前沿应用|低场核磁共振技术用于生物乙醇生产工艺评价

背景

生物质能源具有循环利用、减少温室气体排放、减少对化石能源依赖等优点，是一种环保、可持续的能源形式。传统方法以玉米、小麦等粮食作物为原料，占用了粮食资源；欧美国家大规模采用的转基因能源作物，也会占用耕地，且具有潜在生态影响。所以，国内以农林废弃物为原料大规模生产生物乙醇，广泛来源于丰富多样的甘蔗渣、玉米芯、秸秆、芦苇等木质纤维素原料，转化技术不断提高，最具发展前景。

生物质转化为乙醇的步骤主要分为两部分：纤维素水解成糖，糖发酵成乙醇。生物发酵法生产工艺如下图所示[1] 。

近日，国务院印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》（以下简称《方案》）。《方案》提出，积极有序发展以废弃油脂、非粮生物质为主要原料的生物质液体燃料。在此，对于酶解和发酵关键生产工艺，我们特别提出了使用低场核磁技术进行评价的方法，可有效帮助工艺优化。

低场核磁共振技术在糖化工艺中的应用

糖化工艺主要为纤维素糖化过程，需要对生物质原料进行预处理和加酶水解。低场核磁技术通过对生物质原料水解前后进行T2分析，得知不同水分状态水分子的结合模式（短T2的组成水、中T2的固定化水和滞化水，长T2的自由水）^[2]，可用来评价水解的效果。这样就可以对生物质原料的选择（如草本植物、软木和硬木）、预处理方法（汽爆法、酸法等），以及各商品酶进行多维评价，可用来优选工艺 ^[3]。

如下图，为典型植物水分分布图^[4]。

低场核磁共振技术在发酵工艺中的应用

在某些预处理技术中，生物质中的脂质可能会释放到发酵液中。测量油含量有助于评估脂质回收的效率和确定后续的脂质提取步骤^[5]。事实上，发酵过程中需要对发酵液不断监控，传统方法使用萃取技术，但需要使用有机溶剂且费时费力；色谱法则需要对样品进行复杂前处理；近红外法的灵敏度尚难以达到定量要求。采用低场核磁法则可以弥补上述方法的不足 ^[6]。

总结

低场核磁共振技术作为一种绿色无损的评价手段，可连续、快速对样品进行无损分析，适合在生物乙醇生产工艺中的评价，并可拓展至合成生物学领域其他工艺。

参考资料

[1] 2017年我国燃料乙醇工业发展现状分析. 华经情报网, 2017-06-20.

[2] 张欢欢,高飞虎,张玲,等.鲜湿甘薯渣水分相态分布测定及其束水机制分析[J/OL].食品科学: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, João 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] 张亚飞,王泽建,陈中兵,等.一种低场核磁共振技术快速定量检测发酵液油浓度方法[J].中国抗生素杂志,2017,42(08): 673-679.