利用KOH改性的生物炭有针对性地去除玉米秸秆稀酸预水解物中的芳香族抑制剂，从而高效生产乳酸

《Journal of Environmental Management》：The targeted removal of aromatic inhibitors in dilute acid prehydrolysate of corn stover by KOH-modified biochar for the efficient production of lactic acid

KOH改性玉米秸秆生物炭（K-CSB）通过高比表面积（359.1 m2/g）和丰富的羰基基团有效吸附去除预水解液中的22种芳香族抑制剂，总去除率达68.7%。经K-CSB解毒后，乳酸发酵的延滞期从48小时缩短至0小时，36小时内乳酸产量达41.45 g/L，产率86.2%，且最大产率密度1.45 g/(L·h)。同时，K-CSB显著降低活性氧水平37.3%，并增强关键酶（NADH氧化酶、乳酸脱氢酶）活性。

　　这项研究探讨了使用KOH改性的玉米秸秆生物炭（K-CSB）来去除木质纤维素生物质预水解液中的芳香类抑制物，并评估其对乳酸发酵效率的影响。随着全球对可持续能源和环保材料的需求不断增加，利用生物质资源生产乳酸及其衍生物如聚乳酸（PLA）成为一种重要的研究方向。然而，在木质纤维素生物质的预处理过程中，往往会生成多种有毒物质，这些物质会对后续的微生物发酵产生显著抑制作用，从而降低乳酸的产量和生产效率。

木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其复杂的结构使得其在水解和发酵过程中面临较大的挑战。预处理技术是提高木质纤维素可降解性的重要步骤，但不同预处理方法会产生不同的抑制物。例如，稀酸预处理虽然能够高效地将木质纤维素转化为可发酵糖，但也伴随着大量芳香类化合物的生成，这些化合物不仅会干扰酶的水解过程，还会影响微生物的正常代谢活动。芳香类抑制物的存在会增加反应性氧物种（ROS）的水平，导致细胞膜损伤，进而影响细胞的生长和代谢功能。这些抑制物的存在是当前木质纤维素生物质转化过程中的一大难题。

为了应对这一问题，研究团队开发了一种KOH改性的玉米秸秆生物炭，以提高其对芳香类抑制物的吸附能力。K-CSB具有较高的比表面积（359.1 m2/g）和平均介孔直径（9.6 nm），这为吸附过程提供了良好的物理条件。此外，K-CSB的表面富含羰基基团，这些基团能够通过π-π相互作用和氢键形成，有效结合芳香类化合物。通过实验验证，K-CSB在去除预水解液中的22种可检测芳香化合物时，成功去除了其中的9种，整体去除率达到68.7%。这一结果表明，K-CSB在吸附芳香类抑制物方面具有较高的效率。

在去除抑制物后，预水解液的乳酸发酵过程得到了显著改善。原本的发酵过程存在48小时的延迟期，而在使用K-CSB处理后，这一延迟期被完全消除。发酵36小时后，乳酸产量达到41.45 g/L，产率高达86.2%。此外，发酵过程中最大体积产率在24小时时达到1.45 g/L/h，这表明K-CSB的使用不仅提高了乳酸的产量，还加快了发酵速率。这一成果为木质纤维素生物质的高效利用提供了新的思路和方法。

研究还发现，K-CSB处理后的预水解液中，反应性氧物种（ROS）的水平降低了37.3%，接近纯葡萄糖组的水平。这说明K-CSB不仅能够有效去除芳香类抑制物，还能减少其对细胞代谢的负面影响，从而提高微生物的活性和生长速率。此外，关键酶活性如NADH氧化酶（NOX）和乳酸脱氢酶（LDH）在K-CSB处理后显著增强，进一步验证了其对发酵过程的促进作用。

从技术角度来看，KOH改性是一种有效的手段，能够改变生物炭的化学结构，增加其比表面积和孔隙率，从而提升吸附能力。在之前的文献中，有研究显示，KOH改性后的生物炭在去除某些有机污染物方面表现出色。例如，da Silva等人使用KOH改性的巴西坚果壳生物炭，成功去除了水溶液中的苯酚。此外，Thongpat等人通过KOH改性橡胶木生物炭，显著提高了其比表面积和孔隙体积，使其在吸附性能上优于原始生物炭。这些研究都表明，KOH改性能够显著改善生物炭的吸附性能，从而提高其在去除抑制物方面的应用价值。

