通过可控重氨基硫酸盐辅助水热预处理，从玉米芯中选择性生产木寡糖和木糖以供进一步应用，并共生产可发酵糖

《Bioresource Technology》：Selective production of xylo-oligosaccharides and xylose for further application and co-production of fermentable sugars from corncob via controlled ammonium persulfate-assisted hydrothermal pretreatment

　　选择性水解玉米芯木聚糖的过硫酸铵预处理工艺。富含木寡糖（XOS）的水解液能促进大白菜种子的幼苗生长。木糖酸可由富含木糖的水解液在无需脱毒的情况下直接发酵产生。固体残留物经酶水解可生产可发酵糖。本研究为玉米芯碳水化合物的有效利用提供了策略。引言木质纤维素生物质作为生物精炼厂中的可再生原料，为生产生物燃料、生物化学品和生物材料单体提供可持续的替代品，以取代不可再生的化石资源（Kaur 等，2024）。它主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。在这些组分中，有效利用碳水化合物（即纤维素和半纤维素）对木质纤维素生物精炼至关重要。纤维素（葡聚糖）可用于生产纸张、生物燃料和平台化学品、新型先进功能材料以及生态与环境产品（Wang 等，2023；Pérez-Pérez 等，2023；Fan 等，2024）。木聚糖是半纤维素的主要成分，占木质纤维素的约 15%–40%。因此，从这部分组分中回收高价值产品是一个颇具前景的研究领域（Peng 等，2012）。半纤维素具有高度支化和无定形的结构，易于降解为寡糖（木寡糖）或单糖（木糖）。因此，已提出了一种针对木质纤维素生物质的"半纤维素优先"策略来生产木寡糖（XOS）和木糖（Wang 等，2023）。XOS 是由木糖单元通过 β-1,4 糖苷键连接组成的功能性寡糖。XOS 主要应用于食品和保健品、动物饲料、农业种植以及医药和个人护理产品等领域（Ali 等，2025）。木糖来源于半纤维素的降解，其主要用途包括转化为糠醛，以及作为微生物化学合成的碳基质（Wang 等，2023）。XOS 和木糖可通过多种水解方法从半纤维素中生产，包括酶解处理、酸催化水解、自水解以及无机盐催化水解。半纤维素可通过酶解、酸水解、自水解或无机盐水解降解为 XOS 和木糖（You 等，2020）。近年来，由于成本低、效率高、处理时间短且环境友好，无机盐水解已成为木质纤维素生物质处理的关键研究重点。传统无机盐（如 KCl、NaCl、CaCl?、MgCl?、FeCl?、CuCl?、FeSO? 和 AlCl?）水解产生木糖和 XOS 的机制在于，盐溶液作为 Lewis 酸破坏木质纤维素结构。此外，溶解在水中的金属离子形成络合阳离子，促进半纤维素中糖苷键的断裂（Loow 等，2017）。过硫酸铵（APS）是一种低成本、水溶性且无毒的无机盐。加热时，该化合物分解产生自由基（SO???、OH?）和酸性环境（H?、HSO??）（Huang 等，2024）。这些自由基不仅使木聚糖解聚，还攻击木质素基质，去除阻碍半纤维素可及性的物理屏障。APS 的这种双重作用——既提供糖苷键断裂所需的酸性环境，又同时氧化降解木质素——使得木聚糖能高效、选择性地水解为 XOS 或木糖（Zeng 等，2025；Ma 等，2025）。在不同 APS 预处理条件下 XOS 与木糖产率之间的关系仍有待全面阐明。XOS 对植物表现出显著的促生长作用（He 等，2022；Kong 等，2024；Fan 等，2024；Shi 等，2025）。例如，Kong 等（2024）证明，施用 XOS 可增强生菜生长，使根干重增加 30.77%、总根长增加 29.40%、根体积增加 21.58%、根表面积增加 25.44%，同时促进不定根的伸长。类似地，Shi 等（2025）报告，对黄瓜幼苗叶面喷施 XOS 溶液后，株高增加 32.9%、根长增加 28.6%、茎鲜重增加 34.6%、根鲜重增加 60.3%，光合作用能力也有所提高。上述研究使用纯化的 XOS 来研究植物促生长。为减少 XOS 分离纯化的步骤，本研究将 XOS 水解液适当稀释后用于植物生长研究。