南京林业大学团队开发三种工艺，大幅提升木质纤维素类糖化效率

全球每年产生大量木质纤维素废料，生物精炼厂将这种可再生木材转化为清洁燃料和化学品，推动经济的可持续发展。木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素和半纤维素是生产增值化学品的重要来源。然而，其复杂的结构限制了利用。酸水解法能有效水解半纤维素，但因为木质素的存在影响纤维素消化率。因此，需要开发新的木质素去除方法，提供一种高效、温和、环保且普遍适用的预处理技术，以便选择性去除木质素从而提高纤维素的酶消化率，为木质纤维素的高效利用提供新途径。

近期，南京林业大学徐勇团队以 PS（杨木屑）、CF（杉木）和 RS（稻草）为样本，采用两种创新的葡萄糖酸（GA）预处理技术，使得木质素去除率分别高达 96.7%、93.4% 和 91.6%，葡萄糖的产率分别提升至 93.8%、93.7% 和 99.3%。并且通过工艺整合，进一步开发出了三种工艺，其中两锅两步工艺（TPTS），实现了对半纤维素和纤维素的有效级联糖化。从 100 g PS、CF 和 RS 中分别获得 8.1、1.8 和 9.4 g 低聚木糖以及 38.9、37.7 和 34.5 g 葡萄糖，为木质纤维素生物质的大规模糖化和增值加工提供了高效、经济、可行的方案。目前，这项研究成果已经以 “Dual Role of Gluconic Acid in the Cascading Saccharification of Hemicellulose and Cellulose from Various Lignocellulosic Stuff” 为题发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

首先，研究员对葡萄糖酸（GA）进行预处理，分析其对不同木质纤维素（PS（杨木屑）、CF（杉木）和 RS（稻草））化学成分的影响。发现 GA 预处理能有效降低半纤维素含量，同时增加木聚糖得率和纤维素的生物可及性，但对木质素去除率影响较小。随着预处理温度和时间的增加，三种原料的纤维素结晶度指数（CrI）和纤维素可及性均有所提高。

接下来，研究人员通过对 GA 预处理，分析其对固体负载酶解的影响。GA预处理显著提高了 PS、CF 和 RS 的酶解产率，其中 PS 和 RS 的增幅显著，CF 增幅较小。CF 葡萄糖产率较低归因于其较高的木质素含量和木质素对酶解的抑制作用。尽管 GA 预处理去除了部分木质素，但大部分木质素仍会阻碍纤维素酶解效率。

随后研究员通过添加过氧化氢（HP），辅助 GA 预处理，分析其对酶解残留物化学组成的影响。发现 HP 辅助 GA 预处理可以有效去除木质素，PS、CF 和 RS 的 LRR（木质素去除率）高达 96.7%、93.4% 和 91.6%，同时保留大部分纤维素和半纤维素的选择性分离。预处理后，三种原料的纤维素结晶度和生物可及性均显著提高，有利于酶解糖化。

研究员们根据之前研究，分析 HP 辅助 GA 处理对纤维素酶解的影响。发现 HP 辅助 GA预处理显著提高了 PS、CF 和 RS 的 EHR（酶解残留物）中纤维素的酶消化率，使得葡萄糖的产率分别提升至 93.8%、93.7% 和 99.3%。不仅高效去除木质素，而且对三种原料均适用。

紧接着，研究员基于 GA 的两步预处理，分析其对木质纤维素生物质的影响。GA 两步预处理和 HP 辅助 GA 预处理显著提高了 PS、CF 和 RS 的半纤维素和纤维素的级联糖化效率，有效去除半纤维素和木质素，提高了纤维素的生物可及性和酶解葡萄糖的产率。PS 和 RS 的葡萄糖产率随木质素去除率的增加而显著上升，证实了木质素去除对纤维素糖化效率的重要性。表明基于 GA 的两步预处理是高效利用木质纤维素生物质的有效方法。

最后，研究员进行了组合工艺的比较与调整。开发了三种工艺（两锅两步法（TPTS）、一锅两步法（OPTS）和一锅一步法（OPOS））以最大化利用 GA 预处理和 HP 辅助 GA 预处理。显著提高了木质纤维素生物质的糖化效率，优化了 XOS（低聚木糖）产率和 LRR，表明 HP 辅助 GA 预处理是一种高效脱木质素工艺，但不同工艺对半纤维素分离效果有差异，其中 OPOS 法 HSR（半纤维素分离率）相对较低。TPTS 法的葡萄糖和 XOS 产率最佳，经济效益显著；OPOS 法简单可行。这些工艺为木质纤维素生物质的大规模糖化和增值加工提供了高效、经济、可行的方案。

总体而言，本研究基于 GA 的两步预处理去除半纤维素和木质素，开发出的两锅两步工艺（TPTS），在 PS、CF 和 RS 中实现了对半纤维素和纤维素的有效级联糖化。联产低聚木糖、木糖和葡萄糖，产量显著，其中从 100 g 杨木屑、杉木和稻草中分别获得 8.1、1.8 和 9.4 g 低聚木糖以及 38.9、37.7 和 34.5 g 葡萄糖。为草本和木质生物质的高效、绿色和经济糖化提供了新途径，几乎实现了纤维素的完全酶解糖化，展现了从多种生物质中生产功能性糖的巨大潜力。

这篇论文通讯作者徐勇教授是南京林业大学化工学院副院长，博士研究生导师。主要从事植物纤维资源生物炼制领域的教学和科研工作。重点开展木糖代谢微生物分子调控机制、纤维素燃料乙醇、功能性聚糖、戊高效生物转化、木糖酸及衍生化学品的基础及应用技术的研究和开发。

参考资料：

1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.4c00392