利用超高分辨率质谱技术对废弃蘑菇培养基的水热液化产物进行成分分析

《ACS Sustainable Resource Management》：Compositional Analysis of Hydrothermal Liquefaction Products of Spent Mushroom Substrates by Ultrahigh-Resolution Mass Spectrometry

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用过的蘑菇基质（SMS）是在商业栽培富含蛋白质的蘑菇（如双孢蘑菇和平菇）后剩余的营养贫瘠的介质，这些蘑菇通常生长在农业副产品上。这种基质常被作为废弃物丢弃，但可以通过水热液化（HTL）技术转化为液体和固体产品，具有作为土壤改良剂、作物肥料或替代杀虫剂的潜在应用价值。在本研究中，使用直接注入式超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱（DI-FT-ICR MS）技术分析了从双孢蘑菇和平菇培养过程中得到的水热液化产物。该技术能够对复杂的有机混合物（如HTL产物）进行非目标化学特征分析。研究表明，SMS衍生的水基HTL产品在化学上非常多样，包含多种杂原子化合物（如酚类、糖类和脂类），以及它们的含氮和含硫衍生物。对产物进行元素分析发现其中含有大量的氮和硫，还有几种常见的与营养相关的无机元素（如铝、钙、铁、钾、镁和磷），以及其他微量金属。全面了解HTL产品的化学组成对于其在不同应用中的进一步增值至关重要。

1. 引言
由于消费者对动物源性食品的关注不断增加，全球范围内蘑菇栽培正在扩大，这得益于许多蘑菇品种的营养和烹饪价值。1978年至2016年间，全球蘑菇产量增长了30倍。(1) 在欧洲，每年栽培的蘑菇超过一百万吨，为超过5万人提供就业机会，并产生1.47亿欧元的年收入。(2) 最常见的栽培蘑菇包括双孢蘑菇（Agaricus bisporus）和平菇（Pleurotus ostreatus），其中双孢蘑菇约占全球蘑菇总产量的30%。(3) 蘑菇是异养生物，需要精心挑选的基质来生长和发育。这些基质通常由木质纤维素生物质和粪便等材料组成，具体配方会根据当地原材料的可用性而有所不同。(4) 收获后，基质中的大部分营养成分被耗尽，使其不再适合继续用于蘑菇栽培，此时这种基质被称为用过的蘑菇基质（SMS）。它通常由木质纤维素基料（如稻草或锯末）组成，含水量高（>60%），导电性增强，pH值略偏碱性。这些特性给其管理带来了挑战，增加了运输成本，并在处置过程中产生了有害的浸出液。(5,6) SMS的一个潜在用途是作为生物燃料；然而，由于其较低的热值，这种用途的效率有限。(7) 另外，据报道SMS还适用于堆肥、建筑生物材料以及动物饲料的营养生物质。(8) 但找到更好的用途并开发二次产品将有助于提高资源利用效率，符合循环经济原则。例如，从SMS中回收有价值的化合物（如加值酶、多糖、固醇、多酚和维生素）可以进一步增强其利用价值。(9) 用过的SMS残余物还可以通过热化学方法进行处理，用于园艺等农业应用，部分替代常用的泥炭基基质。(10,11) 像水热液化（HTL）这样的热化学方法正越来越多地被用于生物基残留物和副产物的增值。HTL涉及在250?370°C的温度和50?350巴的压力下分解湿生物质。(12) HTL会产生三种主要产物：液体产物（HTL生物原油）、固体产物（水热炭）和残余气体。根据原料成分和工艺参数的不同，HTL生物原油可能分为可溶（水相）和不可溶相。先前的研究探讨了多种HTL增值方法，包括水热碳化（HTC）和快速热解。(13?16) 最近，我们研究了HTL将SMS转化为抗真菌剂的应用。(17) 但对所得水热产物的化学性质缺乏深入分析。

