木糖工艺中的汽爆残渣为原料，开展了玉米芯酸催化汽爆木质素的解构机制及制备应用研究，主要研究结果如下:
(1)酸催化蒸汽爆破预处理中玉米芯组分的变化规律及汽爆残渣酶解效果与生物质抗降解屏障的关联性分析。通过控制汽爆条件变量包括酸种类（硫酸和草酸）、酸浓度(0.1-1.5wt.％)以及汽爆压力(1.0-1.8MPa)，测定不同酸催化蒸汽爆破预处理条件下的玉米芯汽爆残渣样品的组分含量。实验结果表明，0.3％硫酸预浸渍、压力1.0MPa的蒸汽爆破残渣得到最好的酶解效果，其总糖转化率可达83.4％。结合化学分析、比表面积测定和X射线衍射(XRD)进行分析。测定了生物质结晶度、纤维素结晶度、木质素含量和比表面积，并将这些生物质抗降解屏障与酶解糖转化效率进行关联。测试结果表明木质素含量与生物质结晶度的乘积与酶解糖转化率呈现较为显著的负相关性（相关系数0.79）。综合分析表明酶解糖转化率受到生物质结晶度、木质素含量和比表面积三者间复杂作用的制约。
(2)高纯度酸催化蒸汽爆破玉米芯木质素(CRSE EMAL)的制备工艺优化探索。针对酸催化蒸汽爆破玉米芯残渣(CRSE)酶解效率优异的特性，本研究采用温和酸解酶解木质素(EMAL)工艺提取并进行工艺优化以适用于提取玉米芯木质素。利用CRSE提取EMAL的最佳条件，可得到纯度99.0％、回收率57.3％的木质素，在显著提升收率的同时将木质素纯度提升至试剂纯水平。此外通过提取条件计算提取强度因子并且研究提取强度因子与木质素回收率、木质素纯度和总酚羟基含量间的正相关性，揭示提取条件变化对木质素提取效果的影响趋势。说明一定范围内木质素提取强度的增加会提升木质素收率和纯度，同时木质素的降解程度也会增加。因而木质素的最佳提取条件取决于木质素提取效率和降解程度的平衡。
(3)CRSE EMAL的结构解析和抗氧化性能评估。采用31P核磁共振波谱(31P NMR)、二维杂核单量子相干溶液核磁共振波谱(2D-HSQC NMR)、傅里叶红外光谱(FTIR)和凝胶渗透色谱(GPC)对CRSE EMAL进行化学结构表征，同时与未处理玉米芯木质素(CCEMAL)的结构进行对比分析。测试结果表明酸催化蒸汽爆破过程中玉米芯木质素的主要结构变化包括β-O-4结构的部分降解、β-5结构的保留、S型单体的显著增加以及总酚羟基和羧基含量的增加等。此外木质素中还带有非木质素自身结构的变化，如对-香豆酸(PCA)和麦黄酮素含量的显著下降、木质素-碳水化合物复合体(LCC)结构的减少等。虽然蒸汽爆破预处理导致了木质素的降解，但是CRSE EMAL中β-O-4键型在每100个芳香族单元的丰度达到了46.0，比大多数工业木质素都高。CRSE EMAL的分子量比未处理玉米芯木质素(CCEMAL)高，原因在于酸催化蒸汽爆破过程中发生了缩合反应。此外，相比CC EMAL（IC50=238μg mL-1），CRSE EMAL具有更好的抗氧化性（IC50=128μg mL-1），这使CRSE EMAL成为高分子复合材料的理想添加物。
(4)可控木质素纳米颗粒(LNP)的制备研究。提出了二甲基亚砜(DMSO)/醋酸钠缓冲溶液透析法制备LNP的新方法。商品碱木质素、CC EMAL和CRSE EMAL的LNP粒径结果通过动态光散射(DLS)测定，表明均可以形成单分散的LNP。测试结果表明LNP在30天之内粒径和ζ电位变化幅度小，展现出优异的稳定性。此外，针对CCEMAL和CRSE EMAL制备的LNP进行了中心组合设计(CCD)实验。结果表明缓冲液添加量、缓冲液浓度和木质素溶液浓度对LNP粒径影响显著。通过响应面优化结果进行粒径梯度的实验设计，实现了玉米芯木质素纳米颗粒(CC LNP)粒径在60-200nm，酸催化蒸汽爆破玉米芯木质素纳米颗粒(SE LNP)粒径在80-160nm范围内的可控制备。
(5)LNP性能分析及LNP-PVA薄膜的制备研究。原子力显微镜(AFM)图像表明，DMSO/醋酸钠缓冲溶液透析法制备的LNP呈球形且分散均匀。LNP的抗氧化性测试结果表明，纳米颗粒粒径的减小对抗氧化性提升具有显著效果。进一步利用LNP制备了LNP-PVA共混薄膜，结果表明LNP和PVA具有良好的相容性，且共混薄膜的微分热重(DTG)曲线表明添加了LNP的PVA薄膜降解温度有明显提升，其中3wt.％LNP添加量能够达到降解温度提升的最好效果。结果表明LNP的添加能够使PVA的降解温度提升近100℃，大大提升了共混薄膜的热稳定性。
