《Renewable Energy》：Technical assessment of
Agave sisalana leaves as feedstock for integrated first- and second-generation ethanol production
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摘要：剑麻（*Agave sisalana*）在巴西东北部广泛栽培，具有重要的社会经济意义，但其叶片仍未得到充分利用。本研究评估了叶片作为第一代（1G）与第二代（2G）一体化乙醇生产原料的潜力。在1G路线中，叶片汁液经酸水解和发酵，使用Ethanol Red?
摘要：剑麻（*Agave sisalana*）在巴西东北部广泛栽培，具有重要的社会经济意义，但其叶片仍未得到充分利用。本研究评估了叶片作为第一代（1G）与第二代（2G）一体化乙醇生产原料的潜力。在1G路线中，叶片汁液经酸水解和发酵，使用Ethanol Red?获得了40.70 g/L的乙醇，效率为74.00%。在2G路线中，采用部分因子设计优化了甘蔗渣的预处理条件；最佳条件（30 min，180°C，15%固含量，0.5%酸）实现了60.31%的纤维素转化率和80.32%的半纤维素转化率。尽管产生了抑制物，但通过脱毒处理实现了高效发酵，使用转基因菌株Celere2L获得了27.44 g/L的乙醇，产率为83.59%。总体而言，每吨叶片可获得80.90 L乙醇，证明了剑麻作为1G–2G一体化乙醇生产可持续原料的潜力，并增强了其在半干旱地区生物燃料开发和能源多样化中的相关性。
论文解读：剑麻叶片用于一体化第一代与第二代乙醇生产的技术评估
**研究背景与意义**
随着全球能源需求持续增长以及缓解气候变化影响的迫切性日益凸显，开发能够减少对化石燃料依赖并实现能源结构多样化的可再生原料已成为重要课题。然而，生物能源的可持续扩张仍面临土地可用性、水资源消耗以及与粮食生产系统竞争等严峻挑战。在此背景下，适应边缘环境的能源作物因其能在有限水分和低农业投入条件下产生大量生物质而受到越来越多的关注。
龙舌兰属物种因其景天酸代谢途径而具有优异的水分利用效率，能够适应干旱和半干旱环境，成为极具前景的候选作物。在巴西，剑麻主要种植于东北部地区，在剑麻纤维生产中具有重要经济地位。然而，其工业加工在生物质利用方面效率较低，新鲜叶片质量中仅约4%转化为商业纤维，其余材料均被废弃。尽管已有多种残渣增值途径被提出，但这些替代方案尚未展现出经济可行性或吸收剑麻产业所产生的大量生物质的能力。
现有研究大多聚焦于龙舌兰生物质特定组分的单独利用，如利用汁液中的果聚糖生产第一代乙醇，或利用木质纤维素组分生产第二代乙醇，但关于生物质一体化增值的研究仍然稀少。在此背景下，本研究提出了一种一体化生物炼制策略，同时利用剑麻叶片的液相和固相组分进行乙醇生产：汁液中的可溶性糖用于1G乙醇生产，木质纤维素组分则转化为2G乙醇。同时，研究还评估了预处理优化、汁液与水解产物中代谢物对生物转化过程的潜在抑制作用，以及不同酵母菌株进行C5和C6糖共发酵的可行性。
**主要技术方法**
本研究的技术路线主要包括以下关键环节：原料采用来自巴西巴伊亚州瓦伦特市（11°24′48″S，39°27′48″W）的剑麻叶片（4–6年生）。1G乙醇生产采用稀硫酸（0.5% v/v）在70°C下进行果聚糖酸水解60分钟，获得含107.90 g/L总单体糖的水解汁液，随后使用工业酵母*Saccharomyces cerevisiae* Ethanol Red?在3.5 L生物反应器中进行发酵。2G乙醇生产采用2
4?1部分因子设计优化水热稀酸预处理条件，考察了停留时间（30–60 min）、温度（180–200°C）、固含量（10–15%）和酸浓度（0–0.5%）四个变量；预处理后的物料使用Cellic CTec3（10 FPU/g WIS）在50°C、150 rpm条件下进行72小时酶解；发酵评价采用三株酵母，即野生型*Kluyveromyces marxianus* NCYC 3344、*Spathaspora passalidarum*以及基因工程工业菌株Celere2L。针对抑制物问题，采用真空蒸发法对酶解液进行脱毒处理。研究通过高效液相色谱分析糖类、有机酸和呋喃醛类化合物，并采用统计分析评估各变量的显著性。
