通过类似绿色农业的预处理方法，并使用可重复利用的肥料，实现对芒草生物质的多级增值利用——生产生物乙醇、乳酸和纳米材料

《Renewable Energy》：Cascading valorization of Miscanthus biomass for bioethanol, lactic acid and nanomaterials via green-like pretreatment with reusable fertilizers

鬃毛竹通过绿色碱性盐预处理（10% K3PO4，121℃/0.1MPa/2.5h）实现木质素高效去除（67%），显著提升纤维素酶解效率（81%葡萄糖产率），生物乙醇（7.81 g/L）和乳酸（20.19 g/L）产量分别达28%和68%。酶解残渣制备纤维素纳米纤维（CNFs），预处理液提取木质素纳米颗粒（LNPs），经吐温80交联形成高吸附复合材料（最大Langmuir容量59.52 mg/g）。研究建立闭环生物精炼模式，实现生物质全组分高值化利用。

　　

高冰|余俊生|罗玲|朱磊|唐宗泰|王永泰|康家成|孙丹|彭浩|王彦婷|彭亮才|余华

发酵工程重点实验室（教育部），工业微生物学湖北省重点实验室，国家“111”细胞调控与分子药理学中心，生物质与生物能源研究中心，湖北工业大学生命与健康科学学院，武汉430068，中国

摘要

芒草提供了多种可转化为可持续生物燃料和有价值生物产品的木质纤维素原料。然而，由于木质纤维素的难降解性，需要一种成本效益高且环保的策略来实现生物质的最大化利用并尽量减少生物质损失。在本研究中，首次探索了一种类似绿色的预处理方法，用于两种不同的芒草品种（M. lutarioriparius/Mlu10和M. sacchariflorus/Msa21），使用可重复使用的作物肥料（K₃PO₄、K₂CO₃）。在最佳预处理条件下（10% K₃PO₄，2.5小时），芒草的木质素去除率达到了67%，同时木质纤维素的孔隙率显著增加了2.6-4.5倍。这些结构上的改进显著提高了生物质的酶法糖化效率，使得81%的纤维素转化为己糖（14.39 g/L），进而提高了酵母和细菌的发酵效果，分别产出了28%的生物乙醇（7.81 g/L）和68%的乳酸（20.19 g/L，基于纤维素的质量）。此外，未消化的木质纤维素残渣被用于制备纤维素纳米纤维（CNFs），而预处理液的上清液则用于生成木质素纳米颗粒（LNPs）。值得注意的是，CNFs和LNPs通过Tween-80成功整合，形成了理想的生物吸附剂，其对亚甲蓝的最大吸附容量达到了59.52 mg/g。质量平衡分析表明，Msa21更适合用于基于糖的生物转化，而Mlu10则更适合用于材料导向的增值利用。因此，本研究展示了一种高效的策略，能够从不同的芒草品种中生产生物乙醇和乳酸，并有效生成功能性生物吸附剂。

引言

芒草因其高生物质产量、出色的光合作用效率和广泛的环境适应性，已成为可再生能源和生物基材料的有前景的原料[1]，[2]。其快速的生长周期和强大的碳封存能力使其成为生物乙醇生产、热化学转化和其他清洁能源应用的可持续来源[3]，[4]。此外，其发达的根系和显著的耐逆性使其在土壤修复和生态恢复方面具有应用潜力[5]，[6]。这些特性共同使芒草成为构建集成生物精炼平台的理想模型，旨在将木质纤维素生物质转化为包括生物乙醇、生物化学品和生物产品在内的多种高附加值产品，从而实现可持续性[7]，[8]。

然而，木质纤维素生物质的固有难降解性——由于纤维素、半纤维素和木质素紧密交联的网络结构——严重限制了酶的渗透性和催化效率[9]，[10]。因此，有效的预处理对于克服这些结构障碍并释放芒草的全部生物转化潜力至关重要[11]，[12]。在各种预处理方法中[13]，[14]，碱性预处理（例如NaOH、K₃PO₄、NaCO₃）[15]因其高效的脱木质素和纤维素保护作用而被广泛采用[16]。为了促进更绿色和可持续的过程，像磷酸钾（K₃PO₄）和碳酸钾（K₂CO₃）这样的环保碱性盐受到了越来越多的关注[17]。这些盐不仅提供了适度的碱度和高效的脱木质素效果[18]，还能实现钾的回收和再利用，符合循环经济的原则[19]。

