氨基酸结构依赖性氮迁移机制及其对水热液化生物原油品质的调控作用

本研究针对水热液化(HTL)处理富氮生物质时氮污染难题，通过实验与模拟揭示氨基酸结构对氮迁移规律的影响：中性氨基酸亮氨酸优先形成酰胺/二酮哌嗪(DKP)保留于生物原油(31.61%)，碱性精氨酸倾向生成水相氮杂环(产油仅7.94%)，酸性天冬氨酸通过脱羧释放氮至气/水相。DFT理论计算证实亮氨酸存在DKP形成与氧化裂解两条竞争路径，为HTL原料筛选与工艺优化提供理论依据。

　　

水热液化(Hydrothermal Liquefaction, HTL)作为一种极具潜力的湿生物质转化技术，可将含水率高的原料转化为生物原油。然而，当处理富含氮元素的微藻等原料时，氮污染物向生物原油中的迁移会严重影响其品质。本研究以三种典型结构氨基酸为模型化合物——中性亮氨酸(leucine)、碱性精氨酸(arginine)和酸性天冬氨酸(aspartic acid)，深入探究了分子结构对HTL过程中氮元素迁移规律的影响机制。

通过正交实验结合气相色谱-质谱联用(GC–MS)技术，研究人员精确量化了氮元素在产物各相（油相、水相、气相）中的分布。同时采用密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)模拟从分子层面阐释了降解反应路径。实验结果表明：亮氨酸获得最高生物原油产率（31.61%），其氮元素主要以酰胺类和二酮哌嗪(diketopiperazines, DKP)形式保留于油相；精氨酸的产油率极低（7.94%），氮元素倾向于形成含氮杂环化合物进入水相；而天冬氨酸虽产油率达29.53%，但主要通过脱羧反应将氮释放至水相和气相。

DFT计算进一步证实，亮氨酸在HTL过程中遵循两条竞争路径：一是二酮哌嗪(DKP)环化形成，二是氧化裂解生成2-吡咯烷酮(2-pyrrolidone)。这些发现深刻揭示了氨基酸官能团结构与氮迁移行为之间的构效关系，为从源头筛选原料和优化HTL工艺以提升生物原油品质提供了重要指导。