集成生物精炼厂用于从椰子废物生产纤维素乙醇和球形纳米木质素

《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》：Integrated biorefinery for cellulosic ethanol and spherical nanolignin production from coconut waste

　　

绿色椰子废物被采用不同的分馏方法，以获得集成木质素纳米颗粒（lignin nanoparticles, LNPs）和纤维素乙醇（cellulosic ethanol）。采用逐步添加稀硫酸（dilute sulfuric acid）的预处理提供了更高的半纤维素（hemicellulose）结构前体产率（68.2%）。碱处理（alkaline treatment）从椰子废物中实现了最高的木质素（lignin）提取和回收率，分别为79.5%和25.3%。分步糖化和发酵（separate hydrolysis and fermentation, SHF）表明，缓慢添加酸随后进行碱处理使椰子生物质更易受酶解（enzymatic digestion），实现了超过60%的糖产率和0.48（w/w）的乙醇产率。来自椰子纤维的碱木质素（alkaline lignin）成功转化为球形构型的纳米结构（? = 80–600 nm），具有高度均匀性、均匀分散和胶体稳定性（colloidal stability），重量产率为30%至50%。因此，利用椰子废物获得纤维素乙醇和木质素纳米颗粒是可行的，并产生增值产品和废物处理的环境可持续替代方案。

**研究背景与问题**
椰子（*Cocos nucifera* L.）在巴西广泛种植，年产约240万吨带壳椰子，其中80%–85%为外果皮、中果皮（纤维）和内果皮（壳）组成的绿色椰子废物（GCW）。这些废物因高水分和难降解性，通常被丢弃于垃圾填埋场或公共场所，占用大量空间，传播疾病媒介，并干扰排水系统，自然分解需8–10年。然而，GCW含有22%–40%纤维素、16%–30%半纤维素和25%–45%木质素，可作为生物精炼厂的替代原料。目前，木质纤维素生物质可转化为第二代乙醇（2G ethanol）或其他产品，但木质素常被浪费，而其具有转化为木质素纳米颗粒（LNPs）的潜力，可提升生物乙醇的经济竞争力。现有研究多独立探讨2G乙醇或LNPs生产，缺乏集成生物精炼概念下的协同工艺。主要技术挑战在于同时最大化碳水化合物转化并回收高纯度木质素用于高值应用。因此，研究人员提出一种基于逐步稀酸预处理（DAP）和碱脱木质素的集成生物精炼策略，旨在从GCW共生产纤维素乙醇和球形LNPs，提升生物质全组分利用。

**研究内容与结论**
研究人员开发了逐步稀酸预处理（DAP-sequential）与碱处理（AT）相结合的序贯分馏流程，从GCW中高效提取半纤维素、分离高纯度木质素并转化为LNPs，同时通过酶解和发酵生产纤维素乙醇。结果表明，DAP-sequential（逐步添加0.5%和1.0%硫酸）可去除68.2%半纤维素，且抑制物生成少；AT比乙醇有机溶剂处理（EOT）更高效，脱木质素率达57%，回收木质素纯度为97.18%。该木质素通过反溶剂沉淀法成功转化为球形LNPs（直径80–600 nm），具有高均匀性、分散性和胶体稳定性（ζ电位低于-30 mV），产率5.1 g/100 g GCW。经DAP-sequential和AT处理的GCW酶解后葡萄糖和木糖浓度分别达33.45 g/L和16.51 g/L，产率60%–98%；发酵后乙醇产率0.48 g/g（理论效率93.2%），最终每100 kg GCW可产9.6 kg（12 L）乙醇和5 kg LNPs。该研究证明集成生物精炼的可行性，为废物资源化提供可持续方案。论文发表在《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》。