直接注入式（DI）超高分辨率质谱技术（如傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）能够提供有关热化学转化产物（如热解生物油或水热提取物）的全面分子水平信息。(18?24) 该技术可以直接分析复杂的有机混合物（通常包含数万种化学物质），且样品处理过程简单。它能同时处理极性和非极性成分，包括热不稳定的寡聚化合物，无需提取或衍生化处理。例如，对污泥和牲畜粪便液相产物的FT-ICR MS分析显示其包含多种杂原子化合物。(25,26) 在本研究中，使用直接注入FT-ICR MS技术结合两种互补的电离方式（电喷雾电离ESI和常压光电离APPI）对来自双孢蘑菇和平菇培养过程的HTL液体产物进行了成分分析。ESI适用于检测极性、酸性或碱性化合物，而APPI则适用于检测非极性和半极性成分（如烃类和中性酚类化合物）。(20,23,24,27) 在样品中检测到数千种化合物并对其进行了初步鉴定，为这些液体产物在不同应用中的进一步增值提供了重要的分子水平信息。

2. 材料与方法
2.1. 用过的蘑菇基质
SMS由位于西班牙拉里奥哈地区的商业蘑菇栽培设施提供，主要由鸡粪和小麦秸秆组成（用于双孢蘑菇）或仅含小麦秸秆（用于平菇）。两种蘑菇的栽培周期均按照标准商业实践进行。(28,29) 新鲜的SMS是在栽培周期结束后剩余的材料，而经过6个月自然堆肥的双孢蘑菇SMS则由Sustratos de La Rioja S.L.公司提供（西班牙普拉德洪）。样品在处理前保存在-20°C条件下冷冻。解冻后，使用Bosch MCM3110W食品加工机（德国罗伯特博世有限公司）进行研磨。

2.2. 含水量分析
使用Karl Fischer滴定法（ASTM E203方法）在氯仿-甲醇混合物（1:3, v/v）中测定液体样品的含水量，滴定仪为870 KF Titrino plus（瑞士Metrohm AG）。所有溶剂均为HPLC级。每个样品进行五次重复滴定。固体样品的含水量使用Ohaus MB23水分测定仪（美国帕西帕尼Ohaus公司）进行三次重复测量。

2.3. 水热液化实验
每种样品在每种条件下进行一次HTL实验，使用自行设计的高压搅拌反应器（Parr 4584；美国帕尔仪器有限公司）。每次实验将100克SMS（干基）和900克蒸馏水加入反应器中。加压至10巴后加热，反应器温度在1.5?2小时内升至目标值（270或320°C），随后保持2小时恒温。冷却通过内部水循环线圈实现，大约4小时内恢复到室温；系统通常会放置过夜冷却。本实验未收集挥发性产物。冷却后，反应器减压，气体产物排入通风系统。含氮和硫的挥发性成分因具有独特气味而易于检测。固体和液体产物通过Büchner漏斗（配备MN 640d级滤纸）分离。多余的水分通过旋转蒸发器（Büchi Rotavapor R-300；瑞士Büchi Labortechnik有限公司）去除。固体和液体产物的质量通过天平精确测量，精度为±0.1克（表S1）。测定每个液体和固体组分中的含水量，并根据以下公式计算实验产率：
$$
\begin{align*}
\text{Y}_{\text{liquid, dry}}(\%) &= \frac{m_{\text{liquid, total}}(1 - w_{\text{H}_2\text{O}, \text{liquid})}{m_{\text{feed, dry}} \times 100\% \\
\text{Y}_{\text{solid, dry}}(\%) &= \frac{m_{\text{solid, total}}(1 - w_{\text{H}_2\text{O}, \text{solid})}{m_{\text{feed, dry}} \times 100\% \\
\text{Y}_{\text{total}}(\%) &= \text{Y}_{\text{liquid, dry}}(\%) + \text{Y}_{\text{solid, dry}}(\%) \\
\text{Y}_{\text{liquid, org}}(\%) &= \text{Y}_{\text{liquid, dry}}(\%) - \min_{\text{org}, \text{liquid, total}} \times m_{\text{feed, dry}} \times 100\% \\
\text{Y}_{\text{H}_2\text{O}/\text{gas}}(\%) &= (1 - \text{Y}_{\text{total}}) \times 100\%
\end{align*}
$$
其中$m_i$和$w_i$分别表示液体和固体产物（或工艺用水）的质量和重量分数，$m_{\text{minorg}, \text{liquid, total}}$是通过ICP-OES测定的液体产物中溶解的无机物总量，用于计算有机部分的产率（$Y_{\text{liquid, org}}$）。
HTL过程产生的液体产物分别命名如下：双孢蘑菇SMS的产物为CF270和CF320；堆肥6个月后的双孢蘑菇SMS产物为RC270和RC320；平菇SMS的产物为P270和P320，数字表示处理温度（270或320°C）。

