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多孔颗粒特性和水态分布对浓醪酶解制糖影响方面取得了重要进展，研究成果“Understanding the role of porous particle characteristics and water state distribution at multi-scale variation on cellulase hydrolysis of lignocellulosic biomass”正式发表于Energy（一区, Top, IF 9.0）。
木质纤维素是自然界唯一的可再生碳源，其生物炼制过程包括预处理和酶解两个关键步骤。在酶解过程中，考虑到高糖浓度和低操作成本，木质纤维素生物质的浓醪酶解制糖是一种高效且经济可行的方法。通常情况下，浓醪酶解的固体负荷大于15 wt.%，浆液体系几乎不含自由水。从理论上讲，浓醪酶解是一个多相、多尺度的酶转化过程，其水解性能本质上依赖于生物质颗粒、水和纤维素酶之间的协同作用。因此，研究生物质的颗粒特性（如木质纤维素组分、粒径、孔隙率、孔隙结构）和水态分布规律（吸湿水、膜状水、毛管水、自由水）对预处理木质纤维素底物浓醪酶解过程的影响具有重要意义。
木质纤维素生物质（以甘蔗渣为研究对象）具有明显的多孔颗粒特性，相较于未处理底物，预处理后蔗渣平均粒径降低了约15%，总孔体积和孔面积分别增加了7.38%和48.49%，内部孔面积是外部颗粒表面积的1063倍，预处理过程中形成的多尺度孔隙及颗粒内孔面积、孔体积的增加对提高下游酶解效率至关重要。此外，酶促反应会迅速降低颗粒尺寸（水解3 h后降低约70%），并增加颗粒孔隙率（水解12 h后增加约85%），使其从大表面孔隙转变为内部微孔；相比于颗粒尺寸的降低，组织/细胞尺度孔径和颗粒内面积的增加对水解性能的改善更有意义。随后，根据对酶解体系中水态形式及分布特征的检测发现，毛管水和自由水是水解过程的主要传递载体，颗粒液化能快速释放毛细管孔隙中的约束水，同时显著增加自由水含量，在10 wt.%和15 wt.%的固体负荷下水解0.5和1 h后，浆液中的自由水含量均能接近90%，同时自由水活度的增加与酶解率有很强的正相关关系。依据颗粒孔隙度、自由水活度和组分降解进一步构建了水解产糖的准确预测模型。最后，在这种快速颗粒液化的启发下，本研究提出了一种短时间隔的分批补料策略并被证明对重构浓醪酶解工艺过程是非常有效的，其具有相当或更高的糖产率。
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。相关研究获得国家重点研发计划(2021YFE0114400)、国家自然科学基金国际合作与交流项目(22361142705)、国家自然科学基金(5266245)等资助。
近年来，我校生物工程学院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，在木质纤维原料的绿色生物加工制造方面取得了明显进展，相关成果陆续发表于Chemical Engineering Journal (2024, 481: 148713)、Green Chemistry (2023, 25: 7141-7156; 2024, 26: 10123-10138)、Energy Conversion and Management (2024, 319: 118896)、Bioresource Technology (2024: 395: 130358)、Biotechnology Advances (2023, 62: 108059)、Biofuel Research Journal (2024, 41: 2040-2064)等本领域权威期刊。
