Enhanced enzymatic digestibility of steam-exploded short rotation hardwood species Betula pendula and its potential for lactic acid production
蒸汽爆破预处理短轮伐硬木树种垂枝桦的酶解消化率提升及其乳酸生产潜力
来源：Journal of Cleaner Production 494 (2025) 145042
论文整体总结
本研究发表于《Journal of Cleaner Production》期刊，针对全球对化石基产品的依赖与生物基可降解材料的产业需求，首次系统探究了可在边际土地种植的短轮伐硬木垂枝桦（Betula pendula）作为木质纤维素原料，通过生物转化工艺生产聚乳酸核心单体 L - 乳酸的可行性。研究采用优化的硫酸催化蒸汽爆破工艺对垂枝桦生物质进行预处理，显著打破了木质纤维素的抗降解屏障，在低固含酶解中实现了纤维素 96.2%、木聚糖近 96% 的转化率；通过工艺优化，在 20% 高固含条件下经转鼓式生物反应器酶解 48h，获得了总糖浓度近 114g/L 的水解液，是目前已报道的桦木原料酶解最高糖浓度之一。研究利用芬兰 Bioscreen C 微生物生长读数仪完成了 4 株凝结海因德里克氏菌（Heyndrickxia coagulans）的高通量筛选，获得了可耐受未脱毒水解液的优势菌株，最终通过实验室分批发酵实现了 88.8g/L 的 L - 乳酸产量，光学纯度达 99.4%，基于总单糖的产率为 0.923g/g，平均生产效率 1.92g/(L・h)。本研究建立了垂枝桦从原料到乳酸的全流程转化工艺，完成了全流程质量衡算，证实了该短轮伐硬木作为非粮生物质原料生产高纯度乳酸的优异潜力，为生物基聚乳酸产业提供了可持续的原料解决方案与工艺路径，对推动木质纤维素生物炼制与循环经济发展具有重要意义。
1. 论文摘要
本研究聚焦专用木本作物生物质作为木质纤维素基原料生产乳酸等生物基产品的应用潜力，首次探究了硬木树种垂枝桦生物质通过蒸汽爆破预处理、酶解糖化、糖液乳酸发酵的全流程转化工艺。研究发现，与原料相比，经蒸汽爆破预处理的垂枝桦生物质组分发生显著变化，酶解消化率得到大幅提升；在 5%（w/v）低固含酶解实验中，纤维素和木聚糖的酶解转化率最高分别达到 96.2% 和近 96%。在 15% 和 20%（w/w）固含下优化酶用量后，在高固含生物反应器中成功完成酶解反应，48h 酶解后糖液总糖浓度接近 113g/L，可直接用于后续乳酸发酵。蒸汽爆破技术对垂枝桦生物质的预处理适配性优异，其碳水化合物转化率与最终糖浓度远优于其他已报道的硬木树种。本研究利用凝结海因德里克氏菌 DSM 2314，最终实现了 88.8g/L 的乳酸产量，基于总单糖的产率为 0.923g/g，平均生产效率达 1.92g/(L・h)。上述优异的发酵结果，证实了垂枝桦生物质生产乳酸具有良好的应用前景。
2. 论文关键词
Betula pendula、Lactic acid、Enzymatic digestibility、Lignocellulose、Steam explosion、Heyndrickxia coagulans;垂枝桦、乳酸、酶解消化率、木质纤维素、蒸汽爆破、凝结海因德里克氏菌
3. 研究目的
首次系统探究短轮伐硬木垂枝桦生物质通过生物转化工艺生产高光学纯度 L - 乳酸的可行性，填补该树种在乳酸生物炼制领域的研究空白，拓展非粮木质纤维素原料的来源。
