《Sustainable Computing: Informatics and Systems》：Fractionation of sugarcane bagasse to co-produce functional
xylo-oligosaccharides, bioethanol and lignin-based sunscreen with a novel deep eutectic solvent pretreatment
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甘蔗渣通过甘油酸-胍盐深熔盐溶剂预处理实现木质素（78.1%）选择性去除和半纤维素高效转化（低聚木糖70.3%，其中18.6%为聚合度2-5的功能性产物），酶解葡萄糖产量达90.1%（对照组3.6倍），发酵乙醇产量20.9g/100g SCB（理论产率90.7%）。回收木质素分子量低（2106g/mol），粒径均匀（150-330nm），酚羟基含量高（2.39mmol/g），兼具优异抗氧化和抗紫外线性能。该策略为甘蔗渣整合高效利用建立新范式。
刘睿|李赛英|曹安军|李丽子|魏伟奇
中国南京林业大学森林食品资源开发利用国家重点实验室，南京 210037
摘要
随着化石资源的持续消耗，从农业废弃物中生产可持续化学品和燃料引起了广泛关注。本文提出了一种基于羟基酸-盐酸胍深共晶溶剂（DESs）预处理的绿色、高效且温和的综合策略，旨在最大化利用甘蔗渣（SCB）中的纤维素、半纤维素和木质素。结果表明，在温和条件下（120°C，30分钟），该预处理方法可选择性去除SCB中78.1%的木质素，同时将半纤维素转化为木寡糖（XOSs），最高转化率为70.3%，其中18.6%为聚合度（DP）为2–5的功能性XOSs。预处理后的SCB保留了较高的葡聚糖含量，并表现出良好的纤维素酶降解性。酶解后的葡萄糖产率达到90.1%，是对照组的3.6倍。进一步发酵后，每100克SCB可产生20.9克乙醇，相当于理论产率的90.7%。此外，从预处理液中回收的木质素具有较低的分子量（Mw = 2106 g/mol）、小而均匀的粒径分布（150–330 nm）、较高的酚羟基含量（2.39 mmol/g），以及优异的抗氧化活性和抗紫外线性能，可用于制备基于木质素的防晒霜。总之，所开发的策略为SCB的综合利用建立了新的范例。
引言
随着化石燃料的持续消耗和人们对温室效应的日益关注，寻找绿色和可持续的能源以替代传统化石燃料变得迫切[1]。木质纤维素作为一种廉价、广泛可用且易于再生的生物质资源，因其能够生成可持续化学品和燃料而受到研究人员的广泛关注[2],[3]。在各种木质纤维素中，甘蔗渣（SCB）作为一种典型的农业废弃物，在中国南方普遍存在，由于其高糖分和年生长特性，被认为是生产纤维素乙醇的理想原料[4]。然而，与木质纤维素类似，SCB主要由纤维素、半纤维素和木质素三种大分子聚合物组成。这些成分通过共价或非共价键相互交织，形成了紧密的结构，使得天然SCB具有很强的“抗性”，严重阻碍了通过生物转化直接生产乙醇的过程[5]。
为了消除天然SCB的这种“抗性”，近年来开发了一系列预处理方法，包括稀酸[6]、碱[7]、高温热水[8]、超临界流体[9]、离子液体[10]和各种有机溶剂预处理[11]。这些预处理方法可以有效提高SCB的酶降解性，但仍存在设备腐蚀、反应条件苛刻、能耗高和成本高等问题[12]。更重要的是，在大多数预处理过程中，SCB中的半纤维素和木质素会被严重降解，无法进一步利用[13],[14]。因此，研究人员逐渐意识到，理想的预处理技术应既能提高预处理底物的酶解效率，又能充分利用降解后的半纤维素和木质素，从而实现整个生物质的清洁、高效和高值化利用[15]。