2.4. 元素分析
样品的CHNS含量使用Elementar Vario MICRO cube V1.7 CHNS分析仪（德国汉诺市Elementar Analysensysteme有限公司）测定。每种液体和固体产物制备三个重复样品，并报告平均值。氧含量（O%）通过差值法计算，考虑到ICP-OES测定的总无机物含量（$m_{\text{inorg}}$）：
$$
O\% = 100\% - \left(\frac{m_{\text{CHNS}}{m_{\text{inorg}}\right) \times 100\%
$$
其他元素通过电感耦合等离子体-光发射光谱（ICP-OES）结合EPA 3051方法（6 mL HNO3 + 1 mL H2O2）进行定量。所有ICP-OES实验使用Thermo Scientific iCAP 7200仪器（美国沃尔瑟姆Thermo Fisher Scientific公司）进行。总无机物含量用于校正通过传统CHNOS分析得到的氧含量。

2.5. 质谱分析
所有直接注入式FT-ICR MS实验使用12-T Bruker solariX XR仪器（德国不来梅Bruker Daltonics有限公司）完成，该仪器配备动态谐波化ICR池（ParaCell）和Apollo-II离子源，支持ESI和APPI两种电离方式。对于负离子ESI，样品用甲醇（HiPerSolv Chromanorm，≥99.8%；芬兰赫尔辛基VWR International）稀释至500 μg/mL，然后以2 μL/min的流速注入。干燥气体（N2）设定为200°C/2巴，离子积累时间（IAT）为200 ms，飞行时间（TOF）设为0.85 ms。对于正离子APPI，样品用甲醇和甲苯混合物（1:1, v/v）稀释至1 mg/mL的最终浓度，流速为5 μL/min，干燥气体设定为220°C/2巴，IAT和TOF分别设为300 ms和0.70 ms。质量校准使用三氟乙酸钠簇或商业APCI-L Tuning Mix（美国加州圣克拉拉Agilent Technologies公司）获得的离子进行。最终质量谱通过选定的分析物离子进行内部校准。离子检测范围为m/z 98?2000，每个谱图添加了300个时间域信号（8 MWord），然后进行快速傅里叶变换和幅度计算。ESI在m/z 400处的质量分辨率约为600,000，而APPI约为800,000。每次样品检测前进行溶剂空白对照，以确保样品间的无交叉干扰。分析空白使用纯溶剂进行测量，并与实际样品结果进行比较。数据处理使用Bruker ftmsControl 2.2.0软件，数据后处理包括内部质量校准和分子式分配，使用Bruker DataAnalysis 5.1软件进行。数据可视化使用Microsoft Excel（美国雷德蒙德微软公司）和PyC2MC软件包完成。（31）Venn图通过在线Venn图工具（https://www.stefanjol.nl/venny）生成。

3. 结果与讨论
HTC和HTL过程通过聚合物生物质组分的热降解引发级联反应，形成复杂的有机化合物混合物。此外，原料中的含氮和硫的有机及无机物质分解为活性中间体（如胺类、硫醇等），这些中间体进一步与降解的木质纤维素碎片反应，生成新的含氮和硫的有机物种。**Agaricus bisporus SMS**含有鸡粪，其中氮含量很高（由于尿酸、尿素和蛋白质的存在），同时也含有硫（来自含硫氨基酸，如甲硫氨酸和半胱氨酸）。(32) 在高温液相热解（HTL）过程中，这些化合物可以参与化学反应，生成胺、硫醇、硫醚以及含氮或含硫的芳香族物质（例如N-和S-杂环）。相比之下，如果不使用鸡粪（如P. ostreatus SMS的情况），起始材料中的氮和硫含量较低，因此HTL产物中含氮和含硫的物种也较少。(33) 此外，过程中还会形成大量的碳化固体物质（称为水炭），经过纯化和后续处理后可用于多种农业或工业应用，如水净化或土壤改良。(34)

