碱辅助甜菜碱低共熔溶剂预处理麦秆提升糖化效率的机制研究

本研究针对木质纤维素生物质转化效率低的问题，开发了KOH辅助甜菜碱(BE)基低共熔溶剂(DES)预处理体系。通过优化BE:N-(2-羟乙基)乙二胺(NE)与KOH的协同作用，在100°C下处理50分钟，实现95.2%的木质素去除率和90.8%的纤维素保留率，使麦秆(WS)糖化活性提升5.1倍，还原糖产量达98.3%。该研究为生物精炼提供了高效环保的预处理策略。

　　

随着化石能源枯竭与环境污染问题加剧，开发绿色可再生的生物质能源成为全球焦点。小麦秸秆(WS)作为年产量超200亿吨的农业废弃物，富含纤维素、半纤维素和木质素，但其致密的晶体结构和木质素-碳水化合物复合物(LCC)严重阻碍酶解效率。传统预处理方法存在设备腐蚀、高温高压或环境污染等缺陷，而低共熔溶剂(DES)因其低毒、可降解的特性成为研究热点。然而，甜菜碱(BE)基DES的高粘度限制了其应用效果。为此，江苏高校自然科学研究项目等资助的研究团队创新性地将KOH与BE基DES联用，在《Sustainable Chemistry and Pharmacy》发表了突破性成果。

研究采用BE与N-(2-羟乙基)乙二胺(NE)合成DES，结合KOH在温和条件(100°C, 50分钟)下预处理WS。通过比较9种氢键供体(HBD)的性能，筛选出最优BE:NE体系，并系统考察温度、时间等参数对糖化效率的影响。采用纤维素酶活性测定、表面疏水性分析等技术评估预处理效果，结合扫描电镜观察WS形貌变化。

材料与方法
研究选取BE与NE以1:2摩尔比合成DES，加入4% KOH对20-60目WS进行预处理。通过DNS法测定还原糖产量，利用Simon染色法计算纤维素可及度，采用接触角测量仪分析疏水性变化。

Impact of various DESs on WS pretreatment
对比9种BE基DES发现，BE:NE体系表现最优，其羟基和氨基协同破坏LCC结构，使木质素溶解率达95.2%，半纤维素去除率50.6%，同时保持90.8%的纤维素保留率。

Conclusions
KOH/BE:NE预处理通过三重机制提升效率：(1)KOH促进木质素β-O-4键断裂，降低DES粘度；(2)BE:NE破坏纤维素I_α
晶体结构，使酶可及度提升至340.1 mg/g；(3)表面疏水性降至1.6 L/g，木质素覆盖率减少至108.6 m²
/g。最终还原糖产率较未处理组提高5.1倍，达98.3%。

该研究首次阐明碱辅助DES的协同作用机制，为生物质精炼提供了兼具高效性与环境友好性的预处理方案。张丹平等作者指出，钾离子可回收制备钾肥，实现资源循环利用。这项技术有望推动农业废弃物高值化利用，助力"双碳"目标实现。