尽管预处理技术取得了显著进展，但大多数生物精炼厂仍然采用线性利用模式[20]，导致资源利用不充分。酶水解后的残渣通常富含结晶纤维素[21]，而预处理液中溶解的木质素往往被视为废弃物[22]，其潜在功能被大大低估[23]。特别是，木质素独特的芳香骨架和丰富的官能团使其成为先进功能性材料的有希望的前体[24]。超越传统的线性模式[25]，通过绿色交联策略将木质素纳米颗粒（LNPs）与纤维素纳米纤维（CNFs）结合，可以制造出具有分层多孔结构的高性能复合材料[26]，从而扩展了生物质的价值链并推动了整体生物精炼的发展。

在此背景下，本研究旨在建立一种闭环生物精炼模式，以实现芒草的所有组分的全面增值利用[27]。通过选择两种代表性的芒草品种（Mlu10和Msa21），本研究系统地评估了在121°C（0.1 MPa）下使用K₃PO₄和K₂CO₃进行2.5小时的类似绿色预处理的效果，并确定了生物质的酶法糖化和发酵性能，以生产生物乙醇和乳酸[28]，[29]。本工作的关键创新在于预处理副产品的下游增值利用：从预处理液中回收的木质素纳米颗粒与酶解残渣中的纤维素纳米纤维共同组装，制备出高性能的生物基吸附剂[30]。这一策略不仅提高了主要生物产品（生物燃料和平台化学品）的产量，还将副产品转化为高附加值材料，为木质纤维素生物质的高价值利用提供了新的理论框架和实践方法，同时减少了残留物的释放[31]。

部分摘录

生物质样品的收集

从芒草资源库中选择了四种芒草（Mlu10、Msa21、Msa22和Msa32），并在华中农业大学（武汉）的实验田中在统一的农艺条件下进行栽培。收集了所有成熟的植物组织，并去除了叶片和枝条。茎秆在60°C下干燥后使用粉碎机（QE-300）进行研磨[32]。研磨后的粉末通过40目筛子（0.425 mm × 0.425 mm）筛选，然后放入烤箱中

优化绿色碱性盐预处理以实现高效糖化

为了建立高效的芒草生物质糖化平台，首先筛选并表征了四种芒草品种（Mlu10、Msa21、Msa22和Msa32）的初始细胞壁组成。分析显示品种间的组成存在显著差异（图S1），纤维素含量范围为33.26%至43.25%，其中Mlu10和Msa22之间的差异最为明显。四种品种的木质素含量介于21.30%至23.37%之间

结论

本研究旨在探索一种绿色且集成的芒草生物质生物精炼方法，以实现可发酵糖类、生物燃料、有机酸和功能性材料的高产。总体而言，绿色碱性盐预处理（10%，121°C，0.1MPa，2.5小时）能够最大程度地去除木质素（67.2%），显著增加木质纤维素的孔隙率并减少纤维素的聚合，从而显著提高了两种芒草品种（Msa21、Mlu10）的生物质酶法糖化效率

CRediT作者贡献声明

彭浩：软件、方法学、研究。孙丹：软件、方法学、研究。康家成：撰写 – 审稿与编辑、研究。王永泰：撰写 – 审稿与编辑、研究。唐宗泰：撰写 – 初稿、方法学、研究。朱磊：撰写 – 初稿、方法学、研究。罗玲：撰写 – 初稿、方法学、研究。余俊生：撰写 – 初稿、方法学、研究。余华：撰写 – 审稿与

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

本研究得到了国家自然科学基金（32500325、3247027）、湖北省自然科学基金优秀青年科学家项目（2024AFA100）、湖北工业大学博士研究启动基金（XJ2024000402）以及湖北工业大学高层次人才计划（GCC20230001）的支持。