**3.1. 产物分布**
HTL实验后最丰富的产物为固态产物水炭（“干固体”；总产量为30?58 wt%）和液态产物HTL生物原油（22?27 wt%），后者由液化有机物（18?25 wt%）和液化无机物（0.6?5.6 wt%）组成。对于A. bisporus，鸡粪中的蛋白质促进了美拉德反应，形成了缩合的杂环化合物，而不是导致大量产物水的极性生物聚合物脱水反应。对于堆肥样品（RC270和RC320），堆肥过程中的微生物活动会分解和代谢生物质，从而减少了可以通过热液液化处理的材料量。然而，由于SMS材料的不均匀性，这种比较仍然不够精确。

**图1**
图1. 废弃蘑菇基质的HTL处理后产物分布。
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在HTL过程中总会发生一些气化反应，产生水蒸气和小分子挥发性有机化合物。由于未对气态产物进行定量分析，因此产量是基于固态和液态产物的估算值。为了进一步分析液态产物，大部分溶剂水通过旋转蒸发器去除，但短时间内观察到了乳状物的形成，这可能是由于过饱和的有机和无机物质不溶于水所致，尤其是在基于A. bisporus的产物中（见表1）。因此，简单的脱水方法并不适合处理这些产物，需要更复杂的方法来回收有机和无机物质。或者，可以在HTL之前先去除无机物质，可能有助于防止NyOx和SzOx等物种的大量生成。理想情况下，SMS的分离应采用逐步和选择性的方法，使用水作为主要溶剂，以便在进一步处理（如HTL）之前回收有价值的化合物。热液提取（HTE，也称为加压热水提取PHWE）与HTL兼容，因为木质纤维素生物质会产生大量极性水溶性物质。(35?37) 来自P. ostreatus的SMS通常含有更高水平的酶和其他含氮成分，以及较少的无机物质。HTE后，提取的产物可以通过溶剂-溶剂萃取进一步分离。作为HTE的替代方案，可以使用丙酮或乙醇等极性有机溶剂直接提取。在这种情况下，首先回收有机成分，然后用HTE处理剩余的固体以分离水溶性无机物。(38) 另一种方法是无氧消化，它能将有机物转化为甲烷，并浓缩残留固体中的无机成分。然而，部分降解的SMS通常不适合作为主要原料，更适合用作共基质。(39) 对于混合度较高、含有塑料、湿润且有机成分含量极低的SMS，热气化（HTG）是一个最终的处理选项。在这种情况下，有机物被转化为合成气，而无机成分沉淀下来，既不产生液态产物也不生成水炭。

**表1. SMS衍生的HTL生物原油的元素组成（以干重计）**

**3.2. 元素组成：CHNOS和ICP-OES分析**
对废弃蘑菇基质（SMS）衍生的HTL生物原油进行的元素分析显示，P. ostreatus（P270, P320）和A. bisporus（CF270, CF320, RC270, RC320）的产物之间存在明显差异。P. ostreatus衍生的生物原油碳含量较高，达到约33 wt%，表明其碳回收潜力更大。值得注意的是，来自含鸡粪基质的A. bisporus衍生生物原油中氮（高达2.8 wt%）和硫（高达约3.1 wt%）含量也较高，反映了这种原料的营养丰富性。高氮含量可能来源于粪便中的蛋白质化合物和尿酸，这些成分在HTL过程中得以保留，并有助于形成含氮杂环和胺类化合物。(25), (41), (42) 同样，高硫含量与粪便中富含硫的氨基酸和其他含硫有机物的存在有关，这些物质在HTL过程中可能导致噻吩和硫化物的形成。这些杂环的形成可能是由于美拉德反应，其中来自小麦秸秆的还原糖与来自鸡粪的氨基酸（或其他含氮化合物）反应，生成多种产物。(43?46) 提高过程温度会增强缩合反应的强度，从而产生大量杂环化合物。(47) 这些含氮和含硫化合物可能对生物原油的进一步使用（如作为肥料）产生负面影响，可能需要额外的处理步骤来去除或转化它们。相比之下，P. ostreatus样品（P270, P320）中的氮和硫含量较低。其中含量最高的元素是铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）、钾（K）和磷（P），且在A. bisporus样品中的这些元素浓度通常高于P. ostreatus样品。这些元素主要在蘑菇培养过程中积累。