评估硫酸催化蒸汽爆破预处理对垂枝桦木质纤维素结构的解构效果，验证该技术对原料酶解消化率的提升作用，明确预处理后固液两相的组分分布与糖回收率。
优化垂枝桦预处理物料的高固含酶解工艺参数，突破高固含下酶解效率下降的行业痛点，实现高浓度可发酵糖的稳定制备，为高滴度乳酸发酵奠定底物基础。
筛选可耐受木质纤维素水解液中抑制物的凝结海因德里克氏菌菌株，实现未经脱毒处理的水解液高效发酵生产 L - 乳酸，明确最优菌株的发酵性能与工艺参数。
建立垂枝桦生物质 “蒸汽爆破 - 酶解糖化 - 乳酸发酵” 全流程的质量衡算，评估该工艺的转化效率与规模化应用潜力，为边际土地短轮伐林木的高值化利用提供理论支撑与数据依据。
4. 研究思路
第一步：原料预处理与基础组分表征。对垂枝桦生物质进行风干、粉碎、筛分分级，选取粗组分作为实验原料，分析其干基化学组成；采用前期优化的蒸汽爆破工艺（205℃、5min、30mg H₂SO₄/g 生物质）对原料进行预处理，分离得到水不溶性固体（WIS）与预水解液，分析两相组分分布，计算葡萄糖、木糖的总回收率，通过低固含酶解实验评估预处理效果。
第二步：高固含酶解工艺优化与放大。以预处理后的固体物料为底物，设置 15%、20%（w/w）两种固含，20、40 FPU/g 纤维素两种酶用量，开展摇瓶酶解实验，监测 24h、48h、72h 的纤维素与木聚糖转化率，筛选最优酶解工艺参数；基于最优参数，在转鼓式生物反应器中开展高固含酶解放大实验，制备高糖浓度的酶解液，用于后续菌株筛选与发酵实验。
第三步：产乳酸菌株的高通量筛选。利用芬兰 Bioscreen C 微生物生长读数仪，对 4 株凝结海因德里克氏菌菌株，在不同来源、不同浓度的酶解液中进行 48h 连续培养，以 OD₆₀₀值为核心指标，实时监测菌株生长曲线，筛选出对水解液抑制物耐受性强、生长性能优异的优势菌株，同时对比不同酶解液对菌株生长的适配性。
第四步：实验室规模发酵性能验证。在全自动 pH 调控生物反应器中，对筛选出的优势菌株开展 50% 稀释与未稀释酶解液的分批发酵实验，全程监测乳酸生成量、单糖消耗速率、发酵液 pH 变化，最终检测乳酸最大浓度、光学纯度、基于葡萄糖和总单糖的产率、平均生产效率，对比不同菌株的发酵性能，确定最优发酵菌株与工艺条件。
第五步：全流程质量衡算与可行性评估。基于预处理、酶解、发酵各环节的最优工艺与转化效率，建立 100kg 干基垂枝桦生物质全流程转化的质量衡算，量化原料到产品的总转化效率，分析工艺的规模化应用潜力，明确后续优化方向。
第六步：结果整合与结论总结。综合全流程实验数据，验证垂枝桦生物质生产 L - 乳酸的可行性，对比同类研究的技术指标，明确该工艺的核心优势，总结研究结论，为该技术的后续开发与工业化应用提供完整的理论与数据支撑。
5. 研究亮点
原料创新与可持续性优势：首次将可在边际酸性土壤种植的短轮伐硬木垂枝桦作为乳酸生产的木质纤维素原料，填补了该树种在生物炼制领域的研究空白；该原料不与粮食作物竞争耕地，兼具边际土地生态修复与生物质生产双重价值，为生物基化学品产业提供了可持续的非粮原料解决方案。
预处理工艺的高效适配性：验证了硫酸催化蒸汽爆破对垂枝桦的优异解构效果，实现了纤维素总回收率 99%，低固含下纤维素和木聚糖酶解转化率分别达 96.2% 和 96%，较原料转化率提升近 20 倍，效果远优于同类硬木树种，彻底打破了木质纤维素的抗降解屏障。
高固含酶解的技术突破：在 20% 高固含条件下，通过转鼓式生物反应器实现了 48h 酶解总糖浓度近 114g/L，是目前已报道的桦木原料酶解的最高糖浓度之一，无需额外浓缩步骤即可满足高滴度乳酸发酵的底物要求，大幅降低了工艺能耗与成本。
