在实现生物质全组分高值化利用的过程中,组分分离是首先和必要的。根据木质纤维原料的物理化学特性进行预处理,从而对其主要组分进行清洁温和分离,已成为综合利用生物质的关键问题。然而,现有的大部分预处理技术在获得纤维素组分的同时,严重破坏了半纤维素和木质素的分子结构,致使其后续利用存在问题,这在很大程度上限制了生物质的全组分综合利用。生物质组分难以有效分离的根本原因是生物质细胞壁结构的复杂性及组分分布的不均一性。本研究选用不同的清洁预处理技术分离能源植物(巨尾桉和能源草)中的半纤维素和木质素,并对二者的分子结构进行详细解析,同时采用共聚焦拉曼显微成像技术可视化监控不同预处理过程中半纤维素和木质素在细胞壁中的溶解行为,为深入理解半纤维素和木质素在不同预处理过程中的解离机制,以及其用于后续材料的构建提供理论依据。此外,对处理过程细胞壁中的化学组成、组分微区分布以及超微结构的变化进行了系统研究,以揭示纤维素酶解糖化增效机制。采用浓度递增的连续稀碱处理对巨尾桉中的半纤维素和木质素进行分离,并对二者结构进行表征。研究发现分离的桉木半纤维素中木糖(73.15%～95.34%)为主糖,随着碱浓度的升高,半纤维素的线性程度增加,但没有发生明显的降解。半纤维素主要以(1→4)-连接-β-D-吡喃木糖为主链,其中部分主链木糖基被4-O-甲基-α-葡萄糖醛酸所取代。该过程分离得到的桉木碱溶性木质素中糖含量(0.20%～0.88%)较低,纯度较高,并在碱浓度相对较高的处理过程中分子量由4140 g/mol降低至2130 g/mol,表明木质素发生解聚。碱溶性木质素中β-O-4’(54.6%～58.9%)是主要的连接键,其次是β-β’,键(13.0%),β-5’(2.4%～3.4%)含量最低。同时,结合共聚焦拉曼显微技术可视化监测连续碱处理过程细胞壁中半纤维素和木质素的溶解过程,发现溶解的半纤维素和木质素主要来自次生壁。虽然通过该处理过程能够得到结构完整的半纤维素和木质素,但该处理并没有显著提高桉木的酶水解效率(49.35%)。根据五种不同的离子液体(TBAA、[Amim]Cl、[Bmim]Cl、[Bmim]OAc和[Emim]OAc)对桉木细胞壁的结构以及脱木素的影响,从中筛选出作用强度较温和([Bmim]Cl)以及较剧烈([Bmim]OAc)且具有相同阳离子的离子液体预处理桉木,以提高桉木的酶水解效率,并耦合连续稀碱处理分离提取半纤维素和木质素。研究表明,[Bmim]OAc预处理能够促进碱溶性半纤维素和木质素溶出,同时对半纤维素和木质素的主要结构单元影响较小。通过共聚焦拉曼显微技术观察发现,[Bmim]OAc预处理导致桉木细胞壁中木质素和碳水化合物浓度降低,而后续连续碱处理过程中半纤维素和木质素的溶解行为与单独连续碱处理过程相似。相比于单独碱处理基质的酶水解效率(34.18%),离子液体耦合稀碱处理后桉木的酶水解效率(90.53%)显著升高。对离子液体耦合连续稀碱处理桉木过程中纤维素酶水解的增效机制进行研究。发现离子液体预处理后的桉木细胞壁中化学组成变化不大,质量损失最多为6.36%,但桉木细胞壁结构变得疏松甚至发生润胀,同时纤维素结晶度由原料的52.6%降低至44.6%([Bmim]Cl)和26.9%([Bmim]OAc)。相比于单独的离子液体或碱处理,二者耦合的预处理过程导致大量的半纤维素和木质素被脱除、细胞壁的破坏程度增加、更多无定形纤维素产生,同时更多纤维素暴露出来,从而提高了纤维素的酶解糖化效率。[Bmim]OAc耦合碱处理后桉木的葡萄糖得率达到最大值(90.53%),是未处理桉木葡萄糖得率的6.6倍。在本研究中,桉木的化学组成和微观结构共同影响纤维素的可及性,而相比于化学组成的变化,细胞壁微观结构(特别是纤维素结晶度)的变化在提高酶解效率方面起主要作用。采用具有工业应用前景的清洁水热预处理技术,有效脱除了四种能源草类作物(柳枝稷、奇岗、杂交狼尾草和南荻)中的半纤维素(脱除率79.68%～89.24%),显著提高了其酶水解效率,并且消除了四种原料抗降解能力之间的差异,使得处理后各样品之间的糖化率相差较小(67.39%～73.21%)。同时,对处理前后四种能源草类作物的解剖学特征、化学组成、低聚木糖得率、酶解效率进行研究,综合评估其在生物能源产业中的应用潜力。研究发现水热处理前后,四种草类作物中杂交狼尾草的酶水解效率较高,且产生低聚木糖(聚合度2～6)量最多,发酵抑制物量最少。此外,详细分析了水热处理前后样品中木质素的结构特征,以深入了解木质素在水热处理过程中的结构变化响应。研究发现水热处理过程中,木质素的解聚和缩合反应同时发生,而解聚反应占主导地位,导致分子量由6240～6690g/mol降低至4830～5700g/mol。本研究有利于充分有效地利用能源草中的主要组分,扩大其应用范围。