祝贺课题组硕士研究生陈心慧在SCI 2区Top期刊《Biomass and Bioenergy》上发表最新研究成果
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近日，课题组在SCI 2区Top期刊发表论文"Rapid delignification and high-yield saccharification of sugarcane bagasse via methanesulfonic acid-deep eutectic solvent fractionation"。本研究开发了一种甲磺酸（MA）耦合三元低共熔溶剂（DES）的两步预处理策略，用于甘蔗渣的高效组分分离与高糖得率回收。通过系统比较四种磺酸的催化性能并优化工艺参数，MA在温和条件下（1 wt%，130 ℃，45 min）实现了85.57%的木糖回收率。后续DES处理在130 ℃下仅需5 min即可脱除53.75%的木质素，同时保留92.80%的纤维素，将纤维素酶解效率提升至84.87%。静电势（ESP）和独立梯度模型（IGMH）计算揭示了MA优异的供质子能力及其与木二糖糖苷键的强结合能是其高效催化半纤维素水解的关键。这些结果表明，该两步酸-DES耦合策略是一种高效、快速且可重复的甘蔗渣组分分离方法，为清洁的生物质炼制技术提供了重要指导。
论文解读：
1、研究背景：随着化石资源日益枯竭，利用木质纤维素生产生物燃料成为研究热点。甘蔗渣产量丰富、成本低廉，是理想的生物炼制原料，但其纤维素、半纤维素和木质素通过氢键及共价键交联形成的致密网络结构，形成天然抗降解屏障，严重制约酶解效率。现有预处理方法普遍存在半纤维素非选择性溶解、抑制物（如糠醛、羟甲基糠醛）生成量较高等问题。低共熔溶剂（DES）虽木质素脱除效果优异，但酸性DES直接处理易造成半纤维素不可逆损失。酸-DES耦合预处理策略虽被提出，仍面临无机酸易导致木糖过度降解及木质素缩聚、有机磺酸在耦合体系中的系统对比匮乏、DES处理时间过长等局限，并且不同磺酸分子结构差异影响半纤维素水解的深层机制尚未阐明。针对上述问题，本研究开发了甲磺酸耦合三元DES的两步预处理策略，旨在实现甘蔗渣的高效组分分离与碳水化合物高得率回收。
2、主要内容：
（1）如图1所示，在相同条件下（1 wt%酸，130 °C，60 min）系统比较了四种磺酸对甘蔗渣的预处理性能。结果表明，MA预处理获得最低的残渣回收率（60.94%）和最高的半纤维素去除率（90.48%），木糖回收率达85.57%。通过理化性质分析，MA具有最小的分子量（96.10 g/mol）及适宜的疏水性（logP -0.9），使其能更高效地扩散至细胞壁并与半纤维素接触。抑制剂分析表明（图1c），各体系中的甲酸和5-HMF均保持在较低水平，而乙酸浓度随半纤维素去除率增加而升高。基于其优异的半纤维素脱除能力和木糖得率，MA被选为最佳预处理酸。
图1 不同磺酸预处理对甘蔗渣的影响。（a）组分变化及残渣回收率；（b）纤维素保留率、半纤维素去除率及木质素脱除率；（c）抑制剂生成情况；（d）葡萄糖/木糖浓度及糖得率。
（2）系统探究了MA预处理的关键参数对组分分离的影响。单因素实验（图2）表明，半纤维素去除率随酸浓度（0-2 wt%）、温度（110-150 °C）和时间（30-90 min）的增加而显著提升。但过度条件会导致木糖过度降解为糠醛，并造成纤维素的不必要损失。综合考虑半纤维素高效脱除与纤维素保留，确定最佳条件为1 wt% MA、130 °C、45 min。在此条件下，半纤维素去除率达93.96%，纤维素保留率达92.55%，木糖回收率达85.57%，且抑制物生成量较低。
图2 MA预处理参数对甘蔗渣组分分离的影响。（a、b）酸浓度（0-2 wt%）；（c、d）预处理温度（110-150 °C）；（e、f）预处理时间（30-90 min）。（a、c、e）为组分变化及残渣回收率；（b、d、f）为纤维素保留率、半纤维素去除率及木质素脱除效率。
（3）将MA预处理后的固体渣（AP-130/45-SCB）进行DES（TEBAC/SA/EG）处理，并系统优化了DES处理温度和时间（图3）。结果显示，木质素脱除率随温度升高（100-160 °C）和时间延长（0-45 min）而增加，但纤维素保留率随之下降。值得注意的是，在130 °C下仅需5 min即可达到53.75%的木质素脱除率，同时保留92.80%的纤维素；继续延长时间对木质素脱除及后续酶解性能的提升有限。酶解实验表明，该两步预处理使纤维素酶解效率从原料的33.08%大幅提升至84.87%。
图3 DES预处理参数对AP-SCB组分分离的影响。（a、b）预处理温度（100-160 °C）；（c、d）预处理时间（0-45 min）。（a、c）为组分变化及残渣回收率；（b、d）为纤维素保留率、半纤维素去除率及木质素脱除效率。
（4）为进一步阐释四种磺酸催化活性差异的分子机制，采用DFT计算进行了ESP和IGMH分析（图4）。ESP分析显示，MA的O-H氢原子具有最强的正静电势（57.64 kcal/mol），而SMA最弱（46.05 kcal/mol），表明MA供质子能力最优。IGMH分析表明，四种磺酸与木二糖的结合能均为负值，绝对值大小顺序为MA > p-TsOH > BA > SMA，且相互作用以O-H···O氢键为主、辅以弱范德华力。上述计算从分子层面证实了MA的优异供质子能力及与木二糖糖苷键的强结合能是其高效催化半纤维素水解的根本原因。
图4 （a）ESP静电势图及极值分布；（b）IGMH非共价相互作用分析，包括结合能、3D等值面图及散点图。
（5）基于100 g甘蔗渣构建了全流程物料衡算（图5）。经酸预处理（AP-130/45）后回收固体65.70 g，水解液中回收木糖24.03 g和葡萄糖3.57 g；经DES处理（DES-130/5）后回收固体45.18 g（含纤维素35.81 g、木质素9.13 g）；最终酶解产生葡萄糖33.75 g。整个过程总糖回收率达79.96%，纤维素和半纤维素的物料闭合度分别达89.2%和96.4%。溶剂循环实验表明，MA酸液重复使用5次后仍保持75%以上的半纤维素去除率；DES溶剂循环4次后仍可实现33%以上的木质素脱除率。与已报道的酸-DES体系相比，本策略的DES处理时间仅需5 min，具有显著的效率优势。
图5 基于100 g甘蔗渣构建了全流程物料衡算
【致谢】
本项目获得以下资助支持：国家重点研发计划项目（2023YFB4203600）、国家自然科学基金项目（21978053）、广东省重点领域研发计划项目（2020B0101070001）。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2026.109727