菌株筛选与发酵工艺的高效性：基于 Bioscreen C 建立了高通量菌株筛选体系，获得了可耐受未脱毒水解液的凝结海因德里克氏菌 DSM 2314 菌株，无需脱毒处理即可实现高效发酵，最终获得 88.8g/L 的 L - 乳酸，光学纯度达 99.4%，满足聚乳酸聚合级要求；其产率、生产效率等核心指标优于多数已报道的木本原料乳酸发酵研究，同时规避了脱毒步骤带来的工艺复杂化与成本增加。
全流程工艺的可规模化性：建立了从垂枝桦原料到乳酸产品的完整 “蒸汽爆破 - 高固含酶解 - 分批发酵” 全流程工艺，各单元均已具备工业化应用基础；完成了全流程质量衡算，100kg 干基原料可产 26kg 乳酸，基于原料中潜在葡萄糖的产率达 88.9%，为技术的规模化放大提供了完整的数据支撑。
工艺联动优化的研究范式：通过菌株生长性能的高通量检测，反向验证了不同酶解工艺对底物品质的影响，明确了转鼓式酶解液在发酵适配性上的优势，实现了 “酶解 - 发酵” 工艺的联动优化，为木质纤维素生物炼制的工艺开发提供了可复制的研究范式。
6. 可延伸的研究方向
全流程工艺参数的深度优化：进一步优化蒸汽爆破预处理的温度、保压时间、酸用量等参数，减少糖降解产物生成，提升木糖总回收率；优化高固含酶解的酶制剂复合配方、表面活性剂种类与用量，降低纤维素酶用量，缩短酶解时间，进一步提升工艺经济性。
发酵工艺的升级与规模化放大：开展分批补料发酵、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）工艺研究，进一步提升乳酸滴度、产率与生产效率；开展中试规模放大实验，验证工艺在规模化生产中的稳定性与重复性，明确工艺的统计变异性。
原料全组分的高值化利用：本研究仅利用了蒸汽爆破后的固体纤维素组分，预处理产生的预水解液中含有大量木糖与低聚糖，可开发预水解液的脱毒与发酵工艺，实现五碳糖的高效乳酸转化；同时分离提纯副产物木质素，开发木质素基高值化产品，构建垂枝桦全组分利用的集成生物炼制体系，提升整体经济效益。
发酵低成本氮源的替代开发：针对发酵过程中添加的酵母提取物，开发玉米浆、麸皮水解液、酒糟等农业副产物作为低成本氮源，替代昂贵的酵母提取物，进一步降低乳酸生产成本。
菌株的定向改造与性能提升：对优势凝结海因德里克氏菌菌株进行适应性进化与代谢工程改造，进一步提升其对木质纤维素抑制物的耐受性、五碳糖共利用效率、乳酸生产速率与光学纯度，适配未脱毒高浓度水解液的发酵需求。
全生命周期与技术经济性评价：开展垂枝桦种植、原料收集、预处理、酶解、发酵到产品纯化全流程的技术经济性分析与生命周期评价（LCA），量化工艺的环境效益与经济成本，明确工业化应用的瓶颈与优化路径。
下游产品产业链的衔接开发：优化乳酸的提取纯化工艺，制备聚乳酸聚合级高纯度 L - 乳酸，验证该工艺生产的乳酸在聚乳酸合成中的适用性，打通从木质纤维素原料到生物可降解塑料的全产业链路径。
7. 测量数据、研究意义及对应图表
垂枝桦原料的基础化学组成数据：测定了干基原料中提取物、纤维素、半纤维素（木糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖）、乙酰基、木质素（酸不溶 / 酸溶）、灰分的质量占比，每组设置 3 次重复。研究意义：明确了垂枝桦的原料组分特征，其总碳水化合物含量约 49%，木质素含量约 30%，证实了该原料作为生物炼制原料的潜力，为后续预处理工艺设计、糖回收率计算提供了基准数据。数据来自Table 1。
