编辑推荐：
为解决 5 - 羟甲基糠醛（HMF）生产依赖高价食品级糖类原料的问题，研究人员以甜高粱汁为原料开展制备 HMF 的研究。结果表明，用 HCl 或 AlCl3作催化剂可高效制备 HMF，且成本大幅降低，为 HMF 工业化生产提供新方向。
在当今追求可持续发展的时代，生物炼制领域的研究愈发重要。5 - 羟甲基糠醛（5-Hydroxymethylfurfural，HMF）作为生物炼制与石化炼制之间的关键纽带，具有巨大的潜力。它能够进一步转化为高质量的燃料、可生物降解的聚合物以及具有商业价值的化学品，比如 2,5 - 二甲基呋喃、2,5 - 双（羟甲基）呋喃等。然而，目前 HMF 的生产面临着一个严峻的问题：其生产原料主要依赖食品级糖类，像果糖。果糖虽然在转化为 HMF 时反应速度快、选择性高，但价格高昂，通常是其他原料的 3 到 10 倍，这使得 HMF 的大规模生产在经济上可行性较低。此外，若大规模使用葡萄糖和蔗糖这些自然界丰富的糖类生产 HMF，可能会导致其价格大幅上涨，毕竟这些糖类目前主要来源于食品行业，这无疑给 HMF 的可持续生产带来了挑战。所以，寻找一种替代的、丰富且成本效益高的碳水化合物原料，成为了 HMF 工业化生产的关键所在。
在这样的背景下，中国农业大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们将目光投向了甜高粱汁，这种汁液富含果糖、葡萄糖和蔗糖，是一种理想的低成本原料。研究人员在丙酮 / 水溶剂体系中，利用甜高粱汁制备 HMF，并进行了多方面的探索。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为 HMF 的生产开辟了新的道路。
研究人员在实验过程中用到了多种关键技术方法。首先，通过筛选合适的催化剂，研究不同催化剂对糖类转化为 HMF 的影响；其次，系统地优化反应条件，如改变丙酮与水的比例、反应时间以及催化剂的用量等；此外，还利用人工模拟甜高粱汁作为对照原料，研究汁液中固有杂质以及预处理过程中引入的杂质对 HMF 生产的影响；最后，运用 Aspen 模拟进行技术经济分析，评估以甜高粱汁为原料生产 HMF 的经济可行性。
选择性脱水：果糖变 HMF，葡萄糖回收
研究人员前期研究发现，HCl 在催化碳水化合物脱水生成 HMF 方面效率高且选择性好，因此在本次研究中首先选用 HCl 作为催化剂。实验结果令人惊喜，在 80/20（v/v）的丙酮 / 水溶剂体系中，甜高粱汁中的蔗糖迅速且完全水解，果糖能够完全转化为 HMF，产率超过 90%，同时有超过 85% 的葡萄糖得以保留，可进行回收利用。这一结果表明，通过这种方法，可以实现果糖的高效转化，同时保留葡萄糖，提高原料的利用率。
全面转化：AlCl3助力，糖类全变 HMF
研究人员还尝试使用 AlCl3作为催化剂。实验发现，AlCl3能够使甜高粱汁中的所有糖类都得到有效转化，最终 HMF 的产率超过 70%。这一成果说明，AlCl3在促进糖类全面转化为 HMF 方面具有良好的性能，为 HMF 的生产提供了另一种有效的催化方案。
杂质影响：不碍转化，部分中和催化剂
研究人员利用人工模拟甜高粱汁作为对照，研究杂质对 HMF 生产的影响。结果发现，预处理后的汁液中的杂质虽然不会阻碍糖类的转化，但是会部分中和酸性催化剂。这一发现提示在实际生产过程中，需要考虑杂质对催化剂的影响，以便更好地控制反应条件，提高生产效率。
经济分析：甜高粱汁原料，成本大幅降低
通过 Aspen 模拟进行的技术经济分析显示，利用甜高粱汁作为原料生产 HMF，其最低售价为每吨 1909 美元，与以果糖为原料相比，成本降低了 39.6%。这一数据充分表明，以甜高粱汁为原料生产 HMF 在经济上具有显著优势，为 HMF 的工业化生产提供了更具竞争力的方案。
综合来看，这项研究意义重大。研究证明了甜高粱汁作为原料在丙酮 - 水溶剂体系中生产 HMF 具有巨大潜力。使用 HCl 作催化剂时，能实现蔗糖快速水解、果糖高收率转化为 HMF 且大量保留葡萄糖；AlCl3作催化剂可使所有糖类有效转化，HMF 产率超 70% 。技术经济分析表明，甜高粱汁大幅降低了 HMF 生产成本，为 HMF 工业化生产开辟了新途径，有望推动生物炼制产业发展，减少对传统石化原料的依赖，促进可持续发展。
