稀酸-熔融盐水合物协同预处理实现玉米芯全组分高效转化与木质素高值化利用

《Green Chemistry》：Integrated corncob biorefinery via synergistic dilute acid and molten salt hydrate pretreatment for efficient saccharification and lignin valorizationOpen Access

　　

木质纤维素生物炼制（lignocellulosic biorefinery）常受限于难以在实现碳水化合物（carbohydrate）高效转化的同时保留木质素（lignin）以进行进一步利用。本研究开发了一种集成玉米芯（corncob）生物炼制策略，将顺序稀酸（dilute acid）预处理与溴化锂三水合物（lithium bromide trihydrate, LiBr·3H₂O）预处理相结合。稀酸预处理去除了超过97%的半纤维素（hemicellulose），以潜在用于木糖（xylose）生产，同时保留了90–98%的纤维素（cellulose）和木质素。随后的LiBr·3H₂O预处理将纤维素结晶度（cellulose crystallinity）从52%降低至29%，并将比表面积（specific surface area）增大约32倍，从而提高了酶可及性（enzyme accessibility）。经过48小时酶促水解（enzymatic hydrolysis），葡萄糖（glucose）得率达到96%。即使在低酶用量（enzyme loading）2 FPU g^?1底物（substrate）和高固含量（solid loading）20%的条件下，仍实现了89%的葡萄糖得率。回收的酶解木质素（enzymatic hydrolysis lignin, EHL）被进一步转化为木质素纳米颗粒（lignin nanoparticles, ELNPs），并掺入海藻酸钠（sodium alginate, SA）基复合纤维（composite filaments）中。所得纤维表现出132 MPa的拉伸强度（tensile strength）、增强的抗菌活性（antibacterial activity）和良好的细胞相容性（cytocompatibility）。质量平衡（mass balance）、生命周期评价（life cycle assessment, LCA）和技术经济分析（techno-economic analysis, TEA）进一步表明，与传统生物炼制工艺相比，玉米芯主要组分得到高效利用，环境和经济性能均得到改善。总体而言，本研究为可持续玉米芯生物炼制提供了碳水化合物高效转化与木质素增值利用（lignin valorization）的集成策略。

随着全球能源需求持续增长及对气候变化问题的关注不断加剧，木质纤维素生物炼制已成为可持续生产先进生物燃料、生物化学品和生物基材料的有前景的策略。作为最丰富的可再生碳资源，木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。其中，玉米芯是一种丰产的农业残留物，纤维素和半纤维素含量相对较高，木质素含量较低（10–15%），是颇具吸引力的生物炼制原料。然而，传统玉米芯生物炼制工艺主要聚焦碳水化合物转化，即半纤维素水解为木糖、纤维素酶解为可发酵糖，木质素往往被直接燃烧或经碱处理后酸沉回收；更关键的是，常规酸碱预处理会诱导木质素缩合与结构改变，使回收木质素分子量升高、酚羟基含量降低、反应性下降，严重阻碍其高值化利用。此外，致密的木质素-碳水化合物基质与高度结晶的纤维素结构限制了酶可及性，是高效糖化必须克服的固有抗性。因此，开发能同时实现碳水化合物高效转化并保留木质素利用潜力的预处理策略，成为可持续木质纤维素生物炼制的关键挑战。

针对上述问题，研究人员提出了一种集成玉米芯生物炼制策略，将顺序稀酸预处理与溴化锂三水合物（lithium bromide trihydrate, LiBr·3H₂O）熔融盐水合物（molten salt hydrate, MSH）预处理相结合，实现玉米芯主要组分的全组分利用。该工作发表于《Green Chemistry》。研究表明，稀酸预处理在较温和条件下即可去除97%以上的半纤维素用于潜在的木糖生产，同时保留90–98%的纤维素和木质素；随后的LiBr·3H₂O预处理破坏纤维素结晶结构，使纤维素结晶度从52%降至29%，比表面积增大约32倍，显著改善酶可及性，48小时酶促水解葡萄糖得率达96%，即使在低酶用量2 FPU g^?1底物、高固含量20%的条件下葡萄糖得率仍达89%。回收的酶解木质素（enzymatic hydrolysis lignin, EHL）被转化为木质素纳米颗粒（lignin nanoparticles, ELNPs）并进一步用于制备功能复合纤维。质量平衡、生命周期评价与技术经济分析共同证实，相比传统工艺，该策略在主要组分高效利用的同时改善了环境与经济性能，为可持续玉米芯生物炼制提供了集成方案。