蒸汽爆破预处理的效果与组分分布数据：测定了预处理后固体（WIS）和预水解液的组分含量，计算了葡萄糖、木糖的总回收率，以及低固含下纤维素和木聚糖的酶解转化率。研究意义：量化了蒸汽爆破对垂枝桦的解构效果，证实预处理实现了 95% 的半纤维素脱除，纤维素总回收率达 99%，酶解转化率较原料大幅提升，直接验证了蒸汽爆破预处理的有效性，为后续高固含酶解提供了工艺依据。数据来自Table 2。
不同工艺条件下纤维素和木聚糖的酶解转化率数据：测定了 15%、20%（w/w）固含，20、40 FPU/g 纤维素酶用量下，24h、48h、72h 的纤维素和木聚糖酶解转化率。研究意义：明确了固含、酶用量、反应时间对酶解效率的影响规律，筛选出 20% 固含、40 FPU/g 纤维素、48h 为最优工艺，为转鼓式生物反应器的放大酶解提供了关键参数。数据来自Fig. 2a（纤维素酶解转化率）、Fig. 2b（木聚糖酶解转化率）。
转鼓式生物反应器高固含酶解的过程数据：测定了 20% 固含、40 FPU/g 纤维素条件下，24h、48h 的纤维素 / 木聚糖转化率，以及葡萄糖、木糖浓度。研究意义：验证了最优酶解工艺在放大体系中的稳定性，实现了 48h 总糖浓度近 114g/L，为后续乳酸发酵提供了高浓度底物，证实了工艺的放大可行性。数据来自Table 3。
产乳酸菌株的高通量筛选生长数据：通过 Bioscreen C 测定了 4 株凝结海因德里克氏菌在不同来源、不同浓度酶解液中 48h 内的最大 OD₆₀₀值，以及菌株生长曲线随时间的变化。研究意义：完成了菌株的高通量初筛，明确了不同菌株对水解液抑制物的耐受性差异，筛选出 DSM 2314 和 A166 为优势菌株，同时证实转鼓式酶解液更适配菌株生长，为后续发酵实验的菌株和底物选择提供了直接依据。数据来自Table 4、Fig. 3a（DSM 2314 菌株生长曲线）、Fig. 3b（A166 菌株生长曲线）。
不同来源酶解液的理化组成数据：测定了摇瓶和转鼓式反应器制备的酶解液中总糖、单糖、乙酸、氮含量、总抑制物（HMF、糠醛、酚类）、总离子（阳离子 / 阴离子）的浓度。研究意义：解析了不同酶解液的理化性质差异，证实转鼓式酶解液具有更高氮含量、更低抑制物与离子浓度，解释了其更适配菌株生长的原因，为发酵底物的品质优化提供了数据支撑。数据来自Table 5。
实验室规模乳酸发酵的性能数据：测定了不同菌株、不同稀释度酶解液发酵后的乳酸最大浓度、残糖浓度、基于葡萄糖 / 总单糖的乳酸产率，以及发酵过程中乳酸生成、葡萄糖 / 木糖 / 纤维二糖消耗的时间进程。研究意义：验证了优势菌株在未脱毒水解液中的发酵性能，明确了 DSM 2314 为最优菌株，获得了 88.8g/L 的乳酸产量、99.4% 的光学纯度，直接证实了垂枝桦水解液高效生产高纯度 L - 乳酸的可行性。数据来自Fig. 4a（50% 稀释酶解液乳酸与残糖浓度）、Fig. 4b（未稀释酶解液乳酸与残糖浓度）、Fig. 4c（50% 稀释酶解液乳酸产率）、Fig. 4d（未稀释酶解液乳酸产率）、Fig. 5a（乳酸生成与葡萄糖消耗进程）、Fig. 5b（木糖与纤维二糖消耗进程）。
垂枝桦全流程转化的质量衡算数据：基于 100kg 干基垂枝桦原料，计算了蒸汽爆破、酶解、发酵各环节的物料流与产物得率。研究意义：量化了全流程的原料转化效率，100kg 干基原料可产 26kg 乳酸，直观呈现了工艺的转化效率，为工业化生产的物料平衡、产能设计与经济效益评估提供了核心数据。数据来自Fig. 6。
8. 核心研究结论
