基于低共熔溶剂预处理与抑制剂耐受型酵母协同作用的一锅法生物乙醇生产技术研究

本研究针对木质纤维素生物质转化过程中预处理与糖化发酵工艺不兼容的难题，创新性地采用深共熔溶剂(DES)预处理与一锅法(PSOP)技术，结合抑制剂耐受型马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus) UniMAP 1-1，实现了橡胶籽壳(RSS)高效转化为生物乙醇。研究发现PC:Gly体系在总糖产量(0.38 g/g)和乙醇得率(0.307 g/g)方面表现优异，为农业废弃物资源化提供了绿色解决方案。

　　

随着全球能源危机加剧，生物乙醇作为化石燃料替代品备受关注。橡胶籽壳(RSS)作为马来西亚橡胶种植业的副产品，年产量高达120万公斤，却因缺乏有效利用策略而被大量废弃。这种富含纤维素(38-65%)和半纤维素(19-25%)的木质纤维素生物质，其复杂的交联结构导致传统生物转化面临三大挑战：预处理效率低、工艺兼容性差、抑制剂影响发酵效率。

马来西亚玻璃市大学(Universiti Malaysia Perlis)的研究团队在《Bioresource Technology Reports》发表创新研究，通过系统筛选七种深共熔溶剂(DES)，开发出预处理-糖化一锅法(PSOP)新工艺，结合特殊驯化的马克斯克鲁维酵母(K. marxianus) UniMAP 1-1，成功实现RSS高效转化。研究发现胆碱氯化物:甲酸(ChCl:FA)和碳酸钾:甘油(PC:Gly)能分别保留73.2%和92.66%纤维素，其中PC:Gly体系在总糖产量(0.38 g/g)和乙醇得率(0.307 g/g)方面表现最优，为农业废弃物资源化提供了绿色解决方案。

关键技术包括：1) 七种DES溶剂体系(含酸性/碱性)的合成与表征；2) SEM-FTIR-XRD多模态表征纤维素结构变化；3) 酶-DES相容性测试；4) 抑制剂耐受型酵母发酵动力学分析。

【材料与方法】

研究采用粒径≤1 mm的RSS为原料，合成ChCl:LA、ChCl:FA等七种DES。通过组分分析、结晶度测定和形貌观察评估预处理效果，并采用DES-酶相容性实验筛选最佳PSOP体系。

【预处理效率评估】

PC:Gly表现出最优的组分选择性，在保留92.66%纤维素的同时有效破坏木质素-碳水化合物复合体(LCC)。SEM显示其处理后纤维表面出现明显孔洞，XRD证实纤维素结晶度从45.8%降至36.4%，显著提升酶可及性。

【糖化性能比较】

PSOP体系中PC:Gly的总糖产量达2.51 g/L，是ChCl:FA体系的3.5倍。研究发现碱性DES更利于维持纤维素酶活性，其β-葡萄糖苷酶保留率达82.3%，而酸性DES仅剩43.7%。

【一锅法乙醇生产】

采用耐受5 g/L乙酸胁迫的K. marxianus UniMAP 1-1，在PC:Gly-PSOP体系中实现0.307 g/g的乙醇得率。该菌株展现出独特的DES适应性，在含20% PC:Gly介质中仍保持80%存活率。

这项研究首次证实PC:Gly在PSOP工艺中的优越性，其创新性体现在：1) 建立DES预处理-酶解-发酵的全流程兼容体系；2) 揭示碱性DES对纤维素酶的稳定机制；3) 开发出耐受DES残留物的酵母发酵工艺。相比传统分步工艺，该技术减少60%用水量和35%操作时间，为木质纤维素生物炼制的工业化提供了重要参考。特别值得注意的是，研究采用的K. marxianus UniMAP 1-1展现出同时代谢葡萄糖/木糖的双重能力，这对解决木质纤维素发酵中碳源利用不全的行业难题具有突破意义。