为了最大化蘑菇产量，生长基质的组分已被精心优化，包括多糖、木质素、蛋白质和氮含量，pH值及其缓冲能力也是关键因素。(48) 由于欧洲的商业蘑菇生产基质制备标准较为统一，因此预期由HTL处理的特定类型SMS材料的产物组成也不会有太大差异。(4,29) 因此，可以预期从HTL处理的SMS材料中获得相对均匀的产物组成。

在A. bisporus SMS衍生的HTL生物原油中检测到高浓度的无机物质，这可能是由于在基质配方中添加了各种无机添加剂，如石膏、尿素、石灰石、矿物土和硫酸铵。这些添加剂用于优化pH值、缓冲能力、质地和氮输入，基质主要由富含多糖的谷物秸秆和富含氮的禽粪组成。此外，通常还会使用基于大豆的商业补充剂来进一步提高基质的组成，以实现最大作物产量。(49,50) 应用于A. bisporus基质的覆盖层通常由泥炭和石灰石或矿物土组成，常常添加20%（w/v）(NH4)2SO4，进一步增加无机物质的负荷。相比之下，P. ostreatus在木质纤维素生物质（特别是小麦秸秆）上栽培，修饰较少。与需要堆肥的A. bisporus不同，P. ostreatus是初级分解者，不需要堆肥。(51) 因此，P270和P320生物原油中的无机物质含量显著较低，反映了原始基质的简单组成，其中无机部分仅限于生物质中的天然灰分和少量矿物肥料的残留物。这使得P. ostreatus SMS成为HTL处理和回收的特别有吸引力的原料。

**3.3. 化学组成：直接注入APPI/ESI FT-ICR MS**
直接注入APPI/ESI FT-ICR MS分析揭示了SMS衍生物的分子复杂性（质量谱见支持信息；图S1和S2）。使用负离子ESI时，大多数峰的m/z范围为150?600，A. bisporus SMS基产品的唯一分子式数量为3616至4601个，而P. ostreatus SMS基产品的唯一分子式数量为1471至2196个。使用正离子APPI时，离子在m/z 100?400范围内被检测到，主要是因为其对非极性、不饱和（芳香）和半极性有机化合物的选择性。A. bisporus SMS基产品的总峰数为3138至5115个，P. ostreatus的峰数分别为2454和4352个。然而，APPI同时产生质子化分子和分子离子（自由基阳离子），因此实际唯一分子的数量约为检测到的总峰数的一半。

**3.3.1. ESI和APPI的比较**
为了比较正离子APPI和负离子ESI的选择性，生成了维恩图来说明每种电离方法检测到的独特和重叠物种（图S3）。对于APPI，质子化分子和自由基阳离子分别绘制，以评估这两种类型提供的互补信息。值得注意的是，某些非极性化合物（如纯烃和一些含硫物种SzOy）仅通过APPI作为自由基阳离子被检测到。在所有样品中，使用ESI和APPI检测到的独特物种总数介于2609至6359个之间。P. ostreatus SMS产品中分配的物种数量相对较少，这是因为其中缺乏许多A. bisporus衍生物中存在的含氮和含硫化合物。

**3.3.2. 化合物类别分布**
所有样品的杂原子类别分布见图2（数值数据见表S2）。图中仅包括主要化合物类别（即每个子组中的相对丰度>0.5%）：Ox、N1Ox、N2Ox、N3Ox、S1Ox、S2Ox（其中x = 0?12）。与APPI相比，ESI检测到的化合物类别中含氧量更高，因为它更倾向于检测极性更高的化合物。此外，对于P. ostreatus衍生的样品P270和P320，N2Ox、N3Ox、S1Ox、S2Ox类别的丰度较低，这与它们较低的氮和硫含量一致（表1）。