本研究首次证实了短轮伐硬木垂枝桦生物质，通过 “蒸汽爆破预处理 - 高固含酶解 - 凝结海因德里克氏菌发酵” 的全流程生物转化工艺生产高光学纯度 L - 乳酸的可行性，填补了该树种在乳酸生物炼制领域的研究空白。
硫酸催化蒸汽爆破预处理对垂枝桦生物质具有优异的适配性，预处理后实现了葡萄糖总回收率 99%、木糖总回收率 57%；预处理后的固体物料在低固含酶解中，纤维素和木聚糖的转化率分别达到 96.2% 和 96% 的理论最大值，木质纤维素的酶解消化率得到了极显著提升。
优化后的高固含酶解工艺（20% w/w 固含、40 FPU/g 纤维素、48h）在转鼓式生物反应器中实现了稳定放大，酶解液总糖浓度接近 114g/L，无需额外浓缩步骤即可满足高滴度乳酸发酵的底物要求，突破了桦木原料高固含酶解的技术瓶颈。
经高通量筛选的凝结海因德里克氏菌 DSM 2314，可在未经脱毒处理的垂枝桦高浓度酶解液中高效发酵生产 L - 乳酸，最终乳酸浓度达 88.8g/L，基于总单糖的产率为 0.923g/g，平均生产效率 1.92g/(L・h)，L - 乳酸光学纯度高达 99.4%，完全满足聚乳酸聚合级产品的质量要求。
全流程质量衡算显示，100kg 干基垂枝桦原料可生产约 26kg 乳酸，基于原料中潜在葡萄糖的产率达 88.9%，展现了优异的转化效率；该工艺为边际土地种植的短轮伐林木生物质的高值化利用提供了全新路径，对推动生物基化学品、生物可降解塑料产业的可持续发展具有重要意义。
9. 芬兰 Bioscreen 仪器测量的微生物生长曲线数据的研究意义详细解读
本研究中使用芬兰 Oy Growth Curves Ab Ltd. 公司的Bioscreen C 微生物生长读数仪，对 4 株凝结海因德里克氏菌菌株，在 3 种不同来源、4 个浓度梯度的垂枝桦酶解液中进行了 48h 连续培养，设置双生物学重复，检测参数为 52℃恒温、强震荡模式、每 5min 检测一次 OD₆₀₀值，最终获得了菌株的最大 OD 值与实时生长曲线。该仪器测量的生长曲线数据是本研究菌株筛选与发酵工艺开发的核心基础，其研究意义可分为以下 6 个维度：
（1）实现了产乳酸菌株的高通量自动化筛选，大幅提升筛选效率与数据准确性
传统的木质纤维素原料适配菌株筛选，多采用摇瓶培养、人工间歇取样检测的方法，存在通量低、操作繁琐、时间分辨率差、人工误差大等问题。而 Bioscreen C 可同时对两块 100 孔板的样本进行平行检测，本研究中一次性完成了 4 株菌株、3 种酶解液、4 个浓度梯度的双重复实验，在 48h 内获得了上千个标准化检测数据，实现了多菌株、多底物条件的高通量并行筛选。
仪器的自动化连续检测彻底避免了人工操作的系统误差，保证了不同菌株、不同处理组间数据的可比性，精准区分了不同菌株对木质纤维素水解液的生长适配性差异，最终快速锁定了 DSM 2314 和 A166 两株优势菌株，同时直接排除了 A162、A120 两株无生长潜力的菌株，为后续发酵实验的菌株选择提供了高效、可靠的初筛结果，大幅缩短了菌株筛选的周期，降低了实验试错成本。
（2）精准描绘菌株生长动力学特征，揭示了菌株对水解液抑制物的耐受性规律
Bioscreen C 的高时间分辨率（每 5min 一次检测），完整描绘了菌株在酶解液中的迟滞期、对数生长期、平台期全生长周期曲线（Fig.3a、Fig.3b）。通过生长曲线数据，不仅获得了菌株的最大生物量（最大 OD 值），还精准量化了菌株的迟滞期时长、最大比生长速率等关键动力学参数，这是传统间歇取样方法无法实现的。