在方法上，研究人员以采集自中国山东省潍坊市的玉米芯为原料，依次进行稀酸（H₂SO₄）预处理与LiBr MSH预处理，分别系统优化了酸浓度、温度、反应时间、液固比及LiBr浓度、温度、时间、液固比等关键参数；采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）、基于Brunauer–Emmett–Teller（BET）理论的氮气吸附比表面积分析、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）及傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）等表征解析预处理前后的形貌、孔隙与结晶结构演变；通过酶促水解评价糖化效率；将EHL经高压均质转化为ELNPs，再经湿法纺丝（wet-spinning）制备海藻酸钠（sodium alginate, SA）基复合纤维，评价其拉伸性能、热稳定性、抗菌活性及细胞相容性；最后基于1000 g原料的质量平衡，以1吨玉米芯为功能单位开展生命周期评价（life cycle assessment, LCA）与技术经济分析（techno-economic analysis, TEA），采用ReCiPe 2016中点法核算18类环境影响，并按经济价值分配法处理木糖、葡萄糖与木质素三种共产物。

研究结果如下。

协同预处理实现玉米芯高效糖化（Synergistic pretreatment enables efficient saccharification of corncob）：研究人员比较了未处理、H₂SO₄预处理、60% LiBr MSH预处理及顺序H₂SO₄–LiBr MSH预处理玉米芯的酶解效果。未处理与单一LiBr MSH预处理玉米芯的葡萄糖得率分别仅为8.98%和9.13%，表明LiBr MSH单独处理无法有效克服未处理玉米芯的抗性；稀酸预处理因脱除大部分半纤维素，使葡萄糖得率于24 h和48 h分别达23.54%和35.50%；而顺序两步预处理使葡萄糖得率在24 h和48 h分别达75.69%和95.88%，且LiBr体系葡萄糖得率高于同浓度ZnCl₂和ZnBr₂体系。经参数优化，最优条件为1.2% H₂SO₄、140 °C、1 h、液固比1:10，以及60% LiBr、25 °C、2 h、液固比1:10；此条件下单独稀酸预处理48 h葡萄糖得率为40.68%，经LiBr MSH预处理后提升至95.88%，较单独稀酸提高2.4倍，证明稀酸主要脱除半纤维素屏障，LiBr MSH则进一步破坏纤维素结晶结构、提高酶可及性，二者发挥互补作用。酶用量与固含量实验表明，低酶用量（2 FPU g^?1底物）、高固含量（20%）条件下葡萄糖得率仍达89.42%，展现出良好的工业应用潜力。

促进酶促糖化的结构演变与机理（Structural evolution and mechanisms promoting enzymatic saccharification）：SEM观察显示，未处理玉米芯表面光滑致密、孔隙有限；稀酸预处理后结构粗糙多孔；再经LiBr MSH预处理后结构显著破碎，形成大孔与疏松纤维结构。BET分析表明，比表面积从未处理玉米芯的0.58 m² g^?1增至稀酸预处理后的5.07 m² g^?1，再经LiBr MSH预处理后达18.52 m² g^?1，相对未处理提升约32倍，总孔容亦显著增加。XRD拟合数据显示，结晶指数（crystallinity index, CrI）从未处理的51.93%升至稀酸预处理后的60.72%，归因于无定形半纤维素的脱除及无定形纤维素的部分降解；而后续LiBr MSH预处理使CrI骤降至28.96%，表明纤维素结晶结构被实质性破坏。据此提出的机理为：稀酸选择性脱除半纤维素屏障，LiBr MSH削弱纤维素微纤维内分子间氢键网络、降低结晶度并增大可及表面积，二者协同促进纤维素酶吸附；随后内切葡聚糖酶与外切葡聚糖酶协同裂解纤维素链生成可溶性寡糖和纤维二糖，最终由β-葡萄糖苷酶转化为葡萄糖。

