基于过硫酸铵协同处理的玉米芯高效联产木糖与羧化纤维素纳米晶体的技术集成研究

本研究针对玉米芯资源利用率低的问题，创新性地采用过硫酸铵(APS)协同水热预处理技术，结合木聚糖酶水解和碱孵育工艺，实现了木糖(得率提升15.33%至64.99%)和羧化纤维素纳米晶体(cCNCs)(得率提升82.65%至41.34 g/100 g纤维素)的高效联产。该技术通过APS产生的SO4·-自由基选择性氧化C6位羟基为羧基，为生物质高值化利用提供了绿色新策略。

　　

玉米芯作为玉米加工的副产物，在我国年产量巨大，但传统焚烧处理方式既浪费资源又污染环境。这种富含纤维素(35.54%)和半纤维素(30.22%)的生物质，其实蕴藏着制备高附加值产品的巨大潜力。其中，木糖作为功能性甜味剂广泛应用于食品医药领域，而具有独特纳米结构的羧化纤维素纳米晶体(cCNCs)更是新材料界的"明星"，但其传统制备方法存在效率低、污染重等瓶颈。如何实现玉米芯组分的高效解聚与定向转化，成为生物质利用领域亟待突破的科学问题。

来自江苏盐城的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的研究中，创新性地将过硫酸铵(APS)这种绿色氧化剂"一剂两用"：既用于木糖提取又用于纳米材料制备。通过三步技术集成——APS水热预处理释放木糖、木聚糖酶水解低聚糖提升得率、碱孵育脱木质素后APS氧化制备cCNCs，实现了玉米芯全组分的高效转化。研究采用HPLC分析糖类组分，通过TEM观察纳米结构形貌，结合FTIR和XRD表征化学键合与结晶特性，并利用zeta电位评估胶体稳定性。

在木糖生产方面，1% APS在150°C处理90分钟可提取56.35%木糖，残留的7.99 g/L木寡糖(XOS)经2%木聚糖酶水解48小时后，木糖得率提升至64.99%。表征发现APS分解产生的SO₄^·-和·OH自由基能有效断裂β-1,4-糖苷键，且酸性环境(pH=1.52)比传统硫酸更温和。

针对cCNCs制备，直接氧化预处理残渣(含23.59%木质素)时得率仅22.64 g/100 g纤维素。而经0.25% NaOH在55°C脱除70.02%木质素后，1 M APS氧化16小时可使cCNCs得率跃升至41.34 g/100 g纤维素，且APS用量减半。TEM显示产物为长度152.1±32.8 nm、直径13.9±3.2 nm的棒状结构，zeta电位-32.97 mV表明胶体稳定性良好。FTIR在1730 cm^-1处的特征峰证实C6位成功羧基化，XRD显示60.51%结晶度保持纤维素I型结构。

该研究通过工艺创新使1 kg玉米芯可产出223.17 g木糖和146.96 g cCNCs，不仅解决了传统酸法腐蚀设备、TEMPO氧化剂毒性大等问题，更开创了"木糖-cCNCs"联产新模式。特别值得注意的是，APS反应后生成的硫酸铵可电解再生，碱处理溶出的木质素还能用于腐殖酸生产，真正实现了生物质的全质利用。这种技术集成策略为农林废弃物资源化提供了可推广的范例，对发展循环经济具有重要实践意义。