深共晶溶剂（DESs）作为一种由氢键供体和受体按一定比例组成的环保溶剂，由于其低蒸气压、高热稳定性和可设计结构，在木质纤维素的分离、预处理和转化领域受到了广泛关注[16]。此外，与传统的预处理试剂（如离子液体、有机溶剂、酸或碱溶液）相比，DESs符合绿色化学的十二项原则，具有可生物降解、易于回收、可持续性和成本效益等优点[17]。例如，钟等人[18]开发了一种基于盐酸胍的快速高效微波辅助预处理方法，用于蓖麻茎的生物转化，结果显示该预处理方法可有效降解蓖麻茎，木质素去除率高达92.0%，纤维素糖化产率为96.3%。从预处理液中回收的再生木质素纯度高达98%，可作为无需额外纯化的生物基材料的理想原料。邓等人[19]开发了一种基于羟基酸的DESs，并将其应用于玉米芯的预处理，结果表明，由于羟基和羧基的同时存在，该预处理方法能在温和条件下选择性去除玉米芯中的木质素，并将半纤维素转化为木寡糖，其中木寡糖的最高产率为65.9%，其中31.8%为功能性木寡糖。然而，关于降解木质素的进一步利用，他们没有进行研究。马等人[20]开发了一种AlCl3催化的DESs预处理方法，并将其应用于杨树的增值利用，结果显示预处理后杨树的纤维素酶解葡萄糖产率为95.4%，是对照组的5.8倍。此外，预处理液中的降解木质素可通过自组装用于制备基于木质素的纳米颗粒（LNPs）。
基于上述讨论，通过综合策略高效分离和转化木质纤维素中的三种主要成分以获得各种高价值产品仍然是一个挑战。因此，本文提出了一种基于DESs预处理的定制策略，其中羟基酸与盐酸胍的比例为3:1，旨在最大化利用SCB中的纤维素、半纤维素和木质素。具体而言，首先对SCB进行适度DESs预处理，以选择性去除木质素，并从半纤维素中生产高价值的功能性木寡糖（XOSs）。研究了不同预处理条件对木质素去除率和功能性XOSs产率的影响。随后，通过多种技术明确了原始/预处理SCB的成分、结构、关键官能团和表观形态的变化，以及这些变化对后续固体纤维素酶解和水解液进一步发酵为乙醇的影响。此外，使用从预处理液中回收的木质素和酶解残渣中回收的木质素作为原料，制备了两种类型的基于木质素的纳米颗粒（LNPs），并对其抗氧化和抗紫外线性能进行了研究。最后，还通过质量平衡评估了所开发综合策略的优势和特点。
材料
来自中国广东省的SCB在使用前先用水冲洗，然后风干。使用的纤维素酶（Cellic? CTec2）由Sigma-Aldrich公司提供，酶活性为120 FPU/mL。酿酒酵母II型（YSC2）从Merck公司购买。其他试剂如羟基酸（GCA）、盐酸胍（GH）、葡萄糖、木糖、羟甲基糠醛（HMF）、糠醛等均从南京Zebra实验设备有限公司购买。
使用DESs对SCB进行预处理
GCA-GH预处理
先前的研究表明，DESs预处理在破坏生物质抗性方面通常具有良好的效果，特别是在木质素去除和半纤维素降解方面，从而促进了富含纤维素的预处理残渣的酶解[27],[28]。因此，本文首先研究了不同GCA-GH预处理条件对SCB产量和成分的影响。如表1所示，SCB的回收率（47.9%～76.5%）显著
结论
总之，所开发的由GCA和GH组成的DESs预处理方法不仅能够选择性地将SCB中的木聚糖转化为功能性XOSs，还能通过去除木质素和半纤维素等非纤维素物质，显著提高预处理后SCB的纤维素酶糖化效果及后续水解液进一步发酵为乙醇的产率。从预处理液中回收的木质素具有较低的分子量、较高的酚羟基含量和优异的抗氧化活性
CRediT作者贡献声明
刘睿：撰写——初稿，实验研究，数据管理。李赛英：实验研究，数据管理。曹安军：撰写——初稿，实验研究。李丽子：数据可视化，概念化。魏伟奇：撰写——审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
