利用超声辅助碱性过氧化氢预处理从废弃的紫玉米芯中回收生物聚合物

《ACS Omega》：Ultrasound-Assisted Alkaline Hydrogen Peroxide Pretreatment for Biopolymer Recovery from Exhausted Purple Corn Cobs

超声辅助碱性过氧化氢预处理可有效分离紫玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素，显著提高木质素去除率（97.4%）和半纤维素溶出率（58.7%），同时增强纤维素结晶度（64.6%→76.6%）和热稳定性（DTG_max≈345°C）。研究揭示了超声波在AHP体系中的强化机制及工艺优化窗口，为循环经济下的生物基材料生产提供新路径。

　　本研究探讨了在碱性过氧化氢（AHP）预处理下，通过超声波辅助手段对耗尽的紫玉米芯（EPCC）进行分级处理的可行性。EPCC是一种在提取生物活性成分后剩余的木质纤维素副产物，其主要成分包括33.08%的纤维素、21.19%的半纤维素和仅2.69%的木质素。这种低木质素含量的特性使得EPCC成为一种理想的生物聚合物来源，尤其适用于绿色化学和循环经济体系中的可持续材料生产。本研究旨在通过AHP与超声波协同作用，实现对EPCC的高效分级，从而获得高纯度的纤维素、半纤维素和木质素，并评估超声波处理时间对材料性能的影响。

AHP预处理是一种温和且环保的方法，它通过氢氧化钠（NaOH）活化过氧化氢（H?O?），在碱性条件下选择性地去除木质素和半纤维素，同时保留纤维素。这种方法在多种木质纤维素材料中已被广泛研究，包括甘蔗渣、玉米秸秆、竹子、姜茎和核桃壳等。然而，针对EPCC这一低木质素含量的原料，超声波辅助AHP预处理的效果仍缺乏系统性的剂量响应研究。因此，本研究重点探讨了在AHP体系中，短时间超声波处理对材料分级和性能的影响，以避免将非AHP体系的结论泛化到本研究体系中。

实验采用10%的H?O?溶液，pH值调整至11.5，反应时间为2小时，超声波处理时间分别为0、1、5和10分钟。通过质量平衡分析，发现超声波辅助显著提高了木质素和半纤维素的去除效率。在10分钟的超声波处理后，木质素的去除率达到97.4%，半纤维素去除率达到58.7%，而纤维素的回收率则为41.3%。这一结果表明，超声波的引入有助于在温和条件下更有效地进行材料的分级，从而提高最终产物的纯度和性能。

为了进一步验证这一过程的可行性，研究人员对固体和液体分级产物进行了红外光谱分析（FTIR）和主成分分析（PCA）。这些分析结果表明，随着超声波处理时间的增加，EPCC的化学结构发生了明显的变化，其纤维素、半纤维素和木质素的特征峰逐渐分离，反映了材料的逐步分级过程。此外，X射线衍射（XRD）分析结果显示，纤维素的结晶度从64.6%增加到76.6%，说明超声波处理促进了纤维素的结晶化和结构重组。这一变化可能与木质素和半纤维素的去除有关，因为这些成分的减少会使得纤维素结构更加紧密和有序。

扫描电子显微镜（SEM）分析进一步揭示了超声波处理对材料表面形态的影响。在未经处理的EPCC中，纤维素呈现较为松散的结构，而经过10分钟超声波处理后，纤维素纤维变得更加紧凑，显示出结构重组的迹象。这表明，超声波处理不仅促进了材料的化学分解，还通过机械作用增强了纤维素的纯度和结构稳定性。同时，半纤维素和木质素的形态也发生了变化，如半纤维素呈现更均匀的分布，木质素则表现出更高的凝聚力和结构有序性。

热重分析（TGA）和差示热重分析（DTG）结果显示，经过超声波辅助AHP预处理的纤维素具有更高的热稳定性，其主分解峰温度从335–345 °C，表明纤维素的结构更加有序。相比之下，半纤维素和木质素的热分解范围更广，这与其非晶态结构有关。这些结果进一步支持了AHP-超声波预处理在提高纤维素纯度和结构质量方面的有效性。

综上所述，本研究展示了超声波辅助AHP预处理在EPCC分级中的显著优势。该方法不仅实现了木质素和半纤维素的高效去除，还提升了纤维素的结晶度和热稳定性，使其成为绿色生物材料的优质原料。此外，研究还指出，短时间超声波处理（约1–5分钟）可以在保持纤维素回收率的同时，提高材料的纯度和性能，而长时间处理（10分钟）则进一步提升了材料的纯度和结晶度，但可能牺牲部分回收率。这些发现为未来在EPCC的分级和材料化方面提供了重要的理论支持和实践指导，有助于推动其在绿色化学和循环经济中的应用。