甲醇钠和甘油预处理对小麦秸秆的协同效应，以实现高效的酶法糖化

《Bioresource Technology》：Synergistic effects of sodium methoxide and glycerol pretreatment on wheat straw for efficient enzymatic saccharification

协同钠甲氧基-甘油预处理优化及小麦秸秆酶解产糖机理研究，通过响应面法确定1.24-1.25% CH3ONa、124℃、60min条件，实现17.64g/L糖浓度和0.4927g/g产率，结构表征证实选择性降解木质素/半纤维素同时保留纤维素I结晶结构。

　　

吕晓静|庄晨柔|程兴刚|李江涛

中国广东省广州市中凯农业工程学院天然产物化学研究所，邮编510225

摘要

在温和条件下进行有效的预处理对于降低木质纤维素的抗性同时保持较高的糖产量至关重要。本研究系统地研究并优化了甲醇钠（CH₃ONa）-甘油协同预处理方法，以最大化小麦秸秆中还原糖的产量。首先通过单因素实验考察了关键预处理参数（包括CH₃ONa浓度、预处理温度和预处理时间）的影响，随后利用响应面法进行了优化。在最佳条件下（CH₃ONa浓度为1.24–1.25%，温度约为124°C，时间60分钟），预处理后的小麦秸秆实现了17.64克/升的总还原糖浓度和0.4927克/克原料的总还原糖产量，这突显了基于产量的评估方法的重要性，该方法将酶解消化性与固体回收率相结合。综合结构分析和物理化学分析（包括扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、热重分析和差示扫描量热法）表明，CH₃ONa-甘油体系选择性地去除了半纤维素和木质素，同时保留了天然纤维素I的晶体结构。酶解糖化的性能提升归因于有效的基质分解和纤维素可及性的提高，这抵消了由于优先去除无定形组分而导致的结晶度增加。总体而言，这些发现表明CH₃ONa-甘油预处理是一种有效、协同且以产量为导向的策略，能够在相对温和的条件下提高小麦秸秆的酶解糖化效率，显示出其在木质纤维素生物精炼应用中的巨大潜力。

引言

将木质纤维素生物质高效转化为可发酵糖仍然是发展可持续生物精炼工艺的主要挑战，这主要是由于植物细胞壁的固有抗性（Chakraborty等人，2024年）。木质纤维素的层次结构中，纤维素微纤丝紧密嵌入木质素-半纤维素基质中，严重限制了酶的渗透性和物质传递，使得预处理成为酶解糖化之前的必要步骤（Sun等人，2023年）。尽管已经开发了多种传统的预处理技术（如稀酸、碱处理、蒸汽爆炸和氧化工艺）来克服生物质的抗性，但其大规模应用往往受到设备腐蚀、产生过多废水、抑制剂形成、安全问题以及总体处理成本高等缺点的限制（Pereira等人，2025年）。因此，在温和条件下开发既有效又实际可行的预处理策略仍然是木质纤维素生物精炼研究的核心重点（Sheraz等人，2025年）。

近年来，高沸点和低挥发性的溶剂体系作为替代预处理介质受到了越来越多的关注，因为它们可以降低挥发性有机溶剂带来的安全风险，并便于溶剂的回收（Schweiger等人，2025年）。其中，甘油因其低毒性、高沸点以及作为生物柴油和油脂化工副产品的丰富可用性而特别具有吸引力，基于甘油的有机溶剂预处理已被证明可以通过促进木质素去除和生物质基质松散来提高酶解水解性（Sun等人，2022年）。然而，当甘油单独用作预处理介质时，在温和条件下的分解效率通常较低，表明需要额外的催化增强才能实现高糖产量和可接受的固体回收率（Long等人，2025年）。

