通过酶法生产可发酵糖类并合成基于木质素的酚醛树脂胶粘剂，实现玉米芯的全组分价值化利用

《ACS Sustainable Resource Management》：Full-Component Valorization of Corncob by Enzymatic Production of Fermentable Sugars and Synthesis of Lignin-Based Phenolic Formaldehyde Adhesives

　　玉米秸秆通过酸预处理和酶解转化为发酵性糖类及木质素基酚醛树脂（LPFA），验证了农业废弃物资源化利用的可持续性。

　　在农业废弃物的资源化利用领域，玉米芯作为一种常见且丰富的原料，因其高纤维素、半纤维素和木质素含量，展现出良好的应用潜力。传统上，玉米芯多被直接燃烧用于供热，这不仅浪费了资源，还对环境造成了污染。因此，探索玉米芯的高附加值利用方式，对于实现农业废弃物的可持续转化具有重要意义。本研究通过一系列工艺步骤，成功将玉米芯转化为可发酵糖和木质素基酚醛树脂胶黏剂（LPFA），从而实现了玉米芯的全面资源化利用。这一过程不仅提高了玉米芯的经济价值，还为环保和可持续发展提供了可行的路径。

玉米芯的资源化利用过程主要包括两个关键环节：一是通过稀酸预处理和酶解技术提取可发酵糖，二是利用酶解木质素（EHL）作为原料，经过酚化处理合成LPFA。在预处理阶段，玉米芯在140°C下处理25分钟，采用0.2%（质量分数）的硫酸作为预处理液，与玉米芯的比例为6:1（体积/质量）。这一预处理步骤显著提高了后续酶解的效率，使得半纤维素被有效转化为木糖，而纤维素则被部分转化为葡萄糖。数据显示，经过预处理的玉米芯中，纤维素的去除率约为8.3%，半纤维素的去除率高达88.4%，木质素的去除率则为17.7%。这种高效的预处理方法不仅保留了玉米芯中大部分可利用成分，还有效减少了处理过程中产生的有害副产物，如乙酸和糠醛，这些物质可能对后续微生物发酵过程产生抑制作用。

在酶解阶段，研究人员通过调节酶的添加量，优化了纤维素的转化效率。实验结果表明，当酶的添加量为10 FPU/g时，纤维素的转化率达到75%，此时每吨预处理玉米芯可产生约750 kg的葡萄糖。随着酶添加量的增加，转化率虽有所提升，但增幅逐渐减小，最终在35 FPU/g时达到83%的转化率，对应的葡萄糖产量为840 kg。这说明在酶解过程中，酶的添加量并非越多越好，而是在一定范围内达到最佳效果。此外，研究人员还发现，酶解过程中未被完全转化的葡萄糖可能是由于玉米芯中存在部分非结构化的葡萄糖，或者是酶解条件未能完全分解所有纤维素成分所致。

在合成LPFA的过程中，EHL经过酚化处理后，与甲醛在70°C下反应，形成具有高粘结强度的酚醛树脂胶黏剂。酚化处理通过引入更多的酚羟基，提高了EHL的反应活性，使其能够更有效地与甲醛进行缩聚反应，从而形成具有三维网络结构的胶黏剂。实验数据显示，3:1-LPFA的粘结强度达到3.0 MPa，远高于传统酚醛树脂胶黏剂的最低标准0.7 MPa（ASTM D5868-01）。这一结果表明，通过酚化处理，EHL的性能得到了显著提升，能够满足工业应用的需求。

同时，研究人员对LPFA中的游离酚和游离甲醛含量进行了分析。结果显示，3:1-LPFA的游离酚含量为0.19%，游离甲醛含量为0.15%，均低于工业安全标准（<1.0%和<0.3%）。这表明，尽管LPFA中含有一定量的游离酚和游离甲醛，但其含量控制在可接受范围内，不会对环境或人体健康造成显著危害。此外，LPFA的固含量为35%（质量/质量），这一特性使其在实际应用中具有良好的加工性能和稳定性。

从生命周期的角度来看，该工艺具有较高的工业可行性。通过将农业废弃物转化为可发酵糖和胶黏剂，不仅减少了对化石资源的依赖，还降低了废弃物的排放。稀酸预处理和酶解步骤在相对温和的条件下进行，能耗较低，且产生的副产物较少，符合绿色化学的原则。同时，使用EHL代替传统酚醛树脂中的酚，可以减少碳排放和生产成本，进一步推动可持续发展。

本研究还探讨了不同固液比对LPFA性能的影响。数据显示，当固液比为3:1时，LPFA的粘结强度达到最佳值，而随着固液比的增加，粘结强度有所下降。这表明，在酚化处理过程中，固液比的优化对于提升胶黏剂性能至关重要。此外，不同固液比对LPFA的产量也产生了影响，其中3:1-LPFA的产量最高，进一步验证了该工艺的可行性。

综上所述，本研究通过整合稀酸预处理、酶解和酚化处理技术，成功实现了玉米芯的全面资源化利用。这一方法不仅提高了玉米芯的经济价值，还为农业废弃物的可持续转化提供了新的思路。同时，该工艺在环境友好性和资源效率方面表现出色，具有良好的应用前景。未来，随着技术的进一步优化和推广，玉米芯的资源化利用有望成为农业废弃物处理的重要方向，为实现绿色经济和可持续发展做出更大贡献。