本研究中，通过生长曲线明确了 A166 菌株在 25% 和 50% 浓度的转鼓酶解液中，仅需 10h 即可达到 OD 值 0.8 以上，迟滞期显著短于 DSM 2314 菌株，直接揭示了其对水解液中糠醛、HMF、酚类等抑制物的更强耐受性和更快的生长速率。同时，通过不同浓度酶解液的生长曲线对比，明确了菌株对水解液的耐受上限，发现多数菌株仅能在 25% 低浓度水解液中生长，仅 DSM 2314 和 A166 可在 50% 浓度水解液中正常增殖，为后续发酵实验中底物浓度的选择提供了关键的动力学依据。
（3）建立了菌株生长与乳酸生产潜力的快速关联，为发酵实验提供了科学预判
原文中明确指出，凝结海因德里克氏菌的乳酸合成与菌体生长呈显著正相关，乳酸主要在菌株的对数生长期合成，因此菌株的生长性能是乳酸生产潜力的核心预判指标。Bioscreen C 通过连续监测菌株的生长情况，可快速预判不同菌株在特定水解液中的乳酸生产能力，无需开展大量的摇瓶发酵实验即可完成初筛。
本研究中，通过 Bioscreen C 的初筛结果，仅对筛选出的 2 株优势菌株开展后续实验室发酵验证，大幅减少了发酵实验的样本量，降低了试剂、耗材与时间成本，同时保证了后续发酵实验的成功率。最终发酵结果也证实，初筛中生长性能更优的菌株，其乳酸发酵性能同样更优异，验证了该筛选方法的科学性与有效性。
（4）反向验证了酶解工艺对底物品质的影响，实现了酶解 - 发酵工艺的联动优化
本研究中，同时测试了摇瓶和转鼓式生物反应器制备的酶解液对菌株生长的影响，通过 Bioscreen C 的生长数据，发现转鼓式酶解液中菌株的生长性能远优于摇瓶酶解液。结合 Table 5 的理化分析数据，明确了转鼓式酶解液具有更低的抑制物浓度、更高的氮含量和更低的离子渗透压，是其更适配菌株生长的核心原因。
这一结果不仅为发酵底物的选择提供了直接依据，还反向验证了转鼓式生物反应器在高固含酶解中的优势，为酶解工艺的优化与放大提供了来自发酵端的关键反馈，实现了 “酶解 - 发酵” 工艺的联动优化，这是传统低通量筛选方法难以实现的。
（5）明确了微尺度筛选与放大实验的结果差异，为工艺放大提供了科学参考
本研究对比了 Bioscreen C 微板筛选结果与实验室生物反应器发酵结果，发现微板中菌株无法生长的 100% 未稀释酶解液，在全自动生物反应器中可实现高效的乳酸发酵。通过两个体系的差异分析，明确了微板体系中缺乏 pH 自动调控、混合效果差是导致菌株无法生长的核心原因，而生物反应器中精准的 pH 控制、高效的搅拌混合，可显著提升菌株对高浓度水解液的耐受性。
这一发现不仅解释了微尺度筛选与放大实验的结果差异，还为后续菌株筛选体系的优化提供了方向，同时避免了因微尺度初筛的局限性而遗漏高潜力的工艺条件，保证了工艺开发的全面性，为木质纤维素生物炼制工艺的实验室到工业化放大提供了重要的参考依据。
（6）为木质纤维素生物炼制的菌株筛选建立了标准化技术范式
木质纤维素水解液中含有多种抑制物，不同原料、不同预处理工艺得到的水解液，其抑制物组成与浓度差异极大，菌株与底物的适配性评价是木质纤维素生物炼制的核心环节。本研究基于 Bioscreen C 建立的 “多浓度梯度 - 多菌株并行 - 生长动力学连续监测” 的筛选方法，可快速完成产目标产物菌株与木质纤维素水解液的适配性评价，该方法具有高通量、高重复性、数据维度丰富的特点。
该方法不仅适用于本研究中的垂枝桦原料与乳酸生产菌株，还可推广至其他木质纤维素原料、其他目标产物的生产菌株筛选中，为木质纤维素生物炼制领域的菌株筛选与底物评价提供了标准化、可复制的技术范式。