在本研究中，K-CSB的制备过程采用了KOH作为改性剂，通过一系列腐蚀反应扩大了玉米秸秆生物炭的比表面积。实验结果显示，K-CSB的产率达到了72.5%，说明其制备过程具有较高的效率。同时，K-CSB的元素组成分析表明，其高碳含量为吸附过程提供了稳定的结构基础。这些特性使得K-CSB在去除木质纤维素预水解液中的芳香类抑制物方面表现出色。

除了对芳香类抑制物的去除效果外，K-CSB还对乳酸发酵的其他方面产生了积极影响。例如，通过去除抑制物，不仅改善了微生物的生长环境，还增强了其代谢能力。研究中使用的乳酸菌（Lactobacillus rhamnosus）在K-CSB处理后的预水解液中表现出更好的生长状态和代谢活性。这表明，K-CSB的使用不仅有助于提高乳酸产量，还能优化发酵过程的整体性能。

此外，研究还强调了K-CSB在复杂系统中的应用潜力。目前，大多数关于KOH改性生物炭的研究主要集中在单一芳香化合物或水溶液中的污染物去除，而本研究则将焦点放在了木质纤维素预水解液这一复杂体系中。木质纤维素预水解液中含有多种抑制物，包括芳香类化合物、酚类物质和呋喃类化合物等，这些物质的共同存在会对微生物的代谢活动产生更大的影响。因此，K-CSB在复杂体系中的吸附能力显得尤为重要。通过实验验证，K-CSB能够有效去除这些抑制物，从而为后续的发酵过程创造一个更加适宜的环境。

本研究的意义不仅在于提供了一种高效的抑制物去除方法，还在于揭示了KOH改性生物炭在提高乳酸发酵效率方面的机制。通过分析K-CSB的物理化学特性，以及其对微生物代谢的影响，研究团队发现K-CSB的高比表面积和丰富的羰基基团是其吸附性能优异的关键因素。这些基团不仅能够通过物理吸附机制去除抑制物，还能通过化学吸附机制与芳香类化合物发生相互作用，从而提高去除效率。同时，K-CSB的使用还能够减少反应性氧物种（ROS）的积累，降低细胞膜损伤，提高微生物的活性和稳定性。

在实际应用方面，K-CSB的使用为木质纤维素生物质的高效转化提供了新的可能性。通过去除抑制物，不仅可以提高乳酸的产量，还能降低生产成本，提高工艺的可持续性。这对于推动生物质资源的综合利用和工业规模的乳酸生产具有重要意义。此外，K-CSB的制备过程相对简单，成本较低，适合大规模应用。这使得其在工业生产中的推广成为可能。

从更广泛的角度来看，这项研究也为其他生物炭改性技术提供了参考。生物炭作为一种重要的吸附材料，其改性方法多种多样，包括酸碱改性、热处理、负载金属等。不同的改性方法会对生物炭的物理化学特性产生不同的影响，进而影响其吸附性能。因此，选择合适的改性方法对于提高生物炭的应用效果至关重要。KOH改性作为一种常见的化学改性方法，能够有效提高生物炭的比表面积和表面官能团含量，从而增强其吸附能力。这一发现为其他生物炭改性研究提供了理论支持和技术指导。

本研究的成果也为未来的研究方向提供了启示。目前，大多数关于生物炭去除抑制物的研究主要集中在单一化合物或特定体系中，而K-CSB的应用则拓展了其在复杂体系中的潜力。未来的研究可以进一步探索K-CSB在不同预处理条件下的吸附性能，以及其在不同微生物体系中的适用性。此外，还可以研究K-CSB与其他吸附材料的协同作用，以进一步提高其去除效率。这些研究将有助于推动生物炭在生物质转化领域的深入应用。

总之，这项研究通过KOH改性玉米秸秆生物炭，成功实现了对木质纤维素预水解液中芳香类抑制物的高效去除，并显著提高了乳酸发酵的效率。K-CSB的高比表面积和丰富的羰基基团使其在吸附性能方面表现出色，同时其对微生物代谢的促进作用也得到了验证。这些成果不仅为生物质资源的高效利用提供了新的技术手段，也为生物炭的改性研究和应用拓展了新的思路。未来的研究可以进一步优化K-CSB的制备工艺，探索其在不同体系中的适用性，并推动其在工业生产中的实际应用。