聚醚辅助NaOH-UHP预处理增强油菜秸秆酶解效率的综合研究及其在生物精炼中的应用

《Biomass and Bioenergy》：A comprehensive understanding of polyether-assisted NaOH-UHP pretreatment for enhancing rape straw enzymolysis

本文综述了采用聚醚消泡剂（GPE）辅助NaOH-尿素过氧化氢（UHP）联合预处理油菜秸秆（RS）的创新策略。该策略通过高效去除木质素（64.2%）和半纤维素（94.5%），显著提升了纤维素可及性（达759.0 mg/g）和酶解效率（约97%）。研究结合X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）及分子动力学（MD）模拟，从分子层面阐明了NaOH-UHP-GPE对木质纤维结构的破坏机制，为生物质资源高效转化为生物基化学品和燃料提供了低成本、可操作的可持续方案。

　　

Highlight

Materials

干燥的油菜秸秆（RS）（20-80目）采集自中国江苏省南通市郊区。纤维素酶（Cellic? Ctec.2）购自诺维信公司（美国富兰克林顿）。氢氧化钠（NaOH）、柠檬酸、尿素、过氧化氢和硫酸均为分析纯，购自上海高明化学有限公司。聚醚基消泡剂（GPE；DJ-290；分子量：102.13）购自天德新材料有限公司。

RS预处理和酶解

干燥的油菜秸秆使用高速粉碎机进行粉碎。

预处理前后RS的化学成分

木质纤维素内部紧密的交联结构阻碍了纤维素的有效利用。有必要采用合适的预处理方法来破坏这些内部交联结构，从而降低聚合度并提高纤维素的可及性。

采用不同的预处理方法处理RS，结果列于表S1（见补充文件）。单独的UHP处理仅去除了6.8%的半纤维素和9.8%的木质素。

结论

本研究提出了NaOH-UHP-GPE处理方法，该方法增强了RS中半纤维素和木质素的去除，并促进了RS的酶解。在最佳条件下，木质素去除率达到64.2%，而半纤维素分离率提高到94.5%。酶水解效率达到近97%。本研究将聚醚表面活性剂整合到碱性高级氧化剂体系中，以提高木质纤维素的酶法糖化效率。形态学和分子模拟分析证实了NaOH-UHP-GPE对木质素和半纤维素的破坏作用。分子动力学模拟从分子层面阐明了NaOH-UHP-GPE有效消除半纤维素和木质素的根本原因。质量流分析和经济评估表明，这种NaOH-UHP-GPE集成预处理是一种有效、低成本且操作简单的工艺，实现了有机酸和糖的联产，为生物质增值提供了一种高效且可持续的策略。