《Bioresource Technology Reports》：Decoding temperature and NaOH concentration effects on environmental footprints for sustainable lignocellulosic biorefining through systematic LCA
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香蕉叶NaOH预处理工艺对酶解效率及环境影响研究。通过实验和生命周期评估（LCA）比较三种NaOH预处理策略，发现温度升高显著增加生态系统、人体健康和水资源负担，160℃时气候变暖影响最大。优化条件为3% NaOH，5%固液比，50℃处理30分钟，酶解效率达81.75%，环境负荷（生态系统7.726×10^-9，人体健康3.500×10^-6，资源0.094）最低。采用-15℃户外预处理可减少能源需求。研究为生物精炼工艺的可持续发展提供量化评估框架。
杜新义|程涛涛|谢秋兰|肖倩怡|罗庚|董莉莉|叶鹏浩|曹光利|牛西志|杨珊珊
中国海南省海口市海南大学环境科学与工程学院农业林业环境过程与生态调控重点实验室，邮编570228
摘要
基于木质纤维素的生物炼制技术为能源危机提供了可持续的解决方案，但酶水解仍是一个瓶颈。本研究通过实验方法和生命周期评估（LCA）全面比较了三种典型的NaOH预处理策略。结果表明，在不同的NaOH浓度和温度下，臭氧消耗、全球变暖潜力（GWP）、烟雾、酸化、富营养化和生态毒性等方面的影响相似。然而，将预处理温度从-15°C提高到160°C会增加对陆地生态系统、人类健康和水资源的负担。对于香蕉叶生物质，最佳条件（3% NaOH、5%固液比、50°C、30分钟）实现了81.75%的酶水解效率，并且对环境的影响最小（生态系统：7.726×10^-9，人类健康：3.500×10^-6，资源：0.094）。较高的温度加剧了气候变化和化石燃料的消耗，其中电力使用是主要的负担来源。值得注意的是，-15°C的室外条件下的整体影响最低。本研究提供了一个系统的评估框架，以指导工业应用中生物质预处理过程的可持续设计。
引言
来自农业和工业过程的木质纤维素废弃物是可再生能源和高价值生物产品的关键可持续资源（Muhammad等人，2023；Ciro等人，2022）。香蕉作为一种全球重要的作物，会产生大量的加工残渣，占其重量的30-40%，每年约3480-4640万吨，为生物质利用提供了丰富的原料（Shailja等人，2021；Shivani等人，2018）。然而，植物细胞天然的顽固结构限制了酶水解，这是H2和CH4生产等转化过程中的关键瓶颈（Ascencio等人，2019；Pan等人，2016）。因此，有效的预处理对于克服这一瓶颈并实现高效的糖化及后续的生物能源生产至关重要（Dong等人，2020a）。作为一种广泛使用的碱性预处理方法，NaOH预处理能有效溶解木质素（>60%），并断裂木质素-碳水化合物复合物中的醚/酯键，显著提高纤维素的可利用性，在广泛的温度范围（-20至160°C）内使预处理后的生物质转化率超过90%（Ravi等人，2024；Song和Lee，2024；Qian等人，2019）。研究表明，NaOH预处理在不同原料上的效果显著：例如，在不同条件下用NaOH处理小麦秸秆或甘蔗渣可以显著提高酶水解效率，通常超过85%（Tsegaye等人，2019；Wang等人，2016）。最近的研究表明，NaOH预处理甚至可以在低于100°C甚至0°C的温度下有效去除木质素（Dong等人，2019；Dong等人，2020a）。我们之前的工作也证明，在-15°C下也能有效去除木质素（>70%），加入尿素后这一比例可提高到85%（Dong等人，2019；Dong等人，2018）。尽管已有大量研究优化了基于NaOH的预处理方法以提高产量，但对其环境性能的比较评估仍然较少（Srijoni等人，2023；Preethi等人，2022；Wang等人，2021a，Wang等人，2021b）。
生命周期评估（LCA）已被广泛用于评估各种生物质转化途径的环境影响，如生物氢和生物甲烷的生产（Islam等人，2025；Anisah等人，2024；Heijungs，2017）。尽管已有针对某些共消化系统中预处理选项的比较LCA研究（Mohamed等人，2023；Colin等人，2022；Pang等人，2021），但在系统评估不同NaOH预处理策略的全球变暖潜力（GWP）方面仍存在关键空白——这是最常用的碱性方法之一。这一空白阻碍了低碳木质纤维素生物炼制的科学决策。因此，本研究进行了比较LCA，以量化并比较在不同NaOH预处理条件下香蕉叶酶水解的GWP（IPCC，2001，IPCC，2006）。研究结果旨在建立定量的环境基准，为优化工业实践中的预处理设计以减少碳排放提供重要数据。
因此，本研究系统地研究了多种NaOH预处理方法，并通过生命周期评估（LCA）评估了其在定义的实验条件下的环境影响，以提高香蕉废弃物的酶水解效率。首先，研究了不同NaOH处理方法（温度、剂量、固液比和时间以及与其他溶剂的组合）对酶水解效率的影响。然后，利用LCA评估了各个阶段和不同途径可能的环境影响。进一步采用IPCC的气候变化影响评估方法。本研究的结果有助于确定提高高价值木质纤维素利用生态可持续性的关键因素，并为木质纤维素生物质分解的战略进展奠定了基础。
材料
香蕉叶（BLs）采集自中国海南省丹洲的一个农业种植园。新鲜的香蕉叶从茎上剪下并用清水清洗，以去除沙子和土壤等无机杂质。然后使用鼓式风干机将新鲜香蕉叶干燥，并通过40目筛子进行粉碎。最后，将香蕉叶储存在密封袋中，置于室温下以备后续使用。香蕉叶的总固体（TS）、挥发性固体（VS）和灰分分别为21%、19.66%和1.34%不同条件NaOH溶液处理后香蕉叶的酶水解效果
为了评估不同NaOH预处理的效果，香蕉叶随后用市售纤维素酶进行了48小时的水解处理，结果如图2所示。对照组（未经处理的样本）的酶水解效率（EHE）仅为8.8%。值得注意的是，经过NaOH预处理后，纤维素-葡萄糖的转化率显著提高，且随着NaOH预处理浓度和温度的升高，EHE呈现上升趋势
结论
本研究通过LCA评估了NaOH预处理香蕉废弃物的酶水解效率和环境影响。最佳条件（3% NaOH、5%固液比、50°C、30分钟）实现了81.75%的酶水解效率，并且对环境的影响相对较低（生态系统：7.726×10^-9，人类健康：3.500×10^-6，资源：0.094）。在利用室外环境温度的情况下，-15°C的预处理条件具有优势，可以降低能源需求。情景分析进一步表明
作者贡献声明
杜新义：撰写——初稿、软件开发、方法论、数据分析。程涛涛：数据管理。谢秋兰：数据管理。肖倩怡：数据管理。罗庚：数据管理。董莉莉：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。叶鹏浩：撰写——审稿与编辑。曹光利：撰写——审稿与编辑。牛西志：撰写——审稿与编辑。杨珊珊：撰写——审稿与编辑。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了海南省自然科学基金（编号：422QN263）和海口市哲学与社会科学规划项目（编号：2025-ZCKT-08）的支持。
