背景

生物質能源具有循環利用、減少溫室氣體排放、減少對化石能源依賴等優點，是一種環保、可持續的能源形式。傳統方法以玉米、小麥等糧食作物為原料，占用了糧食資源；歐美國家大規模采用的轉基因能源作物，也會占用耕地，且具有潛在生態影響。所以，國內以農林廢棄物為原料大規模生產生物乙醇，廣泛來源于豐富多樣的甘蔗渣、玉米芯、秸稈、蘆葦等木質纖維素原料，轉化技術不斷提高，最具發展前景。

生物質轉化為乙醇的步驟主要分為兩部分：纖維素水解成糖，糖發酵成乙醇。生物發酵法生產工藝如下圖所示[1] 。

近日，國務院印發《推動大規模設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，積極有序發展以廢棄油脂、非糧生物質為主要原料的生物質液體燃料。在此，對于酶解和發酵關鍵生產工藝，我們特別提出了使用低場核磁技術進行評價的方法，可有效幫助工藝優化。

低場核磁共振技術在糖化工藝中的應用

糖化工藝主要為纖維素糖化過程，需要對生物質原料進行預處理和加酶水解。低場核磁技術通過對生物質原料水解前后進行T2分析，得知不同水分狀態水分子的結合模式（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原料的選擇（如草本植物、軟木和硬木）、預處理方法（汽爆法、酸法等），以及各商品酶進行多維評價，可用來優選工藝 ^[3]。

如下圖，為典型植物水分分布圖^[4]。

低場核磁共振技術在發酵工藝中的應用

在某些預處理技術中，生物質中的脂質可能會釋放到發酵液中。測量油含量有助于評估脂質回收的效率和確定后續的脂質提取步驟^[5]。事實上，發酵過程中需要對發酵液不斷監控，傳統方法使用萃取技術，但需要使用有機溶劑且費時費力；色譜法則需要對樣品進行復雜前處理；近紅外法的靈敏度尚難以達到定量要求。采用低場核磁法則可以彌補上述方法的不足 ^[6]。

總結

低場核磁共振技術作為一種綠色無損的評價手段，可連續、快速對樣品進行無損分析，適合在生物乙醇生產工藝中的評價，并可拓展至合成生物學領域其他工藝。

參考資料

[1] 2017年我國燃料乙醇工業發展現狀分析. 華經情報網, 2017-06-20.

[2] 張歡歡,高飛虎,張玲,等.鮮濕甘薯渣水分相態分布測定及其束水機制分析[J/OL].食品科學: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快速定量檢測發酵液油濃度方法[J].中國抗生素雜志,2017,42(08): 673-679.