**研究结果**
**3.1 第一代乙醇生产**
在含107.94 g/L初始糖浓度、33°C、pH 5.0的条件下发酵24小时，1G路线获得40.71 g/L乙醇，产率为0.38 g/g，效率为73.80%，生产率为4.07 g/L·h。研究指出，相对较低的产率可能与底物的酸性特征以及汁液中天然代谢物对酵母代谢产生的胁迫有关。有机酸已被持续报道为龙舌兰叶汁的天然成分，包括琥珀酸、乳酸、乙酸、柠檬酸等。这些化合物可能通过增加维持能量需求、诱导细胞应激反应、改变碳分配等机制对酵母生理产生负面影响，最终降低乙醇产率并促进副产物（尤其是甘油）的生成。尽管如此，本研究获得的乙醇产量仍优于已有报道的龙舌兰汁液水解物发酵结果。
**3.2 第二代乙醇生产**
**3.2.1 预处理评价**
未处理剑麻蔗渣的化学组成与巴西广泛用于2G乙醇生产的甘蔗渣相似，含纤维素41.4%、半纤维素27.8%、木质素15.7%、灰分5.6%和抽出物4.0%。与甘蔗渣（22.5%木质素）相比，剑麻蔗渣较低的木质素含量有利于酶解可及性。预处理实验表明，联合严重因子（CSF）越高，多糖溶出越显著；高CSF条件（试验3、5、8）使固相中半纤维素含量降至5%以下。试验3（30 min、200°C、10%固含量、0.5%酸）达到99.71%的半纤维素溶出率，纤维素溶出率为58.01%。预处理液中含有大量抑制物，包括乙酸（1.7–7.9 g/L）、甲酸（0.9–5.7 g/L）、糠醛（最高6.1 g/L）和酚类化合物（4.3–11.2 g/L），这些浓度处于或超过已报道的抑制范围。
**3.2.2 预处理条件对酶解的影响**
酶解72小时后，纤维素转化率从试验1的47.48%到试验3的99.50%不等。半纤维素转化率未呈现相同趋势，这可能与残余半纤维素组分具有更高顽抗性以及预处理衍生抑制物的协同作用有关。通过计算预处理与酶解相结合的总体糖回收率，试验2（30 min、180°C、15%固含量、0.5%酸）被选定为最佳条件，实现60.31%的纤维素转化为葡萄糖和80.32%的半纤维素糖回收率，综合产率为70.3%。残余生物质含51.66%木质素，低位热值为21.99 MJ/kg，具有能源利用潜力。
**3.2.3 乙醇发酵**
在最佳条件下获得的浆液水解物含88.34 g/L总还原糖（主要为葡萄糖71.07 g/L和木糖16.50 g/L），但同时含有7.01 g/L乙酸、0.83 g/L糠醛和6.68 g/L酚类化合物。未经脱毒处理时，三株酵母的发酵效率普遍较低，木糖均未被利用，葡萄糖消耗有限；Celere2L表现最佳，乙醇浓度仅为6.62 g/L。脱毒处理通过真空蒸发去除了51.61%的乙酸、41.44%的甲酸、35.73%的羟甲基糠醛和99.67%的糠醛。脱毒后发酵性能显著提升：Celere2L达到最高乙醇浓度27.44 g/L，产率83.59%，生产率3.43 g/L·h；*K. marxianus*产率为79.33%；*S. passalidarum*产率较低（58.64%），其碳流更多导向细胞生长。值得注意的是，只有Celere2L在36小时内完全消耗了木糖，突显了戊糖代谢优化的重要性。文献对比表明，本研究获得的乙醇产率与采用相同菌株的能量甘蔗蔗渣发酵（94.1%，0.48 gEtOH/gTRS）相比略低，可能与龙舌兰水解物中特有的皂苷等化合物对酵母细胞膜的破坏作用有关。
**3.3 1G–2G乙醇生产的质量平衡**
在最佳条件下，一体化路线处理每吨叶片可分别从1G和2G发酵获得31.40 kg和32.40 kg乙醇，总计80.90 L乙醇/吨叶片。与甘蔗和玉米相比，尽管以原料质量计的乙醇产率（L/ton）低于甘蔗和玉米，但以栽培面积计，剑麻叶片的总乙醇产量为6795.6 L/ha，高于玉米（2639.4 L/ha），接近甘蔗（8996.1 L/ha）。剑麻叶片在2G路线的乙醇产量（41.10 L/ton）超过了甘蔗蔗渣（34.20 L/ton）和玉米秸秆（19.90 L/ton），这可能与其碳水化合物的高可及性和酸预处理的有效性有关。剑麻还具备CAM光合途径带来的水分利用效率优势，可在水资源有限的边际土地上种植，减少与粮食作物的用地竞争。
**结论与展望**
本研究表明，剑麻叶片作为1G–2G一体化乙醇生产的原料具有显著潜力，其单位栽培面积的乙醇生产率高于玉米，突显了这种非粮作物在半干旱地区可持续扩展生物能源部门的相关性。研究也指出现存的技术挑战：1G路线中汁液的高浓度有机酸对发酵性能产生负面影响，需要采取微生物适应、耐受菌株筛选或脱毒工艺等策略；2G路线中预处理过程中抑制物的生成以及戊糖发酵的局限性仍是关键技术瓶颈。尽管存在这些限制，研究结果证实了剑麻生物质适用于一体化生物炼制应用，支持可持续生物燃料生产的扩展、能源结构的多样化以及受土壤气候条件限制地区生物质资源的高效利用。
