游离亚硝酸-超声波预处理通过物理和化学作用的协同作用，提升了纤维素的转化效率

《Bioresource Technology》：Free nitrous acid–ultrasound pretreatment enhances cellulose conversion by complementary physical and chemical deconstruction

　　

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  FNA + US处理后，纤维素的糖化速率提高了2.4倍。
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  纤维素I转化为可被酶分解的纤维素II。
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  FNA + US在8小时内实现了40小时葡萄糖产量的86.3%。
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  FNA + US促进了纤维素的物理和化学降解。

引言

化石燃料的快速枯竭以及由此引发的严重生态危机，如空气污染、富营养化和全球变暖，迫使全球能源系统向可持续性和低碳绿色模式转型（Calvin等人，2016年；Rajashekar等人，2024年）。作为地球上最丰富的可再生碳资源，木质纤维素生物质占全球有机碳的50%以上，广泛存在于农业和林业废弃物（例如玉米秸秆、小麦秸秆和甘蔗渣）以及农业工业副产品中（Dogan和Hilmioglu，2009年；Reishofer等人，2022年；Seo和Sakoda，2014年）。因此，将这种低价值生物质转化为第二代生物燃料和高附加值的生物基化学品，既是缓解能源危机的有效方法，也是推动循环型生物经济和实现碳中和的关键策略（Li等人，2025年；Li等人，2022年；Long等人，2024年；Nair和Verma，2025年；Wang等人，2022年）。

然而，由于木质纤维素本身的结构顽固性，其高效利用受到了严重阻碍（Himmel等人，2007年；Zhao等人，2022年）。具体来说，高度结晶的纤维素核心被致密的木质素和半纤维素网络紧密包裹，导致其生物转化效率极低。此外，木质素和多糖通过木质素-碳水化合物复合物在结构上相互连接，进一步增加了木质纤维素生物质的复杂性（Zhang等人，2022年）。为了克服这些物理化学障碍，人们开发了多种预处理技术（Mankar等人，2021年），包括微波辐射（Ha等人，2011年）、超声波处理（Elbeshbishy等人，2011年）、酸碱处理（Dai等人，2018年；Deng等人，2019年）和生物处理（Singh等人，2008年）。其中，超声波处理（US）作为一种绿色、非热物理预处理方法受到了广泛关注（Bussemaker和Zhang，2013年；Elbeshbishy等人，2011年）。先前的研究表明，超声波处理可以通过改变纤维素的结晶结构来提高酶促糖化效率（Shao等人，2023年）。这种声化学降解机制主要源于空化气泡的形成、生长和瞬时破裂（Gallipoli和Braguglia，2012年）。这些气泡在固液界面的剧烈破裂会产生强烈的微射流和流体动力剪切力（Ashokkumar，2011年），伴随着短暂的高温度和高压。这最终导致纤维断裂、孔隙生成以及结晶区域的破坏（Hua等人，1995年）。尽管许多研究证实超声波处理有助于松动木质纤维素基质并提高后续的酶促糖化效率（Adewuyi和Deshmane，2015年；Beuguel等人，2018年），但超声波处理主要依赖于机械破坏作用。它对共价化学键（如糖苷键、醚键和木质素-碳水化合物复合物）的靶向切割能力仍然非常有限。因此，将超声波的物理空化效应与能够进行结构降解的温和化学试剂相结合，是一种非常有前景的策略，可以进一步克服木质纤维素的顽固性并显著加快糖化速率。

游离亚硝酸（FNA）作为一种高反应性化学试剂，最近在环境工程领域展示了良好的性能，尤其是在废物活性污泥（WAS）的还原和厌氧甲烷生成过程中（Du等人，2015年；Proano等人，2024年）。通过活性氮物种（RNS）及其衍生物，FNA可以破坏细胞壁、细胞膜和细胞外聚合物，从而促进大分子有机物的转化为可溶的低分子量组分（Jiang等人，2024年）。Zhang等人报告称，FNA预处理显著提高了WAS的厌氧消化性能，并促进了挥发性固体的降解（Zhang等人，2019年）。此外，Chislett等人利用质谱和核磁共振技术阐明了FNA与细胞壁和膜中有机成分相互作用的分子级途径（Chislett等人，2020年）。他们的结果表明，FNA诱导了电荷转移、亲电取代和含氮官能团的接枝，深刻改变了生物大分子的化学结构。这些发现表明FNA在克服木质纤维素降解障碍方面具有巨大潜力（Chislett等人，2020年）。然而，FNA是否可以直接破坏木质纤维素的结晶结构并破坏糖苷键尚不清楚。关键的是，FNA与超声波空化耦合的协同分子机制尚未进行系统研究。

本研究提出了一种结合FNA和US（FNA + US）的预处理策略，同时利用FNA介导的化学降解和US诱导的物理空化来克服木质纤维素的顽固性。首先使用纯纤维素作为模型底物，系统比较了单独和联合预处理下的酶促糖化性能。通过总有机碳（TOC）和葡萄糖释放量的监测，结合多尺度表征（SEM、FTIR、XRD、固态¹³C NMR、XPS、ESI-MS），我们全面阐明了结构降解模式和化学修饰机制。然后使用甘蔗渣作为代表性农业废弃物，验证了该策略在复杂生物质系统中的实际应用可行性。我们假设US诱导的物理破坏和FNA相关的化学修饰可能互补作用，促进纤维素的降解。FNA相关的化学变化可能有助于削弱或切割糖苷/醚键、破坏氢键网络以及表面化学修饰。本研究提供了关于温和高效木质纤维素预处理的新机制见解，并为甘蔗渣和类似农业废弃物的生物精炼和高价值转化奠定了理论基础。

章节摘录

材料

纤维素粉末（粒径25 μm）和纤维素酶（制造商报告的名义活性：10,000 U/g酶制剂）购自Meryer（中国）。HPLC级的葡萄糖和Cellobiose分别购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州）和TCI（日本东京）。

纤维素预处理的实验程序

将纤维素粉末分散在超纯水中，形成1 wt%的悬浮液。使用超声波均质机（JY92-IIN，SCIENTZ，中国）以500 W的功率进行10分钟的脉冲模式处理（开启5秒，...

FNA和超声波处理对纤维素糖化的促进

本研究中首先使用总有机碳（TOC）作为指标，量化酶促水解过程中水溶性有机组分的总体释放情况，从而评估不同预处理策略对纤维素生物可利用性的影响。结果表明，除了单独使用超声波处理效果有限外，FNA和FNA + US处理显著提高了纤维素的水解效率（图1a）。48小时后，未经处理的对照组仅释放了1843.3 mg/L的TOC，而...

结论

本研究系统阐明了FNA和US联合预处理增强纤维素糖化的机制，并使用真实甘蔗渣验证了其实际应用可行性。多尺度表征显示，联合预处理通过形态、分子和结晶变化的有效降解，包括孔隙形成、氢键破坏、解聚和部分纤维素...

CRediT作者贡献声明

Fengying Li：撰写 – 原稿撰写、方法学研究。Ruirui Pang：数据可视化、软件操作。Liyang Huang：数据收集。Cong Jiang：数据收集。Boqun Shao：数据可视化、验证、方法学研究。Gang Zhao：资源获取。Bing Xie：监督。Xi Li：撰写 – 审稿与编辑、监督。Yinglong Su：监督、资金获取、概念构思。

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能会影响本文所述的工作。

本研究得到了国家自然科学基金（编号42577422和42377410）、上海自然科学基金（编号22ZR1420700）以及中央高校基本科研业务费，上海有机固体废弃物生物转化工程研究中心（编号19DZ2254400）的财政支持。

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