木質纖維素預處理技術研究進展

曹運齊，解先利，郭振強，王嚴嚴，劉云云，吳藹民，趙于

（1陜西科技大學機電工程學院，陜西西安710021；2華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東廣州510642）

由于化石資源的短缺及其使用過程引起的環(huán)境問題，使得綠色生物能源得到越來越多的關注。木質纖維素類生物質由于量大、可再生被認為是一種很有前景的低成本能源資源，以其轉化燃料乙醇可以減少人類對傳統(tǒng)化石燃料的依賴[1-3]。通常，木質纖維素類生物質主要由纖維素（45%～50%）、半纖維素（10%～30%）和木質素（20%～30%）以及少量提取物組成。纖維素和半纖維素是多聚糖，而木質素是由苯丙烷異構組成的交聯(lián)三維聚合物，與纖維素和半纖維素緊密結合。這些組分相互作用并通過化學鍵鍵合。酶水解是纖維乙醇轉化過程的關鍵技術[4]。木質纖維原料的復雜結構特征使其對微生物降解過程具有天然抗性，所以，酶水解前需要對原料進行適當?shù)念A處理以克服這種頑抗性。預處理是木質纖維原料高效轉化過程不可或缺的一部分，預處理的主要目的是通過破壞纖維素聚合結構，降低其結晶度，增加纖維素的孔隙率和比表面積以促進酶與底物的有效接觸，從而提高可發(fā)酵糖產(chǎn)率[5]。

目前，木質纖維原料的預處理過程已開發(fā)了多種方法，其大致可以分為四類：物理法、化學法、物理化學綜合法和生物法。每種預處理技術都有其自身的優(yōu)點和缺點，后期發(fā)展的聯(lián)合預處理方法不僅可以增強酶對纖維素的可及性，而且還有助于回收相關的木質素和半纖維素成分以將其轉化為高價值的產(chǎn)品[4-5]。本文在常用預處理技術分析基礎上，重點討論了微波輔助離子液體、兩階段深度共熔溶劑（DES）和氯化鐵（FeCl3）這3種相對高效的預處理技術，并對預處理技術的發(fā)展方向作了簡要展望。

1 木質纖維素常用預處理技術及優(yōu)缺點

木質纖維素化學成分和結構的復雜性，是其抗微生物和酶攻擊的天然屏障，可直接高效地降解天然植物體的微生物幾乎是不存在的，因此，必須要對原料進行預處理，以實現(xiàn)其高效的轉化，提高后續(xù)酶解效率[6]。目前常用的預處理技術主要有機械粉碎、稀酸預處理、堿預處理和水熱法等，其作用機理及優(yōu)缺點見表1。

表1 木質纖維素常用預處理技術[6]

對比表1可知，在常用的預處理技術中，機械粉碎、稀酸及堿法預處理存在能耗多、成本高和不同程度的環(huán)境污染等問題。生物預處理雖然具有能耗低、無污染等優(yōu)點，但預處理時間較長，效率低、酶和微生物成本較高，難以達到工業(yè)化要求。蒸汽爆破法相比其他預處理技術具有處理時間短、化學藥劑用量少、無污染和能耗低等優(yōu)點，但處理過程會產(chǎn)生抑制物。因此，尋找高效經(jīng)濟的預處理技術對纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義[6-7]。

2 高效預處理技術

理想的預處理技術應滿足以下條件[6]：①有效分離纖維素、半纖維素和纖維素；②避免生成對后續(xù)酶解發(fā)酵有害的抑制物；③避免糖類的降解和損失；④預處理過程所用的化學品應盡量環(huán)保，無腐蝕性，不產(chǎn)生有害物質；⑤減少纖維素酶量，兼顧下游工藝，盡可能降低能耗和成本。目前，聯(lián)合預處理技術因能夠高效促進酶解效果，得到了廣泛研究，在此基礎上，本文重點討論了3種較為高效的預處理技術。

2.1 微波輔助離子液體預處理

離子液體具有化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和不可燃性等優(yōu)點，同時在常溫下以液體狀態(tài)存在，被稱為綠色溶劑[7-8]。離子液體是由有機陽離子和無機陰離子組成的，能夠在相對較低溫度下實現(xiàn)對生物質原料的降解過程。木質纖維素中纖維素的有序結構及其分子內(nèi)、分子間的氫鍵作用，使得纖維素很難被酶降解，而離子液體中陰陽離子與纖維素羥基的相互作用可顯著提高其溶解纖維素的能力[9]。由于離子液體的獨特屬性，其在生物質尤其是纖維素含量較高的生物質原料（如柳枝稷、棉纖維和甘蔗渣等）預處理過程中得到了廣泛應用[8]。Li 等[10]對柳枝稷的稀酸和離子液體預處理過程進行了比較研究，結果發(fā)現(xiàn)離子液體[C2MIM][OAc]預處理后，柳枝稷的酶解效率顯著提高。然而，常規(guī)的咪唑陽離子成本高、黏度大，對纖維素酶和微生物都有毒性作用，同時咪唑陽離子不可降解，限制了其大規(guī)模應用[11-12]。Parthasarathi 等[13]發(fā)現(xiàn)了一種新型的水性離子液體四丁基氫氧化銨（[TBA][OH]），其具有經(jīng)濟和生物毒性方面的優(yōu)勢，用其處理柳枝稷并在溫和條件下表現(xiàn)出高的酶解效率。

