《Journal of Biotechnology》：Distinct roles of dilute acid and ammonia in steam explosion of corn stover: Linking biomass structure to bioconversion
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引言生物质被公认为继煤、石油和天然气之后全球第四大能源来源，被认为是第二代生物精炼中丰富且具有经济吸引力的可再生原料（Lynd et al., 2008, Wang et al., 2026）。全球每年木质纤维素生物质产量估计约为1815亿吨，但目前仅约82亿吨被用于各种应用
引言
生物质被公认为继煤、石油和天然气之后全球第四大能源来源，被认为是第二代生物精炼中丰富且具有经济吸引力的可再生原料（Lynd et al., 2008, Wang et al., 2026）。全球每年木质纤维素生物质产量估计约为1815亿吨，但目前仅约82亿吨被用于各种应用领域（Singh et al., 2022）。在能源供应方面，生物质目前为全球能源结构贡献约60 EJ，据国际能源署预测，到2050年这一数字将上升至100 EJ（Bioenergy n.d）。然而，由于纤维素、半纤维素和木质素构成的复杂基质所固有的抗降解性，严重限制了酶解降解和下游生物转化效率（Carvalho et al., 2020）。因此，高效且可持续的预处理对于木质纤维素生物质的高值化至关重要（Haq et al., 2024）。在可用的预处理方法中，蒸汽爆破（SE）因其高效率、相对较低的能耗和最小环境影响而备受关注（Sahari et al., 2024）。由于这些优势，SE已被广泛应用于从小试到工业规模的多种木质纤维素原料中（Alvarez et al., 2021）。为进一步增强SE效果，引入了两类本质不同的添加剂：稀酸和氨。代表性添加剂包括硫酸（Cavalaglio et al., 2021a）、磷酸（Zeng et al., 2014）和氨（Hu et al., 2024），预计它们将诱导不同的生物质降解途径，从而产生不同的酶解和发酵性能。
值得注意的是，尽管SE能有效破坏天然木质纤维素结构，但其脱木质素程度有限（Ding et al., 2024）。此外，SE还可能产生不需要的降解产物，包括呋喃衍生物（糠醛、5-羟甲基糠醛（5-HMF））、弱酸（甲酸、乙酸）和酚类物质，这些物质会损害下游生物转化（Zhang et al., 2025）。除这些可溶性抑制剂外，降解中间体还会发生缩合和芳构化反应，形成一种类木质素的聚合物物质——假木质素，沉积在生物质表面，通过物理阻断酶接触和引起纤维素酶的非生产性吸附，严重阻碍酶解（He et al., 2018, ?wi?tek et al., 2020）。然而，酸性添加剂和氨添加剂如何差异性影响生物质结构，特别是木质素组分的重新分布，以及它们与后续酶解之间的关系，仍知之甚少。
此外，可溶性抑制剂传统上通过水洗或解毒处理来去除（Bu et al., 2025; Zhong et al., 2025a）。然而，从工业角度来看，基于固液分离的免洗免解毒策略被强烈推荐，以减少淡水消耗和废水处理成本。更重要的是，在无洗条件下，部分可溶性组分甚至可能对下游处理产生积极贡献，提供缓冲效应或发酵相关营养，从而共同影响酶解和发酵性能（Shi et al., 2024）。因此，需要对无洗条件下的添加剂辅助SE进行系统评估。
尽管对稀酸和氨辅助预处理已有广泛研究，但在SE条件下这两种策略的系统比较仍然有限。此外，以往研究主要关注酶解性能，对添加剂依赖差异的结构性机制关注较少（Fockink et al., 2018）。而且，大多数评估均使用经过充分洗涤的基质进行，从而忽视了残留添加剂和可溶性化合物对下游生物转化的影响（Airoldi Colombo et al., 2025, Liuzzi et al., 2025）。为填补这些空白，在无洗条件下对三种代表性添加剂——硫酸、磷酸和氨——在SE期间进行了比较研究，并建立了整合框架，以阐明不同SE添加剂如何重塑生物质结构，从而影响下游酶解和发酵。
章节摘要
原料
所有实验均采用采自中国山东省滨州市（北纬37°22'，东经118°02'）的玉米秸秆。原料经粉碎后通过40目筛，标记为CK。本工作中所有必需的生化试剂均为分析纯，购自Sigma（上海）贸易有限公司和中国国药集团。
添加剂辅助SE预处理
SE在半连续设备中进行（清征生态科技（苏州）有限公司，型号QBS-80）。
不同SE添加剂预处理玉米秸秆的酶解性能
为阐明稀酸和氨在木质纤维素生物质SE预处理中的不同作用，在相同的Log R0条件下系统比较了硫酸、磷酸和氨辅助SE。首先评估了添加剂浓度对酶解性能的影响。在测试的浓度范围内，硫酸1.0%、磷酸1.0%和氨5.0%被确定为最优浓度，因为它们产生了最高的糖
结论
区别于以往主要集中在酶解性能上的研究，我们的发现表明，稀酸和氨辅助SE促进了根本不同的基质重建机制，从而导致了不同的下游生物转化性能。总体而言，硫酸辅助SE与较强的木质素相关抑制相关，而磷酸辅助SE在生物质分级分解和
CRediT作者贡献声明
何颖辉：撰写 – 初稿，形式分析，数据整理。张辉：调查研究。丁凯莉：方法论。梁雪燕：形式分析。任伟科：调查研究。张楠：数据整理。韩路佳：资源获取，项目管理。肖伟华：撰写 – 审阅与编辑，资源获取，项目管理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些可能影响本论文所述工作的结果。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（U25A20660）和国家重点研发计划（2023YFD1301604）的资助。
何颖辉|张辉|丁凯莉|梁雪燕|任伟科|张楠|韩路佳|肖伟华
