近期，我校生物工程学院生物资源与生物炼制研究团队在木质纤维素生物质联产生物乙醇和轻质芳烃化合物方面取得重要进展，研究成果“Integrated approach for co-production of bioethanol and light aromatics from lignocellulose through polyethylene glycol-aided acidic glycerol pretreatment”正式发表于Energy Conversion and Management（一区, Top, IF 9.9）。
研究背景
木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素等三大素组成，因其储量丰富且具备可再生性，被认为是绿色生物制造的理想原料。将这些生物质转化为生物能源不仅有助于石化替代，也有助于我国实现碳达峰、碳中和。据统计，我国每年可利用的农林纤维剩余物高达20亿吨，其中可利用农作物秸秆有6亿吨，这为建立绿色低碳可再生能源体系提供坚实的原料保障。因此，基于木质纤维素的精炼型生物制造正迎来前所未有的发展机遇。
酶基生物质炼制工艺主要包含预处理、酶解和发酵等工段。其中，预处理作为打破生物质复杂且致密结构、增强后续酶解和发酵效率的关键步骤，决定了整个生物炼制过程效率。如何通过预处理技术最大限度提高木质纤维素的酶解性，并有效利用剩余木质素，是推进生物质精炼产业化的核心问题。孙付保教授研究团队此前开发的甘油有机溶剂预处理方法取得良好效果，但与其它大多数预处理技术一样，在预处理过程中仍存在严重的木质素再缩合副反应现象。这不仅加剧了木质素对纤维素酶的非生产性吸附从而大幅削弱了酶解和发酵效率，还限制了木质素的增值利用。
针对以上问题，我们课题组尝试在酸催化甘油有机溶剂预处理过程中添加表面活性剂，以期通过原位修饰木质素而减缓木质素再缩合副反应。实验首先通过对比稀酸和酸催化甘油预处理而构建了表面活性剂PEG辅助酸催化甘油预处理体系。接着通过现代分析技术解析了表面活性剂辅助甘油有机溶剂预处理缓和木质素再缩合的机理：表面活性剂通过醚化接枝反应修饰木质素而改变了后者的理化性质，使其含有相对丰富的β-O-4连接键、较少的酚羟基并增强了木质素亲水性。这种修饰作用实现“一石二鸟”效果：一方面，减弱了残留木质素与纤维素酶之间的非生产性吸附，从而提升了底物可酶解性；另一方面，该双重修饰型木质素具有高反应活性，比如热解时高量多丰度浅颜色的芳烃化合物而减少生物炭生成。最后系统评估了整个过程能量盈余情况，发现此策略可产出8.9 MJ/kg的能量，总能量转化率高达70%以上。总之，本研究提出的木质素优先型“一石二鸟”预处理方法在农林纤维类生物质炼制方面具有显著优势。
江南大学2021级博士生宋国杰为该论文第一作者，Meysam Madadi副研究员为该论文通讯作者。上述研究工作得到国家重点研发计划-绿色生物制造专项课题（2022YFC2104601）和国家自然科学基金（52106245; 22278189; 22350410382）等资助。近年来，我校生物工程学院孙付保教授团队在木质纤维原料的绿色生物加工制造方面取得明显进展，相关成果陆续发表于Chemical Engineering Journal (2024, 481: 148713)、Biofuel Research Journal (2024, 41: 2040-2064)、Bioresource Technology (2024: 395: 130358)、Biotechnology Advances (2023, 62: 108059)、Green chemistry (2023, 25: 7141-7156)等本领域权威期刊。