另一方面，高溫環(huán)境有利于促進預處理過程。與傳統(tǒng)加熱方式（水浴加熱）相比，微波加熱具有許多優(yōu)點，包括減少反應時間、熱量分布均勻和節(jié)約能源等[14]。此外，微波依靠每秒上萬次的微波場深入到原料內(nèi)部，使物料內(nèi)部升溫而發(fā)生結構改變，其預處理的原理是在高溫下的酸催化自水解反應，具有高效、易操作、無污染等特點。因此，將微波與離子液體聯(lián)合后的新預處理策略被認為能夠高效地促進木質纖維素的轉化[11]。

Ha 等[15]采用微波輔助離子液體（[EMIM][OAc]和[BMIM][Cl]）預處理棉桿纖維素，發(fā)現(xiàn)微波不僅提高了纖維素的溶解度，而且還顯著降低了再生纖維素的聚合度。Hou等[11]首次利用微波輔助離子液體[TBA][OH]預處理桉樹原料，酶解48h 后獲得41.1%的最佳糖產(chǎn)率。此外，Hou 等[11]對比了水浴和微波輔助離子液體[TBA][OH]預處理桉樹的酶解效果，在相同實驗條件下，水浴輔助得到的最佳糖產(chǎn)率為34.5%，明顯低于微波輔助預處理后的效果。

微波輔助離子液體預處理作為一種新型綠色、相對便宜和高效的預處理技術，在生物煉制領域具有巨大的潛力。但是，微波加熱的高溫環(huán)境會導致離子液體的分解和底物部分碳化，從而減弱預處理的效果。微波功率的增加有利于增強酶解效率，而功率過大會影響酶和微生物的活性[16]。因此，微波功率對不同預處理過程的影響需做進一步研究。

2.2 兩階段深度共熔溶劑（DES）預處理

離子液體具有破壞纖維素晶體結構、去除半纖維素或木質素的優(yōu)異能力，其預處理生物質的最大優(yōu)勢在于各組成成分幾乎不被降解即被完整分離，而它的缺點在于離子液體本身具有毒性，生物降解性差和成本高，且不利于后續(xù)酶解和發(fā)酵[17-19]。深度共熔溶劑（DES）是一種新發(fā)現(xiàn)的綠色離子液體的有效替代品，它是由一定物質的量比的氫鍵受體（如季銨鹽、季磷鹽）和氫鍵供體（如羧酸、多元醇）組成的二或三組分低溫共熔混合物[20]。DES是兩種成分的特殊混合物：氫鍵供體（HBD）和氫鍵受體（HBA），由于HBD 和HBA 之間的強氫鍵作用，使DES的熔點遠低于其組分的熔點，DES具有易于制備、成本低、毒性低、生物降解性高等優(yōu)點[17,20]。

研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)DES 特別是酸性DES[如氯化膽堿（ChCl）/乳酸等]對木質纖維素中纖維素和半纖維素組分的溶解能力較差，但卻具有優(yōu)異的木質素提取能力，可有效移除木質纖維素中的木質素，進而破壞木質素和半纖維素之間的鍵連方式，使纖維素更好地暴露出來，增強木質纖維素原料酶解效果[21-22]。通常，含有機酸的DES，例如ChCl/乳酸[23]和ChCl/甲酸[24]，在用于玉米芯、稻草和木材的預處理時表現(xiàn)良好，而其他DES，如弱堿性ChCl/尿素（CU）和中性ChCl/甘油預處理，其多糖產(chǎn)率和酶解效率都較低[25-26]。

采用單一的DES 預處理木質纖維素原料雖然在一定程度上會提高糖產(chǎn)率，改善酶解效果。然而，具有高效預處理能力的DES 種類是有限的，因此限制了DES 的應用。Hou 等[27]選擇了3 種典型的DES：弱堿性ChCl/尿素（CU），蘋果酸/脯氨酸（MP）和ChCl/草酸（CO），研究評估了它們?nèi)芙饽举|纖維素底物主要組分的能力，結果見表2。CU對3種組分均表現(xiàn)出較高的溶解性能，這是因為摻入尿素的DES 體系能夠高效打破各組分之間的結合鍵而不會進一步降解底物，MP 對3 種組分的溶解性能相對較低，而具有強酸性的CO 不僅會優(yōu)先溶解半纖維素，還可將其水解成木糖，甚至將其進一步轉化為糠醛[27]。此外，纖維素在CO 中的溶解會最終導致葡萄糖和糠醛的形成，糠醛在一定程度上會影響后續(xù)的酶解過程[26,28]。