木糖水解液则用于发酵制备木糖酸，无需脱毒处理。近年来，木糖酸的重要性已得到公认，美国能源部已将其列为可从可再生生物质获得的 30 种最高价值产品之一（Trichez 等，2022）。木糖酸可作为混凝土的减水剂、增强度剂和除垢剂，同时也是合成乙二醇、乙醇酸及其他有价值化合物的重要前体（Zhang 等，2020；Jin 等，2022）。根据 Zhu 等（2015）的研究，在 220 rpm 和 30 °C 条件下培养 72 小时后，Gluconobacter oxydans 能将 55.0 g/L 木糖转化为 54.97 g/L 木糖酸，糖利用率为 94.08%，木糖酸产率为 95.45%。类似地，Zhang 等（2016）证明，利用 G. oxydans DSM 2003 可同时转化经生物脱毒的玉米秸秆水解液，在 32 小时内糖酸盐和木糖酸盐的最高浓度分别为 132.46 和 38.86 g/L，葡萄糖和木糖产率分别达到 97.12% 和 90.02%。最近，Li 等（2026）评估了木质纤维素预处理过程中产生的各种副产物对 G. oxydans NL71 生产木糖酸的影响。研究发现，酚类抑制物在不同程度上抑制发酵。玉米芯是玉米工业的重要副产品，且富含半纤维素，因此被广泛用于 XOS 生产。因此，本研究以玉米芯为原料，采用可控的过硫酸铵辅助水热预处理技术选择性生产 XOS 和木糖，并进一步考察这些产物的利用以及预处理固体残留物的酶解性能。具体目标如下：(1) 考察 APS 浓度和反应时间对半纤维素选择性水解的影响；(2) 评估 XOS 水解液作为植物生长促进剂在种子萌发和幼苗生长中的应用；(3) 证明使用 G. oxydans NL71 在无需脱毒的情况下将木糖水解液生物转化为木糖酸；(4) 考察纤维素酶用量对两种固体残留物（XOS 生产固体残留物和木糖生产固体残留物）水解行为的影响；(5) 建立两种集成生物精炼路径的完整物质平衡；以及 (6) 评估初步的技术经济分析（TEA）和定性生命周期评估（LCA）。本研究的创新之处在于考察 APS 反应条件对 XOS 与木糖产率变化的影响，并直接将稀释的 XOS 水解液用于种子萌发和幼苗生长，以及将木糖水解液在无需脱毒的情况下发酵生产木糖酸，从而减少了工艺步骤。因此，本研究可为木质纤维素材料中碳水化合物的有效可持续利用提供重要指导。材料本研究使用的玉米芯购自江苏省东台市，研磨至 20 目（粒径 < 0.25 mm）。过硫酸铵（APS）、氢氧化钠（NaOH）、硫酸（H?SO?）购自国药集团化学试剂有限公司（中国上海）。大白菜（Brassica rapa L. var. pekinensis）种子购自山东寿禾种业股份有限公司（中国山东省）。Cellic? CTec3 纤维素酶（258 FPU/mL）购自诺维信（丹麦）。结果与讨论本研究系统地考察了通过 APS 辅助水热预处理实现玉米芯集成生物精炼的过程。评估了反应参数对选择性生产 XOS 或木糖的影响。所得的 XOS 和木糖水解液分别直接应用于植物促生长和木糖酸发酵。此外，还评估了预处理固体残留物的消化性能和本研究的物质平衡。技术经济分析结论在本研究中，我们证明了 APS 辅助水热预处理在受控条件下（0.5% / 1% APS，150 °C，90 min）能从玉米芯木聚糖中选择性生产 XOS（40.90%）和木糖（56.35%）。XOS 水解液在促进大白菜种子萌发和幼苗生长方面表现出积极的生物活性。值得注意的是，木糖水解液无需脱毒即可直接发酵为木糖酸（产率 > 90%），这凸显了相较于传统方法的关键优势。CRediT 作者贡献声明陈可玉：初稿撰写、方法学、调查研究、形式分析、数据整理。唐斯琴文：方法学、形式分析。曾清涵：方法学、调查研究、数据整理。张瑞：方法学、调查研究、形式分析。朱媛媛：验证、资源。张俊华：验证、资源。朱军军：审稿与编辑、监督、资源、概念化。未引用参考文献Zeng 等，2024；Zhu 等，2023。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢作者感谢中国国家重点研发计划（编号 2022YFD1300903）的资金支持。陈可玉 | 唐斯琴文 | 曾清涵 | 张瑞 | 朱媛媛 | 张俊华 | 朱军军