**关键技术方法**
（1）**逐步稀酸预处理（DAP-sequential）**：在125 °C、1.05 bar下，将GCW（来源于巴西Serra Gaúcha园艺产品供应中心，粒径0.6–1.2 mm）依次进行无催化剂（60 min）、0.5% H₂SO₄（30 min）和1.0% H₂SO₄（15 min）处理，以分级去除半纤维素并保留纤维素。
（2）**碱处理（AT）**：用2.0% NaOH在125 °C、1.05 bar处理60 min，提取木质素，随后用H₂SO₄酸化至pH 2.0沉淀回收碱木质素（AL）。
（3）**反溶剂沉淀法**：将AL溶解于丙酮/乙醇/水（90:6:4 v/v/v）中，加水反溶剂至9:1水/溶液比，形成LNPs，经冷冻干燥得到产物。
（4）**分步糖化和发酵（SHF）**：使用STERN-05F酶复合物（来自America Biomass Technologies）在50 °C、150 rpm下酶解48 h，再用酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae* CAT-1，来自巴西圣保罗大学）在28 °C、150 rpm下发酵24 h。

**研究结果**

**去除半纤维素**
通过DAP-sequential处理，GCW纤维结构发生显著变形（长度和管状定义减少），半纤维素去除率达68.2%，高于常规一步DAP（49%）。逐步加酸降低了抑制物（HMF、糠醛）浓度，并产生高值木寡糖（XOS，2.66 g/L）。该预处理使后续木质素提取更易进行。

**木质素提取与回收**
AT的脱木质素率（57%）显著高于EOT（27%），且回收的AL纯度达97.18%，产率25.3%（以处理基计）。AT通过皂化反应断裂β-O-4键，溶解更多木质素，而EOT因酸催化导致木质素缩合，增加提取难度。因此，研究人员选择AL用于LNPs生产。

**木质素纳米颗粒生产**
反溶剂沉淀法（5 mg/mL AL）获得LNPs的流体动力学直径（HDD）为126.17 nm，PDI 0.062，ζ电位-38.43 mV，产率53.8%（质量分数）；而溶剂交换法所得LNPs尺寸更大（558 nm）、PDI更高（0.243），且形态不规则。反溶剂沉淀法通过自组装形成球形纳米结构，具有高胶体稳定性，每100 g GCW可回收5.1 g LNPs。

**酶解糖化与纤维素乙醇**
经DAP-sequential和AT处理的GCW在酶解后葡萄糖和木糖浓度分别为33.45 g/L和16.51 g/L，葡萄糖产率60%–98%。相比之下，EOT处理的GCW糖产率低于15%，因木质素缩合和酚类抑制物阻碍酶解。发酵显示，9 h内葡萄糖完全消耗，乙醇浓度15.52 g/L，产率0.48 g/g（理论效率93.2%），最终每100 g GCW产乙醇9.63 g。

**椰子废物在生物精炼工艺流中的产物**
根据最佳条件，100 kg GCW可产出32 kg木糖、20 kg葡萄糖、9.6 kg（12 L）乙醇、2 kg己糖、4 kg戊糖、110 g XOS、9 kg AL和5 kg LNPs，总产品达53 kg，实现全组分利用。

**讨论与结论**
研究讨论了DAP-sequential相比常规DAP的优势：逐步加酸克服了生物质缓冲效应，降低了抑制物生成，并提高了半纤维素选择性去除。AT比EOT更适合木质素回收，因其不产生交联增强的缩合反应。反溶剂沉淀法形成LNPs的机制与木质素两亲性有关，受动力学控制成核生长。酶解和发酵结果优于文献报道，归因于温和预处理保留了纤维素并减少抑制物。尽管工艺复杂，但集成方案提高了原料整体价值。未来需优化LNP产率、提高固含量、探索替代发酵构型，并进行技术经济与生命周期评估。

**结论部分翻译**
来自GCW加工中剩余的木质素被转化为纳米颗粒。反溶剂沉淀法生产了具有高均匀性、球形构型、均匀分散和胶体稳定性的LNPs。这些发现强化了GCW作为未来集成生物精炼厂可持续原料的潜力，在循环生物经济框架内同时促进可再生能源生产、先进生物材料和废物增值。然而，仍需进一步工艺改进，包括优化LNP生产、提高固含量、采用替代发酵构型以提高乙醇滴度，以及在第二代（2G）乙醇生物精炼厂中实现工业放大。