背景

生物質(zhì)能源具有循環(huán)利用、減少溫室氣體排放、減少對化石能源依賴等優(yōu)點，是一種環(huán)保、可持續(xù)的能源形式。傳統(tǒng)方法以玉米、小麥等糧食作物為原料，占用了糧食資源；歐美國家大規(guī)模采用的轉(zhuǎn)基因能源作物，也會占用耕地，且具有潛在生態(tài)影響。所以，國內(nèi)以農(nóng)林廢棄物為原料大規(guī)模生產(chǎn)生物乙醇，廣泛來源于豐富多樣的甘蔗渣、玉米芯、秸稈、蘆葦?shù)饶举|(zhì)纖維素原料，轉(zhuǎn)化技術(shù)不斷提高，最具發(fā)展前景。

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的步驟主要分為兩部分：纖維素水解成糖，糖發(fā)酵成乙醇。生物發(fā)酵法生產(chǎn)工藝如下圖所示[1] 。

近日，國務(wù)院印發(fā)《推動大規(guī)模設(shè)備更新和消費品以舊換新行動方案》（以下簡稱《方案》）。《方案》提出，積極有序發(fā)展以廢棄油脂、非糧生物質(zhì)為主要原料的生物質(zhì)液體燃料。在此，對于酶解和發(fā)酵關(guān)鍵生產(chǎn)工藝，我們特別提出了使用低場核磁技術(shù)進(jìn)行評價的方法，可有效幫助工藝優(yōu)化。

低場核磁共振技術(shù)在糖化工藝中的應(yīng)用

糖化工藝主要為纖維素糖化過程，需要對生物質(zhì)原料進(jìn)行預(yù)處理和加酶水解。低場核磁技術(shù)通過對生物質(zhì)原料水解前后進(jìn)行T2分析，得知不同水分狀態(tài)水分子的結(jié)合模式（短T2的組成水、中T2的固定化水和滯化水，長T2的自由水）^[2]，可用來評價水解的效果。這樣就可以對生物質(zhì)原料的選擇（如草本植物、軟木和硬木）、預(yù)處理方法（汽爆法、酸法等），以及各商品酶進(jìn)行多維評價，可用來優(yōu)選工藝 ^[3]。

如下圖，為典型植物水分分布圖^[4]。

低場核磁共振技術(shù)在發(fā)酵工藝中的應(yīng)用

在某些預(yù)處理技術(shù)中，生物質(zhì)中的脂質(zhì)可能會釋放到發(fā)酵液中。測量油含量有助于評估脂質(zhì)回收的效率和確定后續(xù)的脂質(zhì)提取步驟^[5]。事實上，發(fā)酵過程中需要對發(fā)酵液不斷監(jiān)控，傳統(tǒng)方法使用萃取技術(shù)，但需要使用有機(jī)溶劑且費時費力；色譜法則需要對樣品進(jìn)行復(fù)雜前處理；近紅外法的靈敏度尚難以達(dá)到定量要求。采用低場核磁法則可以彌補(bǔ)上述方法的不足 ^[6]。

總結(jié)

低場核磁共振技術(shù)作為一種綠色無損的評價手段，可連續(xù)、快速對樣品進(jìn)行無損分析，適合在生物乙醇生產(chǎn)工藝中的評價，并可拓展至合成生物學(xué)領(lǐng)域其他工藝。

參考資料

[1] 2017年我國燃料乙醇工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析. 華經(jīng)情報網(wǎng), 2017-06-20.

[2] 張歡歡,高飛虎,張玲,等.鮮濕甘薯渣水分相態(tài)分布測定及其束水機(jī)制分析[J/OL].食品科學(xué):1-11[2024-05-21].

[3] Tatiane S. Bianquini, Camila Florencio, Rodrigo Henrique dos Santos Garcia, Luiz Alberto Colnago, Sandra R. Ceccato-Antonini, Marcelo Carmo, Jo?o Teles, Cristiane S. Farinas, Tatiana S. Ribeiro,Time domain NMR spectroscopy as a fast method for probing the efficiency of biomass pretreatments for second generation ethanol production,Biomass and Bioenergy,Volume 142,2020,105734,ISSN 0961-9534.

[4] Hui Wang, Xingyi Li, Jun Wang, Sriram K. Vidyarthi, Haiou Wang, Xin-Gui Zhang, Lei Gao, Kai-Wen Yang, Jing-Shou Zhang, Hong-Wei Xiao,Effects of postharvest ripening on water status and distribution, drying characteristics, volatile profiles, phytochemical contents, antioxidant capacity and microstructure of kiwifruit (Actinidia deliciosa),Food Control,Volume 139,2022,109062,ISSN 0956-7135.

[5] Maitra, Shraddha & Long, Stephen & Singh, Vijay. (2022). Optimizing Chemical-Free Pretreatment for Maximizing Oil/Lipid Recovery From Transgenic Bioenergy Crops and Its Rapid Analysis Using Time Domain-NMR. Frontiers in Energy Research.

[6] 張亞飛,王澤建,陳中兵,等.一種低場核磁共振技術(shù)快速定量檢測發(fā)酵液油濃度方法[J].中國抗生素雜志,2017,42(08): 673-679.