酶解-水热耦合处理技术定向转化生物质水相高值含氮化合物的机制研究

本文创新性地提出酶解-水热耦合处理（Enzymatic-Hydrothermal Treatment）技术，通过蛋白酶预处理促进富氮生物质（如豆粕）在水热碳化（HTC）过程中含氮化合物向水相（AP）的定向富集，并利用异佛尔酮催化α-氨基酸脱羧反应，显著提升乙酸、糠醛（furfural）和5-羟甲基糠醛（5-HMF）等平台化合物的产率，为生物质水相资源化提供了新策略。

　　

Highlight

本研究首次提出针对富氮生物质的酶解-水热协同处理新方法，通过蛋白酶预处理实现原料氮素向水相（AP）的完全转化与富集。实验证明，豆粕在220°C水热条件下经酶解预处理后，AP氮含量显著提升。创新性地采用异佛尔酮（isophorone）作为脱羧催化剂，通过形成席夫碱（Schiff base）中间体，成功引导α-氨基酸发生非氧化脱羧反应，抑制美拉德反应（Maillard reaction）导致的氮杂环聚合物生成，使乙酸、糠醛和5-HMF等平台化合物产率提升3-5倍。

Materials

实验选取五种富氮生物质：螺旋藻（spirulina platensis）、蛋白核小球藻（chlorella pyrenoidosa）、豆粕、水葫芦和大豆秸秆。所有原料经105°C烘干12小时后，采用碱性蛋白酶（pH 8.0, 50°C）预处理24小时，水热反应在高压釜（220°C, 2 MPa）中完成。

AP composition of different nitrogen-rich biomasses under enzymatic action (EA)

图1a显示酶处理对富氮生物质水热产物分布的影响。蛋白质基生物质（螺旋藻、小球藻、豆粕）在220°C处理10分钟后AP得率提高40-60%，其中豆粕AP的有机氮含量增幅达82%。纤维基生物质（水葫芦、大豆秸秆）则主要表现为半纤维素降解产物增加。值得注意的是，酶解预处理使豆粕AP中α-氨基酸浓度提升2.3倍，为后续脱羧反应奠定基础。

Conclusion

研究表明，蛋白酶预处理能显著促进蛋白质基生物质（特别是豆粕）的氮素水相转化。在220°C、10分钟水热条件下，添加0.5 wt%异佛尔酮可使AP中平台化合物总产率提高4.8倍。该工作为生物质水相高值化利用提供了"酶解富集-催化定向转化"的新思路。