近期，我校生物工程学院孙付保教授团队在木质纤维素生物质浓醪酶解糖化方面取得重要进展，研究成果“Quantitative correlation analysis between particle liquefaction and saccharification through dynamic changes of slurry rheological behavior and particle characteristics during high-solid enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse”正式发表于Bioresource Technology (IF = 11.3997) (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.130518)。
与常规均相酶解相比，生物质浆液浓醪糖化过程中的高固含量将导致较差的基质流动性，体系粘度的增加亦会造成浆液内酶的对流传质受限。其次，高固生物质浆液内通常存在生物质单颗粒及团聚颗粒，形成多孔介质结构并显著影响颗粒表面的液膜分布与颗粒内外的流体分布，进而影响酶分子在底物上的扩散及吸附传质特性，最终导致酶传质与转化无法高效有序匹配。因此，探究生物质浓醪酶解的流变行为与颗粒特性（如粒径、孔结构、水态等）及其动态变化，对深入阐述其关键性限制步骤至关重要。
图 1 木质纤维素生物质浓醪酶解的颗粒特性及传递行为
孙付保教授团队以低共熔溶剂和机械球磨预处理后的甘蔗渣为研究对象，20%固体含量的甘蔗渣浆液是具有剪切稀化行为的拟塑性流体，其表观粘度和剪切应力分别为1.4 × 104 Pa·s和929.0 Pa(稳态流变)。在酶解过程中，随着酶用量的增加和酶解时间的延长，浆液的表观粘度显著降低，其中研磨颗粒在3~12 h内的粘度和屈服应力仅为0.37 Pa·s和1 Pa。一方面，研磨颗粒的液化速度远高于糖化过程，酶解前期缓解高浆液粘度引起的对流传质限制相对容易；另一方面，葡萄糖产量与浆液粘度的动态变化呈现出负相关关系(R² 0.69-0.97)，而其与屈服应力的相关性(R² 0.85-0.98)取决于颗粒液化速率。其次，通过对自由水含量、颗粒粒径、不溶性固体含量、孔结构等的动态监测，发现自由水的可用性对改善浆液流变特性有重要贡献，但液化过程中亚毫米级颗粒的尺寸减小及颗粒亲水性变化与流变变化没有显著相关性。最后，借助主成分分析方法将多种颗粒特性和流变变化整合为两个简单的主变量，实现了酶解产糖的准确预测（R2, 0.96、RMSE, 3.22）。本研究通过定量分析揭示了生物质浓醪酶解过程中浆液流变、颗粒特性与糖化性能之间的复杂关系，为优化酶解工艺提供了重要数据支持和理论基础。
图 2 浓醪酶解过程中生物质颗粒液化的关键参数变化特征
孙付保教授为该论文的通讯作者，孙驰贺助理研究员为第一作者，我校2022级硕士生张慧为共同第一作者。该研究获得国家重点研发计划(2021YFE0114400)、国家自然科学基金(52106245、22350410382)等资助。
近年来，孙付保教授团队主要致力于木质纤维素生物质定向拆解的有机溶剂预处理方法构建、木质素高值转化、底物专一性的纤维素酶系复配定制及浓醪酶解过程调控等方面的研究工作，相关研究成果已发表在Biotechnology Advances (2023)、Renewable and Sustainable Energy Reviews (2023)、Chemical Engineering Journal (2024)、Biofuel Research Journal (2024)、Journal of Cleaner Production (2022)、Green Chemistry (2023)、Renewable Energy(2022)等本领域权威期刊。