(1)酸催化蒸汽爆破预处理中玉米芯组分的变化规律及汽爆残渣酶解效果与生物质抗降解屏障的关联性分析。通过控制汽爆条件变量包括酸种类（硫酸和草酸）、酸浓度(0.1-1.5wt.％)以及汽爆压力(1.0-1.8MPa)，测定不同酸催化蒸汽爆破预处理条件下的玉米芯汽爆残渣样品的组分含量。实验结果表明，0.3％硫酸预浸渍、压力1.0MPa的蒸汽爆破残渣得到最好的酶解效果，其总糖转化率可达83.4％。结合化学分析、比表面积测定和X射线衍射(XRD)进行分析。测定了生物质结晶度、纤维素结晶度、木质素含量和比表面积，并将这些生物质抗降解屏障与酶解糖转化效率进行关联。测试结果表明木质素含量与生物质结晶度的乘积与酶解糖转化率呈现较为显著的负相关性（相关系数0.79）。综合分析表明酶解糖转化率受到生物质结晶度、木质素含量和比表面积三者间复杂作用的制约。
(2)高纯度酸催化蒸汽爆破玉米芯木质素(CRSE EMAL)的制备工艺优化探索。针对酸催化蒸汽爆破玉米芯残渣(CRSE)酶解效率优异的特性，本研究采用温和酸解酶解木质素(EMAL)工艺提取并进行工艺优化以适用于提取玉米芯木质素。利用CRSE提取EMAL的最佳条件，可得到纯度99.0％、回收率57.3％的木质素，在显著提升收率的同时将木质素纯度提升至试剂纯水平。此外通过提取条件计算提取强度因子并且研究提取强度因子与木质素回收率、木质素纯度和总酚羟基含量间的正相关性，揭示提取条件变化对木质素提取效果的影响趋势。说明一定范围内木质素提取强度的增加会提升木质素收率和纯度，同时木质素的降解程度也会增加。因而木质素的最佳提取条件取决于木质素提取效率和降解程度的平衡。
(3)CRSE EMAL的结构解析和抗氧化性能评估。采用31P核磁共振波谱(31P NMR)、二维杂核单量子相干溶液核磁共振波谱(2D-HSQC NMR)、傅里叶红外光谱(FTIR)和凝胶渗透色谱(GPC)对CRSE EMAL进行化学结构表征，同时与未处理玉米芯木质素(CCEMAL)的结构进行对比分析。测试结果表明酸催化蒸汽爆破过程中玉米芯木质素的主要结构变化包括β-O-4结构的部分降解、β-5结构的保留、S型单体的显著增加以及总酚羟基和羧基含量的增加等。此外木质素中还带有非木质素自身结构的变化，如对-香豆酸(PCA)和麦黄酮素含量的显著下降、木质素-碳水化合物复合体(LCC)结构的减少等。虽然蒸汽爆破预处理导致了木质素的降解，但是CRSE EMAL中β-O-4键型在每100个芳香族单元的丰度达到了46.0，比大多数工业木质素都高。CRSE EMAL的分子量比未处理玉米芯木质素(CCEMAL)高，原因在于酸催化蒸汽爆破过程中发生了缩合反应。此外，相比CC EMAL（IC50=238μg mL-1），CRSE EMAL具有更好的抗氧化性（IC50=128μg mL-1），这使CRSE EMAL成为高分子复合材料的理想添加物。
(4)可控木质素纳米颗粒(LNP)的制备研究。提出了二甲基亚砜(DMSO)/醋酸钠缓冲溶液透析法制备LNP的新方法。商品碱木质素、CC EMAL和CRSE EMAL的LNP粒径结果通过动态光散射(DLS)测定，表明均可以形成单分散的LNP。测试结果表明LNP在30天之内粒径和ζ电位变化幅度小，展现出优异的稳定性。此外，针对CCEMAL和CRSE EMAL制备的LNP进行了中心组合设计(CCD)实验。结果表明缓冲液添加量、缓冲液浓度和木质素溶液浓度对LNP粒径影响显著。通过响应面优化结果进行粒径梯度的实验设计，实现了玉米芯木质素纳米颗粒(CC LNP)粒径在60-200nm，酸催化蒸汽爆破玉米芯木质素纳米颗粒(SE LNP)粒径在80-160nm范围内的可控制备。
(5)LNP性能分析及LNP-PVA薄膜的制备研究。原子力显微镜(AFM)图像表明，DMSO/醋酸钠缓冲溶液透析法制备的LNP呈球形且分散均匀。LNP的抗氧化性测试结果表明，纳米颗粒粒径的减小对抗氧化性提升具有显著效果。进一步利用LNP制备了LNP-PVA共混薄膜，结果表明LNP和PVA具有良好的相容性，且共混薄膜的微分热重(DTG)曲线表明添加了LNP的PVA薄膜降解温度有明显提升，其中3wt.％LNP添加量能够达到降解温度提升的最好效果。结果表明LNP的添加能够使PVA的降解温度提升近100℃，大大提升了共混薄膜的热稳定性。