华南理工大学刘传富教授Bioresour. Technol：通过机械-水热预处理绿色制备低聚木糖和葡萄糖

背景介绍

低聚木糖由于具有较高的益生元效应近年来被广泛关注。传统的利用水热法降解半纤维素制备低聚木糖过程会导致木糖的过量生成，从而降低了低聚木糖的纯度。利用水热处理生物质原料制备低聚木糖过程中副产物较少，但低聚木糖的含量偏低，且水热处理后的固体残渣的酶降解性较差。

近日，华南理工大学刘传富教授团队利用廉价的玉米秸秆为原料，通过球磨和超声辅助水热预处理的方式制备得到高得率的低聚木糖，同时固体残渣经纤维素酶水解后能高效转化为葡萄糖，剩余的固体主要成分为木质素，实现了绿色处理生物质原料制备高附加值化学品。

图文解读

Table 1 Effect of ball-milling time on the particle size, crystallinity index, pH value, and sugar yields. 

^a The pH value was recorded based on the reaction mixture after hydrothermal treatment. The hydrothermal reaction was performed at 230 ℃ for 1.0 h.

^b The xylose and XOS yields were obtained after hydrothermal treatment at 230 ℃ for 1.0 h.

^c The glucose yields were obtained after enzymatic hydrolysis for 72 h of the hydrothermal treated residue.

首先作者对球磨时间对样品结构和低聚木糖与葡萄糖产量的影响进行了研究。如上表所示，经球磨处理后样品的颗粒尺寸和结晶指数大幅下降，球磨1 h后，样品的粒度由未处理前的 396 μm下降到 51 μm。结晶指数的下降表明部分纤维素的结晶区被有效打破。样品粒度的降低和纤维素中非结晶区的增加有利于提高水热和酶解过程中低聚木糖和葡萄糖的产量。经球磨处理 5 h 后，低聚木糖和葡萄糖的产量均大幅提高。

Fig. 1. (a) Chemical composition of the solid residue and (b) the xylo-saccharides of the hydrolysates after 5 h ball-milling, ultrasound irradiation, and hydrothermal pretreatment under different condition. (^*This sample has not been ultrasonic treated.)

如图1所示，水热后固体中半纤维素含量随水热过程中温度增加和时间延长而逐步降低，随水热温度增加，半纤维素可实现完全从固体中分离，同时纤维素的含量变化不大。在水热时间为1.0 h 时，随温度提高，低聚木糖产量从60.70% 增加到 72.50%，在水热时间为1.5 h 时，低聚木糖产量呈现先增加后下降的趋势，这主要是在较高的水热条件下，生成的低聚木糖又进一步降解，生成木糖等副产物造成的。

Fig. 2. The pH value and the yield of acetic acid and furfural after combined ball-milling and ultrasound assisted hydrothermal pretreated corn stover at different reaction time and temperature.

随后，作者对水热过程中的pH和乙酸和糠醛等副产物的浓度进行了分析。如图2所示，随水热条件加大，水热过程中pH逐渐降低，而乙酸和糠醛等副产物的浓度增加。

Fig. 3. Enzymatic hydrolysis of different pretreated samples under various hydrothermal conditions.

作者对经水热处理后的固体残渣的酶解性能进行了研究。结果表明，球磨-水热处理能有效提高样品的酶降解性，经球磨 5 h和水热处理后样品酶解后葡萄糖得率为 93.51%。同时，随水热处理温度的增加，水热后固体的酶解得率逐步提高。

Fig. 4. Correlations between (a) hemicellulose removal yield, (b) particle size and (c) CrI and enzymatic digestibility of corn stover. (a) ball-milling time, 5 h; hydrothermal conditions: 170-230 ℃ for 1.5 h. (b), (c) ball-milling time, 0 h, 0.15 h, 1 h , 3 h, 5 h; hydrothermal conditions: 230 ℃, 1.0 h

之后，作者对样品中半纤维素脱除量、粒度及结晶指数变化与酶解得率进行拟合，如图4所示，样品中半纤维素的脱除、粒度的降低和结晶指数的下降均与酶解得率有较高的线性相关性。

Fig. 5. Mass balances for combined pretreatment and subsequent enzymatic hydrolysis. (ball-milling time, 5 h; hydrothermal conditions: 215 ℃, 1.5 h).

最后，作者对整个过程的物料平衡进行了分析，如图5所示，经水热处理后，液体中的主要产物为低聚木糖，水热后固体经酶水解后，产物主要为葡萄糖，酶水解后的固体中主要的组分为木素。

总结

作者利用廉价的玉米秸秆为原料，采用绿色的预处理方式制备了高附加值的低聚木糖和葡萄糖，并获得富含木素的固体可进一步后续利用，从而实现了生物质原料的全组分有效利用并制备高附加值化学品，为清洁高效制备低聚木糖提供了新思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126298

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