《Biomass and Bioenergy》：Multifaceted application of
Sesamum indicum biomass via the sustainable biorefining strategies
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芝麻农业残渣（SIAR）在生物精炼系统中的潜力与挑战。针对SIAR预处理技术、热化学/化学转换工艺及经济性分析的研究表明，其可持续能源潜力达3.11×101? GJ，但需突破规模化与高能耗瓶颈。整合生化与热化学路径的循环经济模型是未来方向。
Subramaniyasharma Sivaraman | Rangabhashiyam Selvasembian
环境科学与工程系，工程与科学学院，SRM大学-AP，阿马拉瓦蒂，安得拉邦，522240，印度
摘要
木质纤维素生物质已成为生物精炼系统中的关键组成部分，为生产高附加值生物产品和可持续生物燃料提供了途径。在未充分利用的资源中，Sesamum indicum（芝麻）的农业残余物（SIAR）因其丰富性、当前应用有限以及露天焚烧带来的严重环境后果而脱颖而出，这种做法与空气污染和碳排放有关。资源可用性与利用之间的这种不匹配凸显了开发循环经济模式以实现芝麻生物质价值化的必要性。本综述分析了全球研究趋势，并指出了阻碍SIAR成本效益高、可持续利用的关键预处理策略和热化学转化过程中的不足。除了环境效益外，SIAR具有3.11 × 1010 GJ的理论可持续能源潜力，这强调了其在脱碳能源系统中的作用。然而，要实现这一潜力，需要针对可扩展性和能源密集型加工方法进行有针对性的技术创新。在这项工作中，我们还讨论了下一代生物精炼厂的路线图，优先考虑整合生物化学和热化学途径的系统。研究结果提倡跨学科研究，以使经济可行性与可持续性和循环生物经济框架保持一致。
引言
Sesamum indicum L，通常被称为芝麻，属于Pedaliaceae科，被认为是最早被人类用于种植和消费的油料作物之一[1]。作为蛋白质的丰富来源，芝麻种子是最早被用于提取油的作物之一。芝麻种子在全球各种菜肴中广泛使用，尤其是在亚洲国家，它们被加入菜肴中以改善质地和风味。芝麻种子已被确认为含有与健康益处相关的生物活性化学物质的来源。由于其高种子油含量及其种子油和籽粉的卓越品质，芝麻被称为“油料作物之王”[2]。随着对食用油需求的持续增长，干旱地区芝麻种植的年度扩张直接影响了沙漠化和农业，特别是干旱、半干旱和干亚湿润地区的土地退化[3,4]。鉴于人口增长，这一问题对可持续发展至关重要。全球每年大约产生2400万吨S. indicum农业残余物（SIAR）[5,6]。这些作物副产品经常被错误地视为“农业废弃物”或几乎没有价值。一旦芝麻种子收获，整个植物通常会被丢弃，偶尔被用作土壤改良剂，或在田间焚烧，从而导致环境问题[7]。原油、天然气和煤炭是广泛使用的不可再生燃料，其开采和燃烧会导致大量的温室气体排放，并使经济面临供应冲击和价格波动[[8], [9], [10]]。燃烧这种潜在有价值的原料对人类健康、环境和农学产生了负面影响。解决化石燃料的枯竭及其产生的大量温室气体排放是一个紧迫问题[11]。生物精炼概念涉及绿色和残余生物质的全面利用，为应对化石燃料带来的挑战提供了一种可持续、环保的替代方案。这种方法对于开发既环保又高效利用资源的技术至关重要，可以减轻传统能源来源的负面影响。从线性提取向循环生物经济模式的转变不仅仅是一种技术调整，而是一个根本的治理挑战[12,13]。利用SIAR进行能源生产和高附加值产品的生产可以通过创造新的收入来源、促进农村发展和创造就业机会来改善农村生计[[14], [15], [16]]。向基于残余物的能源系统的转变可以在不与粮食生产所需的农业用地竞争的情况下实现，从而支持粮食安全[17,18]。循环生物经济倡议通常从农村角度出发，重点关注废物最小化、生物质回收、更多就业机会和稳定的能源供应[19,20]。尽管芝麻植物及其残余物具有巨大潜力，但关于其利用和价值化的研究仍然有限且分散。这可能是由于生物精炼系统的跨学科性质和复杂性。据我们所知，目前还没有关于开发芝麻生物精炼潜力及其高附加值产品的研究。因此，本工作的目的是总结关于芝麻生物质的研究，并提供对其转化和价值化方案的全面理解。
章节摘录
SIAR在生物精炼中的潜力
在过去60年里，全球芝麻产量稳步上升。从1960年的142万吨增加到2023年的678万吨（图1a）。这代表了369.7%的增幅。这一增长可以归因于对芝麻油需求的增加和改进的农业技术。过去60年来，亚洲一直是世界上主要的芝麻供应国。自2010年以来，非洲已成为最大的生产国，占
生物化学转化
生物质经过化学预处理以去除木质素、分解半纤维素并降低纤维素结晶度。最常用的生物质化学预处理技术包括使用酸、碱性和离子液体的过程。木质纤维素生物质由植物材料制成，包括农业废弃物、木材、草和能源作物，是地球上最丰富的可再生资源。木质纤维素复杂的结构热化学转化
热化学转化是指利用热和化学过程将生物质转化为能源、燃料和有价值的化学品。这种方法的特点是通过受控加热或氧化分解生物质中的复杂有机分子，根据所使用的过程和条件，可以产生固体、液体或气体产品。方法的选择取决于原料特性、所需产品以及工艺条件。
化学转化
当考虑结合种子生物柴油生产和残余生物质热化学转化的集成生物精炼方法时，芝麻生物质利用的一个引人注目的方面出现了。研究表明，芝麻油作为生物柴油原料具有潜力，芝麻生物柴油混合物的燃料效率可达20%，并且其动力输出可与矿物柴油相媲美，同时具有更好的环境性能[91]。Nath等人[92]展示了
技术经济分析
大规模能源生产中使用的废弃物材料的选择主要受原材料的物理和化学性质的影响。与食用油料作物生产的生物柴油不同，芝麻残余物不会与粮食作物竞争，不需要额外的水资源，也不会限制其他生物质的可用性[99]。对各国农业残余物生产（或理论潜力）的评估基于国家作物产量、作物产量等数据
未来展望
芝麻残余物（包括茎秆、壳和壳）的木质纤维素组成表明其适合进行生物化学转化过程。这些材料可能含有大量的纤维素和半纤维素，经过适当的预处理后可以水解成可发酵的糖类。然而，关于各种预处理方法（如稀酸、碱性、蒸汽爆炸或生物预处理）的有效性的具体研究还很少
结论
Sesamum indicum L.农业残余物在各种转化途径中显示出显著的生物精炼应用潜力。初步研究证实了生物乙醇和生物油生产的可行性，以及提取有价值的木脂素和蛋白质的可能性，表明有机会开发出优化这些农业副产品利用的集成生物精炼厂。将芝麻残余物纳入循环生物经济模式
CRediT作者贡献声明
Subramaniyasharma Sivaraman：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、软件、正式分析、数据管理、概念构思。Rangabhashiyam Selvasembian：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、正式分析、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们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
作者感谢SRM大学-AP在以下项目下的财政支持：SRMAP/URG/SEED/2023–2024/021以及东盟-印度合作研发计划在东盟-印度科技发展基金下的支持 -CRD/2024/000712。
