青岛农业大学：开发生物炼制新策略

由于不可再生化石燃料带来的能源危机和环境问题，探索绿色、丰富和可持续资源的开发利用势在必行。木质纤维素被认为是传统化石资源的极具前景的替代品，其主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中多糖占总含量的60-80%，纤维素和半纤维素的高效酶水解对于高产量的可发酵糖和后续的生物转化在生物炼制中至关重要。

目前，利用木质纤维素生物质废弃物生产高附加值产品已经成为解决能源和环境问题的有效途径之一，为了实现生物质资源的最大化和可再生利用，生物炼制的重点已从单组分利用转向全组分利用，并且生物质全组分的综合利用更是生物炼制商业化的关键所在。

近期，青岛农业大学杨建明团队开发出一种新的生物炼制策略，采用弱碱协同低共熔溶剂对玉米秸秆进行全组分综合利用并将其高效转化为葡萄糖、木糖和木质素，这种方法作为一种预处理生物质溶剂在生物质分离方面展现出较大潜力。目前，这项研究成果已经以“A novel green biorefinery strategy for corn stover by pretreatment with weak alkaline-assisted deep eutectic solvents”为题发表在 Green Chemistry上。
（来源：Green Chemistry）

木质纤维素是自然界含量丰富的可再生原料，可转化为生物燃料及其他化工产品，有望代替传统化石燃料，助力“碳中和”。然而，木质纤维素拥有复杂的化学结构，阻碍了其被酶或微生物的有效降解和利用，因此，在合理利用木质纤维素前通常需要进行预处理。传统预处理方法存在工艺复杂、成本高等问题，相较之下，低共熔溶剂（DES）作为一种新型的预处理生物质溶剂在生物质分离方面的应用越来越广泛。

低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents，DES）是一种由氢键供体和氢键受体混合而成的具有低熔点的混合物，具有制备简单、成本低廉、生物相容性好、分子极性强、易生物降解和可循环再生等多种优势，在生物炼制、催化转化以及功能材料构建等多个领域具有广泛应用前景。
如今，DES预处理技术在木质纤维素生物炼制中发挥重要功能，例如，使用DES对木质纤维素预处理可以在保留纤维素的同时选择性去除木质素和半纤维素，大幅提高后续纤维素酶解过程中的糖化率。
▲图｜采用 DES-SB 对玉米秸秆预处理的生物炼制（来源：Green Chemistry）

在这项研究中，杨建明和团队开发了一种低共熔溶剂-碳酸氢钠（DES-SB）对木质纤维素原料（玉米秸秆）进行全组分利用的生物炼制策略，用于协同碳水化合物转化和玉米秸秆脱木质素，最终获得高产率的可发酵糖（葡萄糖、木糖）和木质素，提高了生物质全组分综合利用的可行性。
他们发现，与单纯的低共熔溶剂预处理相比，加入碳酸氢钠能够显著提高脱木质素效率，可达90.03％（单纯低共熔溶剂预处理仅为34.64％），同时实现了较高的碳水化合物回收率，其中，葡萄糖收率达97.47%，木糖收率达92.93%，而且这种方法不会牺牲半纤维素来实现糖的高释放，并减少了碳水化合物降解为不需要的产物。

除此之外，基于DES-SB预处理获得的木质素具有良好的热稳定性、良好的均匀性（1.76）、较高纯度（94.31%）以及低分子量（1593 g/mol），具有转化为下游芳香族化合物的前景，展现出较好的增值潜力。

机制层面，他们通过核磁共振波谱分析发现，随着预处理强度的增加，主要单元间键（β-O-4键）得到保留（约45.6%），获得的木质素呈现出更多的羧基和更少的H型结构单元，这主要是由于木质素醚键的断裂以及木质素和半纤维素之间的连接键，低共熔溶剂与碳酸氢钠的协同作用促进了木质素-碳水化合物配合物中醚键的选择性裂解。
最后，他们通过质量平衡分析表明，1kg干燥玉米秸秆可产生 367.03g葡萄糖、171.70g木糖和143.52g木质素。
▲图｜整体质量平衡分析（来源：Green Chemistry）
总的来说，这项研究提供了一种绿色、高效、协同的低共熔溶剂-碳酸氢钠预处理策略，具有高选择性的脱木质素、高碳水化合物保留和高可发酵糖产量，在全组分生物质综合利用（高产可发酵糖和高质量可加工木质素）和可持续工业生物炼制方面展现出较大潜力。
该论文通讯作者杨建明是青岛农业大学生命科学学院教授，他课题组的研究方向主要围绕生物基化学品和生物能源、光合固碳产能代谢工程、丙二酸盐代谢及其调控机制等领域。

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