序贯碱法-液态热水预处理对王草杂交品种巴冲草组分分离的协同效应研究及其生物燃料应用潜力分析

《Bioresource Technology Reports》：Synergistic influence of sequential alkaline-liquid hot water pretreatment on the fractionation of Pakchong grass, a hybrid cultivar of Napier grass

本研究针对王草杂交品种巴冲草作为生物燃料原料的预处理难题，创新性地采用序贯碱法-液态热水（LHW）两阶段预处理策略，显著提升了木质素和半纤维素的去除率（最高达97.57%），同时有效保留纤维素。结果表明，该预处理方法可优化生物质组分，为后续酶解发酵提供高效底物，对推动非粮生物质能源化利用具有重要参考价值。

　　

随着全球对可再生能源需求的日益增长，生物乙醇作为化石燃料的替代品备受关注。与传统汽油相比，生物乙醇可减少高达82%的温室气体排放，这得益于其封闭的二氧化碳循环：燃烧过程中释放的CO₂可通过植物光合作用重新吸收，从而降低大气中净碳排放。然而，生物乙醇生产的关键挑战在于寻找合适的原料，需满足化学特性、可获得性及可持续性等多重要求。草本植物因其高产、成本低、适应性强及全株可利用等优势，成为理想的木质纤维素生物质来源。其中，王草（Pennisetum purpureum）的杂交品种巴冲草（Pakchong grass）因纤维素含量高、生长条件优越而展现出巨大潜力。但与其他禾本科植物类似，巴冲草中固有的木质素和半纤维素形成的木质素-碳水化合物复合物（LCC）严重阻碍了酶解效率，因此开发高效的预处理技术至关重要。

目前针对巴冲草的预处理研究尚不充分，已有方法包括稀酸、碱法或蒸汽爆破等，但多存在组分去除不彻底、纤维素损失较大或抑制剂生成等问题。为此，印度尼西亚茂物农业大学的研究团队在《Bioresource Technology Reports》发表论文，系统探讨了序贯碱法-液态热水（LHW）两阶段预处理对巴冲草组分分离的协同效应。该研究通过优化预处理参数（NaOH浓度1–3%，LHW温度140–180°C），旨在实现木质素和半纤维素的高效去除，同时最大限度保留纤维素，为后续生物转化提供理想底物。

研究主要采用以下关键技术方法：首先，对采集自印度尼西亚东爪哇的40日龄巴冲草进行干燥、粉碎和筛分预处理；其次，设计两阶段预处理流程（先碱法后LHW），通过化学组分分析（包括纤维素、半纤维素、木质素含量测定）、热解-气相色谱-质谱（Py-GC-MS）分析木质素单体组成、傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）表征官能团变化、扫描电子显微镜（SEM）观察形态结构、X射线衍射（XRD）计算结晶度指数，综合评价预处理效果。

3.1. 两阶段预处理后巴冲草化学组分及生物质回收率的变化

未经处理的巴冲草原料含纤维素34.36%、半纤维素40.06%、木质素17.78%。研究结果显示，单一碱法预处理（如3% NaOH）可去除95.29%的木质素，但半纤维素去除率有限（最高77.40%）；而单一LHW预处理对组分去除效果较弱。两阶段预处理（如2% NaOH + 160°C LHW）协同作用显著，木质素去除率提升至97.57%，半纤维素去除率达77.98%，纤维素保留率高达71.01%。最优条件（N2L160）下最终生物质组分为纤维素64.38%、半纤维素28.79%、木质素仅1.15%，表明该策略可高效富集纤维素并降低酶解阻力。

3.2. 未处理与处理后巴冲草的特性分析

3.2.1. 两阶段预处理后木质素顽固性及改性

Py-GC-MS分析表明，未经处理样品（N0L0）的木质素/碳水化合物（L/C）比为0.10，而两阶段预处理后（如N1L140）降至0.00，证实木质素被大量降解。同时，紫丁香基/愈创木基（S/G）比值从0.28降至0.00，说明S型木质素（更易降解）被优先去除，进一步验证了预处理对木质素结构的高效破坏。

3.2.2. 两阶段预处理后官能团变化

FTIR光谱显示，预处理后样品在2890 cm^?1处（C-H伸缩振动）强度增加，表明纤维素富集；1631 cm^?1处（C=O共轭伸缩）和1030 cm^?1处（愈创木基木质素芳香C-H变形）峰强度减弱，反映木质素去除。此外，1156 cm^?1和896 cm^?1处糖苷键信号增强，提示纤维素结构暴露。

3.2.3. 两阶段预处理后形态学变化

SEM图像显示，未经处理样品纤维表面光滑完整；经碱法预处理（N3L0）后出现剥落和降解；而两阶段处理（N3L160）导致纤维结构严重破坏，木质素被大量移除，纤维素微纤维充分暴露，极大提升了酶可及性。

3.2.4. 两阶段预处理后结晶度变化

XRD分析表明，未经处理样品的结晶度指数（CrI）为25.99%，而两阶段预处理后（N3L160）升至54.82%。这种增长归因于无定形成分（如半纤维素和木质素）的降解，使纤维素结晶区更为突出，有利于酶解定向攻击。

结论与展望

本研究证实，序贯碱法-LHW预处理可协同增强巴冲草中木质素和半纤维素的去除，同时保留纤维素完整性，显著优化生物质组分。结构表征结果一致表明，该策略能有效破坏LCC网络、暴露纤维素结构并提升结晶度，为后续酶解和发酵奠定基础。尽管当前研究表明碱法单独预处理已具备一定效果，但两阶段策略在精细化调控组分去除方面更具潜力，尤其在抑制副产物生成方面值得深入探索。未来研究可进一步优化预处理条件（如降低碱浓度、温度），并整合全组分 valorization（如五碳糖利用），以推动巴冲草作为可持续生物燃料原料的实际应用。