随着经济全球化、科技进步以及人们生活水平的提高,世界范围内的资源匮乏、能源危机与环境污染问题日渐加剧,亟需开发可再生的生物质能源,利用木质纤维素生产燃料乙醇得到人们的广泛关注。预处理及酶水解是转化过程中的关键步骤,有必要对其进行深入研究。本文以相思木为研究对象,经乙酸预处理后再酶水解,采用紫外-可见分光光度法(UV-Vis)、X-射线衍射法(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重-红外联用(TG-IR)、核磁共振磷谱(31P-NMR)和低温氮气吸附法等分析手段对整个过程中液体、固体试样的化学组成、功能结构与微观结构进行分析表征。为研究不同预处理条件对相思木分形结构的影响,首先探讨分维的计算方法并进行比较分析,揭示分维与化学组成、功能结构及微观结构之间的关系,在此基础上建立分形结构模型。通过研究预处理及酶解条件(预处理温度、乙酸用量、底物浓度、葡萄糖抑制、酶用量和吐温-80用量)对酶解糖得率的影响,利用改进的分形动力学模型,探讨酶解反应速率常数k与分形指数h的变化规律。相思木乙酸预处理并三段磨浆后所得浆样的酶水解实验结果显示,预处理温度及乙酸用量均对酶解效果产生一定影响,且温度越高或乙酸用量越大,酶解效率越高。浆样经PFI磨浆后,纤维素的结晶度指数下降,部分纤维变成了纤维碎片,分丝帚化现象也较明显,酶解效率显著提高。化学组分及结构表征结果表明,相思木经乙酸预处理后,部分半纤维素和少量木素小分子被降解溶出,纤维素的结晶度指数下降了11.31%。木片表面变得极不完整,且生成大量孔洞,酶解残渣纤维长度变短,部分纤维碎片化。DTG曲线上在280℃左右明显缺少一个肩峰,该峰主要由半纤维素分解所导致。木素的脂肪族羟基含量有不同程度降低,而各类酚羟基含量增加,且酚型/非酚型羟基比随着预处理温度的升高而下降,S/G比例也增加。相思木原料及浆样的多孔结构具有分形特性且其分形维数介于2-3之间,符合分维定义。乙酸预处理后,试样分维值上升,说明孔结构的不规则程度提高,且预处理温度越高,对应分维越小。比较分形维数的两种不同计算方法,二者拟合的孔径范围不同,郁伯铭(YBM)分维较FHH分维拟合范围更宽泛,导致线性相关系数相对较低。此外,分形维数与化学组成、结晶度及木素酚型／非酚型比之间存在一定相关性。其中,分维随纤维素或木质素含量的增加大体呈下降趋势,而随半纤维素含量、纤维素结晶度或木素酚型／非酚型比的增大而增加。结构分形模型显示,木质素对试样的结构分维起主要作用,其它因素的影响均不太显著。酶水解动力学的研究结果表明,随着预处理温度的升高,反应速率常数k增大,分形指数h无规律性变化。增加乙酸用量,速率常数k增加,分形指数h变化不明显。增加纤维素酶用量或酶解底物浓度使h增加,对应的k值,前者也呈上升趋势,而后者却减小。酶解体系中添加葡萄糖后,k和h值均会降低。Tween-80的促进作用在于降低了木质素的抑制,表现为分形指数h的降低及反应速率常数k的升高。