生物质资源的高值化利用是实现“双碳”目标、推动绿色低碳发展的重要途径。玉米秸秆作为我国最丰富的农业废弃物之一，年产超7亿吨，然而由于结构复杂、木质素包裹严重，其转化利用效率长期受限。近日，郑州大学王石垒副研究员提出了一种高固含量碱法预处理+碱黑液（ABL）循环的创新策略，成功破解了玉米秸秆高效转化中的“高水耗、低效率、污染重”三大难题！这项研究不仅提供了一种高效、绿色、低成本的玉米秸秆预处理新策略，也为我国生物质炼制产业的可持续发展提供了有力技术支撑。未来，随着C5糖发酵、木质素高值化等技术的进一步融合，玉米秸秆的“全组分利用”将不再是梦想！

图文解读破解纤维素高效转化的“卡脖子”难题，玉米秸秆迎来“春天”作为地球上最丰富的天然高分子材料，纤维素广泛存在于玉米秸秆、稻壳、麦秸等农业废弃物中，是极具潜力的可再生资源。然而，由于其高度结晶、结构致密、被木质素紧密包裹，纤维素在天然状态下极难被酶解或转化，严重限制了其在能源、材料和化工领域的高值化利用。传统预处理方法，如酸法、碱法、离子液体法等，虽然能在一定程度上打破纤维素的“防御结构”，但往往伴随着高能耗、高水耗、高污染等问题，尤其在“高固含量”条件下，传质受限、抑制物积累、成本飙升，成为制约其规模化应用的“卡脖子”难题。面对这一挑战，郑州大学王石垒副研究员团队提出了一种“高固含量碱法预处理+碱黑液（ABL）循环”的创新策略，不仅显著提升了玉米秸秆的酶解效率，还实现了节水41%、乙醇产量提升3倍的亮眼成绩，为农业废弃物的绿色高值化利用提供了全新路径。

图1. 酶水解对不同预处理条件下玉米秸秆（CS）的影响。预处理过程中氢氧化钠含量（a）与反应时间（b）。室温下“层层剥壳”，碱黑液循环助力纤维素“释放潜能”该研究的核心亮点在于“高固含量+碱液回收”的协同策略。实验以玉米秸秆为原料，在固含量高达66.7%、NaOH用量仅0.15 g/g、室温25°C的条件下进行预处理，并通过碱黑液（ABL）循环使用4次，逐步增强脱木质素效果，最终实现了木质素去除率61.7%、纤维素酶解率70.9%的优异表现。令人惊喜的是，碱黑液并非“废水”，而是具备“二次预处理”能力的活性液体。随着循环次数增加，其中残留的碱性物质和溶解的抑制物不断积累，反而在后续处理中持续发挥作用，进一步破坏秸秆结构，提升酶解效率。实验表明，循环使用4次为最佳平衡点，超过后抑制物浓度升高，反而影响酶活性和发酵效率。此外，研究团队还通过SEM、FTIR、XRD等手段深入分析了预处理前后秸秆的结构变化。结果显示，碱处理有效破坏了木质素的包裹结构，暴露出更多纤维素表面，结晶度指数（CrI）从23.22%提升至41.22%，为后续酶解和发酵创造了有利条件。更重要的是，整个过程无需高温高压，在常温下即可实现高效转化，大幅降低了能耗和设备成本。

图2. 玉米秸秆（CS）、预处理玉米秸秆（对照组）及经ABL循环处理1至8次的预处理玉米秸秆（Rec 1–8）的酶水解效率（a）与糖浓度（b）对比。节水降本、绿色低碳，这一策略让“秸秆变金”成为可能除了高效转化，该策略在节水降本、绿色低碳方面的表现同样亮眼。传统预处理方法每吨玉米秸秆需消耗约170吨水，而采用碱黑液循环策略后，用水量降至100吨，节水高达41%，相当于每吨节省70吨水资源。同时，废水处理成本也从65.75美元/吨降至38.64美元/吨，节省成本27.11美元/吨，经济效益显著。在发酵阶段，采用分步水解与发酵（SHF）工艺，最终乙醇浓度达到20.19 g/L，远高于传统方法的18.93 g/L，且发酵周期更短、效率更高。虽然当前酵母菌株对C5糖（如木糖）的利用能力有限，但研究团队指出，未来可通过引入C5发酵菌株或代谢工程改造，进一步提升整体糖利用率与乙醇产量。更令人期待的是，该策略不仅提升了纤维素转化率，还为木质素和半纤维素的高值化利用提供了可能。例如，溶解在碱黑液中的木质素可用于制备酚醛树脂、活性炭、胶黏剂等高附加值产品；而释放的C5糖则可转化为木糖醇、糠醛、乳酸等绿色化学品，真正实现“全组分利用、零废弃排放”的可持续生物质炼制目标。

图3. 酿酒酵母BY4742的乙醇生物发酵过程。分别对预处理玉米秸秆进行水解和发酵所得的浓度（a）与乙醇产率（b）。总结这项研究不仅突破了高固含量碱法预处理的技术瓶颈，更通过“碱黑液循环”实现了节水、降本、增效的多重目标，为玉米秸秆等农业废弃物的高效、绿色、低成本转化提供了可复制、可推广的解决方案。未来，随着C5糖利用、木质素高值化等关键技术的进一步融合，这一策略有望推动我国生物质炼制产业迈向更高质量、更可持续的发展新阶段。