多循环蒸汽爆破联合亚临界水水解技术：一种最大化稻壳糖类产率的集成工艺

本研究针对稻壳(RH)资源化利用难题，创新性地开发了多循环蒸汽爆破(SE)联合亚临界水水解(SWH)的集成工艺。通过优化SE循环次数(1-3次)和SWH温度(230/260°C)，实现了40.68 g/100 g RH的糖类产率（较未处理样品提升12倍），同时将抑制剂(HMF和糠醛)控制在<0.6 g/100 g RH。该工艺为生物炼制提供了高效环保的预处理方案，具有显著的应用前景。

　　

在全球每年产生超过1亿吨稻壳的背景下，这种富含纤维素(约35%)和半纤维素(约25%)的农业废弃物却面临"用之无方、弃之可惜"的困境。传统焚烧处理不仅造成空气污染（CO₂和颗粒物排放），更浪费了其中宝贵的糖类资源。稻壳的结构复杂性源于木质素的包裹和纤维素结晶区，这使得常规方法难以高效释放可发酵糖(FS)。为此，来自巴西的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，开创性地将多循环蒸汽爆破(SE)与亚临界水水解(SWH)相结合，为这一难题提供了创新解决方案。

研究采用三步关键技术：首先对稻壳进行1-3次SE处理(180°C，5分钟/次)，随后进行SWH(230/260°C，固液比80)；通过HPLC动态监测糖类、有机酸和抑制剂的释放；最后通过动力学模型确定最佳工艺参数。所有实验均使用来自巴西南里奥格兰德州中西部地区的同批次稻壳样本。

研究结果显示：

• 稻壳表征：原料含纤维素34.7%、半纤维素24.3%、木质素18.9%，含水率<10 wt%，符合直接加工要求

• 蒸汽爆破优化：3次SE循环使后续SWH糖产率提升37%，较单次处理显著改善

• 温度选择：230°C SWH实现峰值产糖速率5.4 g FS/100 g·min(6-10分钟)，而260°C导致糖类热降解

• 动力学分析：20分钟后糖产率趋零，有机酸(Y_OA)积累至5.83 g/100 g RH

• 抑制剂控制：HMF和糠醛含量<0.6 g/100 g RH，远低于发酵抑制阈值

结论部分强调，3次SE(180°C)联合230°C SWH(20分钟)是最佳工艺组合，其糖产率(40.68 g/100 g RH)较传统酸水解提升12倍。该工艺具有三大优势：1) 避免使用腐蚀性催化剂；2) 可在单一设备中完成多步处理；3) 符合绿色化学原则。研究为稻壳的高值化利用提供了技术支撑，据估算，仅巴西每年产生的210万吨稻壳应用该技术，可生产约85万吨可发酵糖，潜在经济价值超过3亿美元。

特别值得注意的是，该研究首次揭示了多次SE对后续水解的协同效应——每次爆破循环都进一步破坏木质素-碳水化合物复合体(LCC)，使纤维素可及度提升42%。这一发现为其他木质纤维素预处理提供了新思路。研究团队建议未来可探索SE-SWH与酶解的耦合工艺，以进一步提升糖化效率。