纤维素快速热解糖化产物的乳酸发酵及副产物抑制效应研究

为解决生物质转化中热解糖化副产物抑制乳酸发酵的难题，研究人员通过纤维素快速热解获得以左旋葡聚糖（LG）为主的生物油，并系统评估了醛类、有机酸和呋喃类副产物的抑制效应。研究创新性采用含氨基离子交换树脂纯化糖液，成功实现高浓度糖条件下的高效乳酸发酵，为生物基化学品可持续生产提供了新策略。

　　

随着全球变暖与化石资源枯竭问题加剧，利用可再生生物质生产聚乳酸（PLA）等生物基化学品成为研究热点。然而，传统以淀粉为原料的乳酸生产面临与粮食竞争的伦理困境，而纤维素作为非粮生物质的重要组分，其高效糖化技术仍存在反应条件苛刻、产物浓度低等瓶颈。日本研究人员创新性地采用快速热解技术将纤维素转化为富含左旋葡聚糖（LG）的生物油，但热解过程中伴生的醛类（如乙醛酸、甲基乙二醛）、有机酸（乙酸、甲酸）和呋喃类（糠醛、5-羟甲基糠醛）副产物严重抑制后续乳酸发酵菌的活性。

为突破这一限制，研究团队通过¹H NMR精准鉴定生物油组分，发现醛类物质的抑制效应显著强于有机酸和呋喃类化合物。通过引入含氨基官能团的离子交换树脂选择性吸附醛类物质，使糖液在50 g/L高浓度下仍能实现乳酸产量达理论值的89.3%。该成果发表于《Bioresource Technology Reports》，为生物质热解糖化-发酵联产技术提供了关键纯化方案。

关键技术包括：1）纤维素快速热解制备生物油；2）¹H NMR定量分析副产物组成；3）离子交换树脂梯度纯化；4）乳酸菌（Lactobacillus）发酵效能评估。

【Products from fast pyrolysis of cellulose】
通过500°C快速热解获得含LG（39.2 wt%）的生物油，¹H NMR鉴定出8类主要副产物，其中乙醛酸（GA）和甲基乙二醛（MeGO）占比最高（合计11.4 wt%）。

【Inhibitory effects of by-products】
浓度梯度实验显示，5 g/L醛类混合物可使乳酸产量下降76%，而等量有机酸仅降低23%。抑制作用机制与微生物膜通透性和辅酶A代谢干扰相关。

【Purification of sugar solution】
氨基树脂对醛类吸附效率达92%，糖液电导率从580 μS/cm降至35 μS/cm，显著提升乳酸菌对糖的利用率。

【Lactic acid fermentation】
纯化后糖液的乳酸转化率较未处理组提升4.7倍，发酵周期缩短至48小时，证实醛类清除是工艺优化的关键。

结论部分强调，该研究首次建立纤维素热解糖液副产物抑制效应的量化模型，创新开发的氨基树脂纯化策略可推广至其他生物基化学品生产体系。讨论指出，未来需优化树脂再生工艺以降低处理成本，同时探究复合菌群对残余抑制物的耐受机制。该工作为生物炼制工业实现"非粮生物质→高值化学品"的闭环转化提供了重要技术支撑。