还原剂辅助碱性过氧化物预处理促进油棕叶柄和西米棕榈树皮中木聚糖高效溶出的机制研究

本研究针对木质纤维素生物质中木聚糖( xylan )回收率低且黑液( BL )中抑制物含量高的问题，通过评估碱性过氧化氢( AHP )与原位还原剂( NaBH4 /Na2 S2 O4 )协同预处理油棕叶柄( OPF )和西米棕榈树皮( SPB )的效果，发现2% NH4 OH:1% H2 O2 :1% Na2 S2 O4 （OPF）和2% NH4 OH:1% H2 O2 :1% NaBH4 （SPB）在100°C处理60分钟可使木聚糖溶出率达91.4%和88.5%，同时将糠醛和5-羟甲基糠醛( HMF )等抑制物降低71.7%，为生物精炼提供了高效低毒的技术方案。

　　

在全球能源需求持续增长的背景下，农业废弃物作为可再生资源的价值日益凸显。油棕叶柄(OPF)和西米棕榈树皮(SPB)分别是棕榈油和西米淀粉工业的主要副产品，目前主要通过露天焚烧或直接排放处理，不仅造成环境污染，还浪费了其中富含的木聚糖(xylan)资源。这种半纤维素多糖在食品、医药和生物燃料领域具有重要应用价值，但由于木质纤维素复杂的三维结构，传统提取方法存在效率低、抑制物多等瓶颈。

针对这一挑战，马来西亚国立大学的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表论文，系统比较了碱性(NH₄
OH)、碱性过氧化氢(AHP)及其与还原剂(NaBH₄
/Na₂
S₂
O₄
)联用对两种生物质的预处理效果。研究采用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析结构变化，通过高效液相色谱(HPLC)定量黑液组分，结合国家可再生能源实验室(NREL)标准方法进行组分分析。

3.1 原料组分分析
原始OPF和SPB分别含有22.0%和25.2%的木聚糖，且SPB的木质素含量(32.8%)显著高于OPF(29.2%)，这种组分差异为后续预处理效果差异埋下伏笔。

3.2 碱性预处理优化
单一碱性处理在2% NH₄
OH时达到最佳效果，OPF木聚糖溶出率44.1%。引入H₂
O₂
形成AHP体系后，木聚糖溶出提升至53.6%，但抑制物含量仍较高。

3.3 还原剂增效机制
添加1% Na₂
S₂
O₄
使OPF木聚糖溶出率飙升至91.4%，残留量仅1.9%；而SPB对NaBH₄
响应更佳，溶出率达88.5%。FTIR显示Na₂
S₂
O₄
能有效破坏OPF中1510cm^-1
处的木质素芳香骨架振动峰，NaBH₄
则更擅长切断SPB中1730cm^-1
处的半纤维素-木质素酯键。

3.4 抑制物控制
还原剂使黑液中糠醛和HMF含量降低71.7%，其中Na₂
S₂
O₄
处理组的糠醛浓度最低(4.2mg/L)，证实其通过阻断糖类脱水反应抑制副产物生成。

3.7-3.9 结构表征
FESEM显示预处理后生物质表面出现明显孔洞，XRD证实结晶度指数( CrI )从原料的48.1%(OPF)/50.4%(SPB)提升至79.8%，质量平衡分析表明88.2%的OPF木聚糖可被回收。

该研究创新性地将还原剂化学引入传统AHP预处理，不仅破解了木质纤维素生物质中木聚糖高效溶出的难题，还通过抑制副产物形成提升了黑液品质。特别值得注意的是，研究发现还原剂效果具有基质特异性——Na₂
S₂
O₄
更适合处理木质素结构松散的OPF，而NaBH₄
对木质素含量高的SPB更有效，这一发现为不同农业废弃物的精准预处理提供了理论依据。研究建立的"氧化-还原协同"预处理策略，为开发环境友好型生物精炼工艺开辟了新途径。