**图2**
图2. (+)APPI和(?)ESI FT-ICR MS数据的杂原子类别分布。对于APPI，分布基于[M + H]+离子。CF270和CF320为A. bisporus SMS；RC270和RC320为堆肥后的A. bisporus SMS；P270和P320为P. ostreatus SMS。
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A. bisporus SMS的液态产物复杂性更高，这与所使用的栽培基质及其所需的堆肥过程有关，堆肥过程分为多个阶段，在此过程中碳水化合物-木质素基质在微生物的作用下发生变化。(49,52) 此外，大量使用硫酸铵增加了A. bisporus两种液态产物的氮和硫含量。特别是对于堆肥后的A. bisporus SMS（样品RC270和RC320），S1Ox和S2Ox类别的相对丰度明显高于未堆肥的原料。

**3.3.3. 分子水平组成：DBE与碳数和Van Krevelen图**
图S4中展示了(+)-APPI和(?)ESI数据的全部分子式，以突出样品中最丰富的物种。然而，该图缺乏类别级别的组成信息。因此，图S5-S12提供了特定类别的图表，这些图表通过DBE值显示了杂原子NyOx和SzOx化合物的大小分布和缩合程度，提供了有关其结构多样性的重要见解。使用(+)-APPI检测到的SzOx物种较少，主要表现为O1?O5范围内的自由基阳离子（图S11）。这些低氧化合物不太可能是磺酸盐，更可能是噻吩、硫醇或硫化物，通常与Ox类物种具有相似的碳框架。这表明SzOx化合物可能来源于木质素的降解，可能来自脱氧木质素磺酸盐前体，因为木质素是SMS的主要有机成分。许多SzOx物种也以质子化形式存在，但自由基阳离子更为丰富，且O数范围更广，表明它们的芳香性质。(S12) 图S12展示了用(?)ESI检测到的SzOx化合物。这些物种的O数范围较广（O2?O9），包括S1和S2化合物。他们的极性增加和氧含量增加表明含有磺化或氧化的硫功能团。对于Ox和NyOx物种也观察到了类似的电离趋势，(?)ESI更倾向于富氧、极性更高的化合物。这些观察结果强调了使用互补的电离方法来获得HTL衍生液态产品的完整化学谱型的重要性。在Ox类别中，检测到的大多数化合物是芳香族、类似苯丙素类的木质素降解产物，具有较高的DBE值，表明高度的不饱和度和缩合程度（见图S5-S10）。然而，也存在大量的烷烃和脂环化合物。此外，(?)ESI还揭示了一些碳水化合物及其降解产物。使用(+)APPI检测到的选定的SzOx化合物显示在图S11中。它们的DBE值表明这些物种可能是含硫的芳香族化合物，如噻吩、硫醇或硫化物。这些化合物通常与检测到的含氧物种具有相似的碳骨架，意味着硫功能团被整合到了可能来源于热化学降解木质素的芳香族和烷烃主链中。不能排除存在类木质素磺酸盐的可能性，特别是因为在SMS中木质素似乎占主导地位。然而，在HTL过程中，任何原本磺化的结构都可能部分或完全脱氧，从而形成含氧量较低的含硫芳香族化合物。自由基阳离子的主导地位及其在氧原子数上的广泛分布进一步支持了这些物种的芳香族和潜在缩合特征。相比之下，图S12显示了使用(?)ESI检测到的SzOx化合物，这些化合物的氧原子数范围更广（即O2?O9），包括许多每分子含有一个或两个硫原子的化合物。这些化合物通常更具极性，与磺化或氧化的硫物种一致，表明在不同分析技术下的电离行为和化合物极性存在差异。对于Ox和NyOx物种也观察到了类似的趋势，(?)ESI更倾向于极性更高的分析物。

在320°C下获得的HTL生物原油（针对Ox、N1Ox、N2Ox和SzOx类别）的Van Krevelen图示分别显示在图3和图4中（在270°C下获得的产物见补充图S13和S14）。Van Krevelen图与DBE与碳原子数的关系图一致，揭示了样品之间的相似性和差异，并突出了APPI和ESI技术在化合物选择性上的差异。使用ESI可以检测到极性化合物，如脂质，以及碳水化合物和木质素的降解和修饰产物，而APPI则提供了关于更复杂、半极性反应成分的组成信息。