木质素增值利用的概念验证（Proof-of-concept lignin valorization）：回收的EHL呈粒径大于1 μm的不规则聚集体；经60 MPa高压均质5个循环后转化为平均粒径65.5 ± 2.5 nm的球形ELNPs，粒径分布较窄。将ELNPs掺入SA的湿法纺丝复合纤维中，SA/ELNP-30%纤维表面光滑平整、无明显缺陷；纯SA纤维拉伸强度为66.39 MPa，掺入未处理EHL后降至44.42 MPa，而掺入ELNPs后显著提升，在30 wt%添加量时达131.92 MPa，过量（40 wt%）则因干扰钙离子交联的"蛋箱"结构而略有下降；打结强度亦由纯SA的41.56 MPa提升至30 wt%时的55.55 MPa。FTIR证实ELNPs与SA基体间存在氢键相互作用；热重分析显示复合纤维热稳定性与残炭量提高；抗菌实验显示SA/ELNP-30%对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌效率较纯SA分别提高约5%和8%；细胞相容性方面，L929小鼠成纤维细胞在SA/ELNP-30%上培养24、48 h存活率超过100%，72 h约99%，表明未引发明显细胞毒性。

经济与环境影响评估（Economic and environmental impact assessment）：基于1000 g原料的质量平衡显示，稀酸预处理（1.2% H₂SO₄、140 °C、1 h）后获得612.7 g固体残留，含347.83 g葡聚糖和141.96 g木质素；LiBr MSH预处理（60% LiBr、25 °C、2 h）后保留337.7 g葡聚糖和137.3 g木质素；酶解（20%固含量、2 FPU g^?1底物、48 h）产生352.51 g葡萄糖，得率89.42%，约137.3 g木质素留存固相。LCA采用从摇篮到大门（cradle-to-gate）系统边界，基于99.5% LiBr回收率与循环假设，最终洗涤滤液电导率低于20 μS cm^?1，浓缩后直接回用。结果显示，所提工艺在多数影响类别中低于传统工艺，全球变暖潜能（global warming potential, GWP）降低约18.92%，陆地生态毒性、淡水生态毒性和海洋生态毒性分别降低40.61%、43.29%和46.38%。TEA显示，在回收与循环假设下，单位产品生产成本为每吨玉米芯429.06美元，低于传统工艺的532.23美元，降幅约19.4%，主要源于H₂SO₄与碱消耗的大幅降低，成本结构由耗材主导转向固定生产成本主导。

讨论与结论方面，研究人员指出，稀酸与LiBr MSH预处理在生物质解构中发挥互补作用，温和条件有效保留了木质素的结构与功能，使EHL可转化为ELNPs并用作功能材料填料，为木质素从低价值燃烧或副产物升级为功能材料原料提供了可行路径。同时需指出，尽管高固含量与低酶用量有利于降低水和酶消耗，所有实验均在实验室规模完成，仍需放大研究评估高固浆料的混合与传质、酶-底物接触、传热、固液分离、试剂回收及批次一致性，这些因素将影响更大规模下的糖得率、木质素性质与整体工艺性能。研究结论表明：稀酸预处理在较温和条件下有效去除97%以上半纤维素，同时保持较高的纤维素与木质素回收率；LiBr MSH预处理实质性破坏纤维素结晶结构，将结晶度从52%降至29%，并显著增加表面积与孔隙度；协同预处理策略在酶用量2 FPU g^?1底物、固含量20%的条件下实现了高达89%的葡萄糖得率，展现出经济可行的生物质转化潜力；回收的酶解木质素成功转化为纳米颗粒并掺入海藻酸钠基复合纤维，力学、抗菌与细胞相容性均获改善。该工作提出的协同预处理策略实现了碳水化合物高效转化与木质素增值的耦合，为集成玉米芯生物炼制与全组分生物质增值利用提供了一条前景广阔且可持续的路径。