基于低共熔溶剂协同微波超声序贯预处理强化花生壳生物质酶解转化及乙醇发酵的绿色工艺研究

本刊推荐：针对木质纤维素酶解效率低和传统预处理污染大的问题，研究人员开发了胆碱氯化物-单宁酸-葡萄糖低共熔溶剂(DES)协同微波-超声序贯预处理新工艺，通过响应面法优化使花生壳纤维素释放率达92.89%，葡萄糖产量提升17.22倍，乙醇产率达12.4g/100g原料，为农业废弃物高值化利用提供了绿色解决方案。

　　

随着全球化石燃料储量减少和温室气体排放问题日益严峻，开发可持续的生物燃料已成为解决能源危机的重要途径。生物乙醇作为化石燃料的替代品，正受到越来越多关注。木质纤维素生物质(LCB)来源于农业废弃物，如花生壳、稻壳、小麦秸秆等，是生产生物乙醇的理想原料。其中，花生壳作为印度主要农业副产品，年产量约300万公吨，含有40.5%纤维素、14.7%半纤维素和26.4%木质素，是具有潜力的生物乙醇生产原料。

然而，木质纤维素生物质的复杂刚性结构——由纤维素、半纤维素和木质素通过糖苷键、苄酯键和葡萄糖醛酸键交联形成——构成了天然抗降解屏障，直接酶解效率极低。传统的预处理方法如离子液体(ILs)和有机溶剂虽有效但存在毒性大、难回收、成本高等问题。因此，开发绿色、高效、经济的预处理技术成为木质纤维素生物质转化领域的关键挑战。

在这项发表于《International Biodeterioration 》的研究中，印度安娜大学的研究团队创新性地开发了一种深共熔溶剂(DES)协同微波-超声序贯预处理技术，显著提高了花生壳(GNS)的酶解效率和乙醇产率。研究人员通过多种表征手段和响应面优化方法，系统评估了该预处理工艺对花生壳组分、结构和酶解性能的影响，为农业废弃物的高值化利用提供了新策略。

研究采用的主要技术方法包括：首先使用胆碱氯化物-单宁酸-葡萄糖(ChCl:TA:Glu)三元DES体系在65°C下处理花生壳生物质；接着进行微波辐照(MWI)和超声处理优化；通过响应面法(RSM)和单变量法(OVAT)优化关键参数；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、动态光散射(DLS)和热重分析(TGA)等手段表征预处理前后生物质的结构变化；最后通过酶解糖化和酵母发酵工艺生产生物乙醇。

3.1. 不同DES预处理对花生壳组分的影响

研究发现，ChCl:TA:Glu三元DES表现出最佳的木质素去除和纤维素保留效果，预处理后纤维素含量从36.59%提高到58.3%，显著优于ChCl:TA:OA和ChCl:TA:LA体系。这种DES依靠单宁酸的π-π和疏水相互作用与木质素芳香结构结合，葡萄糖增强氢键网络，协同实现温和条件下的高效脱木素。

3.2. 反应时间对预处理效果的影响

通过单变量优化发现，4.5小时为最佳处理时间，继续延长反应时间对纤维素释放的改善不明显，表明DES预处理达到了饱和阈值。这一发现为避免过度处理提供了时间参数依据。

3.3. 温度对纤维组分的影响

温度优化实验表明，60-80°C为最佳温度范围，超过100°C会导致纤维素回收率略有下降，可能是由于生物质热解或副反应的发生。这一结果为节能预处理提供了温度参考。

3.4. 微波辐照加热的影响

微波处理在300W时效果最佳，纤维素释放率达到79.09%，而更高功率(600W和900W)反而导致纤维素释放率下降。微波辐照能增强DES的离子特性和分子极性，从而降低预处理温度和时间要求。

3.5. 超声频率对生物质分馏的影响

在50Hz超声频率下，纤维素释放率达到最高的92.89%，同时半纤维素和木质素含量分别降至2.01%和2.22%。超声空化效应产生的局部高温高压能有效破坏木质纤维素结构。

3.6. 预处理生物质的表征分析

通过FTIR、XRD、SEM、EDS、DLS、TEM和TGA等多种表征手段证实，序贯预处理有效破坏了花生壳的木质素-半纤维素-纤维素复合结构，提高了纤维素可及性和酶解效率。XRD显示结晶度指数从44%提高到54%，SEM显示表面形貌从致密光滑变为疏松多孔，DLS显示粒径减小至120.3nm，TEM观察到15-20nm直径的纳米纤维。

3.7. 预处理参数的实验优化设计

通过响应面法优化得到最佳条件为：生物质负载量12%、pH6.2、温度65°C、时间4.2小时、微波功率300W、超声频率50Hz。在此条件下，纤维素释放量达到340.01mg/mL，较未处理生物质(30.09mg/mL)提高了10倍以上。

3.8. 还原糖和乙醇发酵

优化后的酶解条件为：生物质负载4g、pH6.25、酶负载4IU/mL、时间4小时，葡萄糖产量达到248.02mg/mL，较未处理生物质(74.33mg/mL)提高了2.3倍。发酵实验显示，处理后的花生壳生物质乙醇产量达到12.4g/L，转化效率为76.69%，远高于未处理生物质的1.46g/L。

该研究开发的三元DES协同微波-超声序贯预处理技术，通过多重机制协同作用有效破解了木质纤维素的抗降解屏障：DES选择性溶解木质素和半纤维素；微波辐照增强分子极性和反应活性；超声空化效应进一步破坏纤维结构。这种绿色预处理工艺不仅显著提高了酶解效率和乙醇产率，而且避免了传统方法的毒性和污染问题，为农业废弃物的资源化利用提供了技术可行、环境友好的解决方案。

研究结果表明，基于ChCl:TA:Glu的DES体系在低浓度(0.01M)和温和条件下就能实现高效脱木素，结合响应面法优化的微波-超声参数，最终使花生壳纤维素释放率达到92.89%，葡萄糖产量提升17.22倍，乙醇产率达12.4g/100g原料。这种序贯预处理策略不仅适用于花生壳，也有望推广到其他木质纤维素生物质的预处理中，推动生物精炼领域的绿色转型和可持续发展。

该研究的创新点在于：首次将三元DES与微波-超声技术结合用于花生壳预处理；系统优化了预处理参数并通过多种表征手段验证了处理效果；建立了从预处理到酶解再到乙醇发酵的完整工艺路线；为农业废弃物高值化利用提供了绿色、高效的技术方案。未来研究可进一步探索DES回收利用、过程放大和经济性评估，推动该技术向产业化应用发展。