有效的预处理手段是生物质高效利用的前提。两相预处理是近年来发展的一种能够有效同步拆解生物质三大组分的方法，但是目前研究的反应体系特定，且反应条件苛刻，纤维素的破坏程度大，不利于尽可能多的从生物质原料中获得葡萄糖。针对以上问题，大玩家彩票官方制浆造纸工程国家重点实验室任俊莉教授课题组对20种酸催化剂和5种有机溶剂在两相体系预处理过程中同步拆解秸秆三大组分的效果进行了研究，旨在充分分馏和利用小麦秸秆三大组分，获得较高的纤维素保留率、C5糖（木糖/阿拉伯糖）产量及脱木素率。该工艺获得富含C5糖的水解液进一步脱水反应获得糠醛，纤维素酶水解获得葡萄糖，有机相中可回收木质素，从而实现麦草秸秆三组分综合利用。
✅ p-TsOH/2-MeTHF/H2O两相预处理是理想的高选择性一步分离生物质三大组分的方法。✅ 可获得高的纤维素保留率（95.69%），高的半纤维素（77.49%）和木质素（57.18%）去除率。✅ 基于原料，可从有机相中回收得到33.83%的沉淀木质素。✅ 预水解液中的C5糖进一步在两相体系（DCM/H2O）中催化生成80.07%的糠醛。
本研究对比使用了20种不同的酸（Table 1），包括有机一元酸、有机二元酸、有机三元酸和无机酸硫酸。不同的酸处理都获得了优异的纤维素保留效果，但大多数酸（如反丁烯二酸、戊二酸和没食子酸）的预处理效果不理想（半纤维素去除率低、脱木素效果差、半纤维素基C5糖产率低）。p-TsOH具有更合适的酸度，能够更好的脱除半纤维素和木质素，保留纤维素。不同有机溶剂对比结果见图1a，MIBK/H2O、甲苯/H2O和异丁醇/H2O对纤维素的降解作用更为严重，纤维素保留率在90%左右。在MIBK/H2O，甲苯/H2O和CPME/H2O体系下，木质素去除率分别为29.75%、22.59%和27.32%，对应于较高的半纤维素基C5糖的收率分别为64.37%、66.88%和59.32%。当有机溶剂为异丁醇时，木质素去除率达到66.49%，是这5种有机溶剂中最高的，并且XOS的检出率为14.58%。2-MeTHF/H2O和CPME/H2O在纤维素回收率方面表现良好，分别达到96.21%和97.43%。2-MeTHF/H2O两相体系不仅有着47.61%的木质素脱除率，也有着良好的半纤维素基C5糖得率（55.66%）。尽管CPME/H2O的C5糖得率（59.32%）高于2-MeTHF/H2O，但木质素脱除率低。因此优选的有机溶剂为2-MeTHF。反应条件：0.1 M酸浓度，120oC，3 h，1.5 g秸秆，2-MeTHF：H2O=1：1（v：v）。XOS: 低聚木糖。
本研究对反应条件（酸浓度、反应时间和反应温度）进行了优化（图1b-c）。从图中可以看到，当反应条件温和时，由于多糖未水解成单糖，XOS得率更高，其收率为22.41%-25.79%。在最优条件下（0.1 M p-TsOH，140°C，3 h），纤维素保留率高达95.69%，木质素和半纤维素去除率分别为57.18%和87.37%，C5糖收率高达77.49%。在反应温度为120°C，p-TsOH酸浓度为1.0 M下反应3 h，纤维素保留率较低（90.87%），但木质素和半纤维素的去除率分别为75.88%和89.37%，C5糖的得率为81.9%。在这项工作中可以获得高的纤维素保留率，并且也有高的C5糖产率。图1.（a） 不同溶剂的影响。反应条件：0.1 M p-TsOH，120°C，3 h。（b）酸浓度对p-TsOH的影响。反应条件：120°C，3 h。（c）反应时间的影响。反应条件：0.1 M p-TsOH，120°C。（d）温度的影响。反应条件：0.1 M p-TsOH，3 h。
对优化条件（0.1 M p-TsOH，140°C，3 h）下得到的高C5糖浓度的水解液进行糠醛转化。以DCM作为有机相萃取糠醛，反应后溶液的pH值保持在初始状态（1.47），反应条件为170°C-80 min，糠醛收率在DCM/H2O比率为2：1时增加至最大值（80.07%）（图2a）。糠醛产率随反应时间的增加（40 min-80 min）而增加，在反应时间为100 min时降低，这是由于糠醛的降解和缩合（图2b）。当DCM/H2O比率体积比为2：1，反应温度为170°C，反应时间为80 min时，糠醛得率最大。此时，基于原料中的戊糖，糠醛收率为62.05%。图2.（a）不同“DCM/H2O体积比”下的糠醛产率（170°C–80 min）和（b）不同的反应时间（170°C，DCM：H2O=2：1）
酶水解是评价预处理效果的一个重要指标。酶解72 h后，原料中葡萄糖收率仅为28.54%。相比之下，当预处理温度从100°C升高到180°C时，在两相体系p-TsOH/2-MeTHF/H2O比率预处理后的残渣中可获得的葡萄糖产量从68.95%显著提高到99.44%。这与半纤维素和木质素屏障的去除有关，酶对纤维素的可及性增加。在最佳条件下（0.1 M p-TsOH，140°C，3 h），回收残渣的水解消化率为95.82%，由于此时纤维素的保留率达到95.69%，因此基于原料可得到91.69%的葡萄糖。水解糖化率和木质素去除率（R2=0.916）（图3b）以及半纤维素去除率（R2=0.989）（图3c）都呈正线性相关关系，这与现有文献一致。残渣的CrI值与其糖化率之间表现出良好的负相关关系（R2=0.880）（图3d）。研究结果证实两相预处理可以有效提高纤维素酶解效率，通过去除木质素和半纤维素，破解屏障，增加酶水解反应的可及性。CrI可被视为预处理残渣酶消化率的指示性预测指标。图3.（a）用对TsOH酸催化的双相2-MeTHF/H2O酶解残基固体的纤维素的葡萄糖产率（1：1）预处理。（b）木质素去除率与糖化、（c）半纤维素去除率与糖化、（d）残基和糖化CrI之间的关系。
通过分析酶解木质素（CEL）以及不同反应温度下沉淀木质素（T100-L，T140-L和T180-L）的结构差异，证明p-TsOH/2-MeTHF/H2O两相预处理可以有效脱除半纤维素和木质素。S/G比值随着处理温度的升高而增加，表明在预处理过程中木质素发生一定程度的解聚，并且S单元易被有机相萃取。凝胶色谱（GPC，Table 2）测试结果表明，与CEL相比，沉淀木质素的分子量明显降低。Table 2. CEL和有机相中木质素的分子质量
综上所述，p-TsOH/2-MeTHF/H2O两相预处理是同步分离秸秆三组分的可行方法，通过进一步转化可得到葡萄糖和糠醛。在最优条件下，纤维素保留率高达95.69%，木质素去除率为57.18%，半纤维素基C5糖收率可达77.49%。同时，基于原料的葡萄糖收率和糠醛收率分别为91.69%和62.05%。本研究表明，p-TsOH/2-MeTHF/H2O两相预处理体系是秸秆三大组分高效同步拆解和分离的有效体系，为生物质精炼中组分高效转化提供重要的科学依据。https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.128887
信息来源：大玩家彩票官方制浆造纸工程国家重点实验室
