利用碳正离子清除剂辅助的全组分分离技术从杨树中提取木寡糖（XOSs）、木质素和高滴度生物乙醇

《Energy》：Carbocation scavenger assisted full fractionation poplar for production of xylo-oligosaccharides (XOSs), lignin and high-titer bioethanol

　　

张志恒|魏远宏|盖俊明|储秋露|欧阳水萍|王静|吴淑芳

中国南京林业大学轻工与食品工程学院高效利用森林资源协同创新中心，中国江苏省南京市龙盘路159号，邮编210037

摘要

预处理会导致木质纤维素发生显著的结构变化，从而影响生物质的分馏和增值。本研究提出了使用碳正离子清除剂辅助苯甲酸（BA）和深共晶溶剂（DES）的预处理方法：在BA预处理中加入2-萘酚（2N）可提高高活性木寡糖（XOSs）的产量（42.46%，其中X2-X3比例为68.06%）；在DES后处理中加入2-萘酚-7-磺酸盐（NS）可有效去除木质素（约94.53%），得到富集纤维素且易于水解的固体。此外，通过对这种经过BA2N-DES/NS预处理的固体进行高固含量预水解同步糖化和发酵（PSSF）工艺，可生产出高浓度乙醇（57.88 g/L），乙醇产率为85.21%。多种分析方法（GPC、³¹P NMR和2D HSQC NMR）表明，这种级联分馏工艺能够回收高纯度且较少聚合的木质素，同时保留丰富的β-O-4键，这些木质素可以容易地组装成平均粒径为188.2纳米的规则球形纳米颗粒。结果表明，碳正离子清除剂辅助的组合预处理方法作为木质纤维素生物精炼的第一步，具有巨大的潜力，可以同时生产木寡糖（XOSs）、木质素和高浓度生物乙醇。

引言

木质纤维素生物精炼被认为是石油精炼的潜在替代方案，可以从可再生的木质纤维素资源中生产生物基燃料、化学品和材料[1]。木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成[2]。大多数现有的木质纤维素增值工艺仅关注利用其中的一两种成分，导致资源浪费并削弱了经济竞争力[3]。将木质纤维素生物质分离成单独的成分（如纤维素、半纤维素和木质素）有助于其转化，从而实现 biomass 的完全增值[4]。

木质生物质具有很高的抗降解性，这严重阻碍了其降解和转化。因此，需要对原始生物质进行预处理以破坏其抗降解结构[5]。在这三种成分中，半纤维素由于聚合度较低且结构无定形，在预处理过程中更容易被分解[6]。使用酸对生物质进行预处理是最常见的技术，通过去除半纤维素来破坏木质纤维素的复杂结构，从而提高纤维素酶对纤维素的亲和力[7]。特别是苯甲酸（BA）作为一种有机酸，被广泛用作抗菌和抗真菌防腐剂。在木质纤维素生物质的预处理过程中，苯甲酸可以释放出氢离子（H⁺），破坏半纤维素中的糖苷键，从而有效分离出半纤维素成分并产生木寡糖（XOSs）[8]。因此，BA预处理被认为是一种有前景的酸预处理方法，可用于从木质纤维素生物质中分离半纤维素以生产XOSs。

然而，在稀酸预处理后，大部分木质素仍残留在固体残渣中，这严重阻碍了酸性预处理后木质生物质的风酶糖化[9]。此外，酸预处理过程中的木质素重新聚合会加剧后续酶水解过程中的木质素抑制作用[10]。因此，建议进行后处理以有效去除木质素，并在预处理中使用木质素重新聚合抑制剂。

酸水解后的脱木质素步骤是实现生物质高效分馏和后续生物转化（如酶水解和发酵）的关键前提[9, 11]。最近，深共晶溶剂（DES）在生物质处理领域得到了广泛应用，因为DES具有低蒸气压、物理化学性质高度可调以及基于其组成成分的可生物降解性等关键特性[11]。尽管已有研究表明DES后处理可以显著去除酸预处理和自水解生物质中的木质素（约50%），但令人惊讶的是，葡萄糖的水解效率并未显著提高，甚至有所下降[9, 12]。这可能是由于组合预处理过程中形成了高度聚合的木质素所致，这可能对生物质的分馏和糖化产生不利影响[13]。像2-萘酚（2N）和2-萘酚-7-磺酸盐（NS）这样的碳正离子清除剂被认为可以抑制木质纤维素生物质的酸预处理过程中的木质素重新聚合，从而有利于木质素的分馏和增值[14]。然而，很少有研究探讨碳正离子清除剂对木质生物质的DES预处理和/或酸-DES组合预处理的影响，以实现生物质的分馏和完全增值。

研究表明，在碳正离子清除剂辅助的酸-DES组合预处理后，半纤维素成分可以转化为木糖和木寡糖（XOSs），而纤维素成分可以高效转化为葡萄糖，进而生成生物乙醇。此外，据推测DES预处理可以提取出重新聚合程度较低的优质木质素流[15]，这些木质素可以通过自组装从DES中再生为木质素微/纳米颗粒[16]。在本研究中，首先进行了稀酸预处理和DES脱木质素处理。研究了碳正离子清除剂（2N、NS）对组合预处理效果的影响，包括生物质中XOSs、纤维素和木质素流的分馏情况。同时，利用GPC、³¹P NMR、¹H-¹³C 2D HSQC NMR和DLS、SEM等技术，详细研究了木质素流的结构和物理化学特性。制备了聚（乙烯醇）（PVA）/DES木质素纳米颗粒（LNPs）复合膜，并测试了其光学、机械、防水和抗紫外线性能。此外，还应用了高固含量进料批次预水解同步糖化和发酵（PSSF）工艺来生产高浓度乙醇，为可持续利用木质纤维素生物质提供了新的思路。

章节片段

材料

来自中国江苏省徐州的杨木锯末样品（20-80目），含水量为6.72%。化学试剂包括乙二醇（EG）、氯化铝（AlCl₃）、2-萘酚和2-萘酚-7-磺酸盐（2N、NS，纯度>99%）、氯化胆碱（ChCl）等，均由Machlin Biochemical Co., Ltd.（上海）提供。商业酶混合物CTec2（SAE0020）和苯甲酸（BA，242381，ACS试剂，纯度≥99.5%）来自Sigma-Aldrich。

苯甲酸（BA）预处理对XOSs产量的影响

实验表明，100克干重的杨木锯末含有43.81克葡聚糖、19.83克木聚糖和28.92克木质素（图1a）。首先对杨木锯末进行BA预处理，目的是将半纤维素成分分离为木糖和富含XOSs的流（图1）。结果显示，BA预处理对葡聚糖含量影响不大（图1a），表明纤维素对酸水解具有相对稳定性。此外，木聚糖...

结论

本研究展示了苯甲酸-DES组合预处理在木质纤维素生物精炼中的巨大潜力，可以同时生产XOSs、高浓度生物乙醇和高质量木质素流。结果表明，可以获得8.42克XOSs、24.32克高纯度木质素和18.90克乙醇。通过深入研究发现，在BA预处理中加入2-萘酚可以有效抑制木质素的重新聚合反应，并保持木质素的β-O-4键。

CRediT作者贡献声明

储秋露：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。 欧阳水萍：撰写——初稿。 王静：可视化、资金获取。 吴淑芳：撰写——初稿、监督。 张志恒：研究、数据管理。 魏远宏：研究、数据管理。 盖俊明：撰写——初稿、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金[31901271]、江苏省高等教育机构重点学术发展计划[PAPD]以及广东省科技计划[2025WDZC-LKY02]的支持。