图3：使用(+)APPI FT-ICR MS检测到的化合物的Van Krevelen图示。
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图4：使用(?)ESI FT-ICR MS检测到的化合物的Van Krevelen图示。
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3.3.4. 多维化学计量化合物分类（MSCC）
MSCC通过结合多个化学计量变量，实现对化合物的更深层次的分子级分类，提供了比传统Van Krevelen图更定量和详细的分析。分类遵循Rivas-Ubach等人概述的标准（见表S3. (42,53)）。对于每个指定的分子式，使用化学计量比（即O/C、H/C、N/C、P/C和N/P）以及每种杂原子的绝对数量作为分类参数。基于对(+)APPI和(?)ESI数据的MSCC分析（见图5），HTL生物原油主要由酚类、氨基酚类、氨基脂质和脂质组成。此外，使用(?)ESI还检测到少量的糖和氨基糖。这些酚类化合物与木质素的热降解和酶促降解产物一致。虽然只有少数化合物严格符合氨基酚类的标准，但许多物种属于交叉类别。同时被归类为酚类和氨基酚类的化合物被标记为氨基酚类，而介于氨基酚类和脂质之间的化合物被认为是氨基脂质——这两种化合物都以显著的数量存在。氨基酚类和氨基脂质的形成可能是由于来自硫酸铵或尿酸分解的自由氨与木质素或脂质衍生物的降解产物反应，以及碳水化合物和氨基酸之间的美拉德反应。同样，氨基糖也可能通过类似的氨基化反应形成，或者来源于真菌多糖（如几丁质）的热降解。来自P. ostreatus SMS的HTL生物原油（P270和P320）含有相对较少的糖，这归因于纤维素和半纤维素的降解。这些样本还显示了显著减少的氨基酚类和美拉德反应产物的水平，反映了原料中蛋白质含量低、无粪便和无机物质含量少的特点。这表明P270和P320的有机组成主要由木质素降解产物主导。脂质类化合物可能来源于真菌生物质和进一步的转化反应。它们在所有样本中的存在突显了真菌代谢物对最终分子复杂性的贡献。

图5：使用(+ )APPI和(?)ESI FT-ICR MS数据对SMS衍生HTL生物原油中鉴定出的物种进行的MSCC分布。
有关化合物分类，请参见支持信息（表S3）。
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4. 结论
本研究展示了来自Agaricus bisporus和Pleurotus ostreatus培养物的废弃蘑菇基质热水解液化所得液态产品的化学复杂性和增值潜力。HTL过程将SMS转化为固体水炭和富含氧化和其他杂原子有机化合物的水相液体部分（HTL生物原油）。在HTL过程中，木质素、纤维素和半纤维素发生热化学降解，产生多种可溶性单体和寡聚体物种。同时，很可能来源于禽类粪便成分的无机和有机氮族及硫族物质与生物质衍生的碎片发生反应。这些相互作用产生了化学上复杂的含杂原子NOS物种的水相产物，其中许多化合物每个分子中的氮原子少于四个。利用直接注入式超高效傅里叶变换离子回旋共振质谱，并结合CHNS(O)和ICP-OES元素分析，发现HTL衍生的生物原油表现出高度多样的分子谱型。值得注意的是，较高的HTL温度（例如320°C）促进了杂原子的整合，同时减少了整体分子多样性，这可能是由于缩合反应增强所致。相比之下，270°C下的处理产生了更广泛的化合物大小分布，反映了木质素及其早期缩合过程中形成的中间体的更高热稳定性。因此，液态HTL产品代表了植物、真菌和动物来源的代谢物及其热化学转化产物的复杂混合物。这些见解通过多维化学计量化合物分类（MSCC）和质谱数据得以揭示，对于评估环境行为和再利用潜力至关重要。它们还强调了全面分子级表征在开发针对性应用中的价值。总体而言，这项工作突显了先进分析工具（特别是超高效质谱）在解析复杂生物原油组成中的重要作用。这种详细的化学信息对于制定安全、有效且符合法规的增值策略至关重要。这包括开发下一代生物基肥料、土壤改良剂和生物农药，最终有助于将有机废物流转化为循环生物经济框架中的有价值资源。