解决这一限制的一个有效策略是引入工业上已成熟的催化成分。在这方面，甲醇钠（CH₃ONa）作为一种广泛用于生物柴油生产的酯交换催化剂，提供了强碱性和催化性的环境，并且可以在工业规模上容易获得（Namwong和Punsuvon，2016年）。与传统的水基碱体系相比，CH₃ONa能够促进木质素-碳水化合物酯和醚键的断裂，其与高沸点溶剂（如甘油）的结合有望增强溶剂的渗透性、木质素的溶解性和基质的破坏，从而在相对温和的预处理条件下提高纤维素的可及性（Song等人，2024年）。与这一假设一致，我们之前的研究表明，CH₃ONa-甘油预处理显著提高了甘蔗渣的酶解糖化效率，优于仅使用甘油或仅使用碱的处理方法，表明甘油不仅是一种温和的溶剂，而且在适当条件下还是促进碱辅助生物质分解的有效催化剂（Lv等人，2018年）。

尽管取得了这些有希望的结果，但CH₃ONa-甘油预处理方法在其他丰富的农业残留物中的适用性以及影响糖释放的原料依赖性结构-功能关系仍需进一步探索。小麦秸秆是全球最广泛可获得的农业残留物之一，是木质纤维素生物精炼的理想低成本原料（Bian等人，2022年）。然而，其紧密的基质结构和与木质素相关的非生产性酶相互作用仍然对高效的酶解糖化构成了显著障碍，因此需要有效的预处理策略来平衡结构分解和碳水化合物的保留（Godin等人，2016年）。

在此背景下，本研究系统评估了CH₃ONa-甘油预处理对小麦秸秆酶解糖化的效果，特别关注最大化总还原糖产量而非仅仅糖浓度。首先考察了关键预处理参数的影响，然后利用响应面法进行工艺优化，以确定在温和条件下的最佳操作范围。此外，还进行了全面的结构和物理化学表征，以阐明糖化效果改善背后的结构-功能关系。通过关联预处理强度、结构变化和糖产量，本研究提供了基于产量和机制支持的CH₃ONa-甘油体系的评估，突显了其在实际木质纤维素生物精炼应用中的潜在价值。

材料

本研究使用小麦秸秆（WS）作为木质纤维素原料。该生物质来自中国江苏省连云港市的农田，并通过电商平台购买。首先用剪刀将其剪成小块，然后使用研磨机进一步粉碎。经过筛分后，获得粒径在100至200目之间的颗粒，用于预处理实验。未经处理的小麦秸秆的主要结构组分包括...

CH₃ONa-甘油预处理参数对小麦秸秆糖化的影响

为了评估CH₃ONa浓度在CH₃ONa-甘油预处理中的作用，小麦秸秆（WS）在120°C下用浓度为0–1.6%（w/w）的CH₃ONa和甘油预处理1小时，随后进行酶解。预处理效果通过总还原糖浓度（TRSC，克/升）和总还原糖产量（TRSY，克/克原料）来评估。值得注意的是，TRSY是一个更具经济意义的指标，因为它量化了“每克”原料的可发酵糖产量...

结论

本研究证明，CH₃ONa-甘油预处理是一种有效且稳健的策略，能够在相对温和的条件下提高小麦秸秆的酶解糖化效率。与未经处理和仅用水基CH₃ONa处理的样品相比，CH₃ONa-甘油体系实现了显著更高的还原糖浓度，更重要的是，糖产量高达0.4927克/克原料，这突显了基于产量的评估方法的优势，该方法将酶解消化性与...

CRediT作者贡献声明

吕晓静：撰写——原始草稿、可视化、方法学设计、实验实施、资金获取、数据分析、概念构建。庄晨柔：撰写——审稿与编辑、实验实施。程兴刚：撰写——审稿与编辑、资源协调。李江涛：撰写——审稿与编辑、监督工作、资金获取。

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的研究结果。

致谢

作者感谢广东省基础与应用基础研究基金会（2022A1515110481）、广东省教育厅特色创新项目（2025KTSCX049）、广州市基础与应用基础研究基金会（2023A04J0739）和广州市基础与应用基础研究基金会（2024A04J4915）的财政支持。