在此基礎上，Hou 等[27]選用上述3 種DES 分別研究了單一DES 預處理和兩階段DES 預處理對稻草秸稈組分及其后續(xù)酶解過程的影響，結果見表3。稻草秸稈用一種DES（如MP或CU）預處理12h后木質素含量有輕微降低，在隨后的酶解中葡萄糖和木糖的產(chǎn)率有顯著增加。而CU 預處理后所得底物中纖維素和半纖維素含量小于MP預處理樣品中的含量，這表明CU 具有更強的底物解構能力。當?shù)静萁斩捰脙煞NDES 分兩階段協(xié)同預處理時，與單一CU或MP預處理相比，其預處理效率明顯改善。例如，MP-CU 預處理后底物中木質素含量顯著降至10.8%（質量分數(shù)，下同），纖維素含量增至54.6%。除此之外，兩階段DES 預處理中兩種DES的處理順序也會影響酶解效果。例如，MP-CU 協(xié)同預處理的效率（纖維素54.6%，木質素10.8%）比CU-MP 預處理的效率（纖維素49.8%，木質素14.3%）要高。在酶解方面，MP-CU預處理的稻草秸稈酶解后葡萄糖產(chǎn)率為52.6%，高于CU-MP 預處理（葡萄糖產(chǎn)率為47.7%），這歸因于前者底物中較低的木質素含量（10.8%）和半纖維素含量（18.1%）[25,27,29]。

表2 纖維素、半纖維素和木質素在3種典型DES中溶解度[27]

表3 單一DES和兩階段DES預處理稻草秸稈對其組成及酶解的影響[27]

在CO-CU 兩階段預處理過程中，大量的半纖維素去除和較少的纖維素損失顯著提高了多糖消化率和葡萄糖產(chǎn)率（89.8%），產(chǎn)糖率高于單一CO 預處理效果（72.9%）。

兩階段DES 相比傳統(tǒng)預處理技術具有更高的處理效果，可有效改善后續(xù)的酶解過程，從而提高葡萄糖產(chǎn)率。采用兩階段DES 預處理可以打破一些具有預處理缺陷的DES 的應用限制，提高DES的利用率。然而，底物中DES 的殘留可能會對后續(xù)纖維素酶和微生物產(chǎn)生抑制作用，進而降低糖產(chǎn)率和隨后的發(fā)酵效率[30-31]。預處理后底物洗劑雖然在一定程度上可緩解這種不足，但洗滌步驟耗時且有大量廢水生成，會導致環(huán)境問題[32]。因此，高效的兩階段DES預處理過程還需要做進一步的研究。

2.3 FeCl3預處理

FeCl3具有來源廣、低成本和無毒性等優(yōu)良特性，可參與木質纖維素生物質預處理過程來提高預處理和酶解效率[33]。FeCl3預處理技術有如下優(yōu)點[34]：①可降解底物中的半纖維素，打斷部分木質素-碳水化合物復合體中木質素和聚糖之間的連接，提高纖維素在后續(xù)酶解中對纖維素酶的可及性；②FeCl3溶液可回收利用，從而可減少環(huán)境污染問題。Liu 等[35]在160℃下用FeCl3預處理玉米秸稈20min 后，玉米秸稈的酶解效率從22.8%提高至98.0%。Chen等[36]也研究比較了用FeCl3和稀酸預處理稻草秸稈后的葡萄糖產(chǎn)率，前者的葡萄糖產(chǎn)率約為后者的兩倍。

Zhang等[37]在不同預處理溫度（130～170℃）和時間（0～40min）下用FeCl3預處理甘蔗渣，研究了其對甘蔗渣化學組分及隨后酶解的影響，結果見表4。隨著預處理溫度或時間的增加，固體回收率降低，這是由于半纖維素和/或纖維素的降解所致。在FeCl3預處理過程中，來自Fe3+的水合氫離子通過選擇性水解糖苷鍵形成乙酸和糖醛酸，導致半纖維素解聚[38-39]。由于半纖維素的降解，固體組分中木聚糖含量下降，在170℃基本全部降解，因此在合理溫度下FeCl3預處理可完全降解半纖維素。對于底物中的葡聚糖，隨著預處理溫度和時間增加，葡聚糖含量呈先增加后減少趨勢，由于半纖維素的無定形結構，半纖維素比纖維素更易降解。因此，選擇最佳的反應溫度和時間，使得半纖維素降解同時最大程度保留纖維素，可促進后續(xù)的酶解，提高葡萄糖產(chǎn)率[40]。

表4 FeCl3預處理條件及預處理甘蔗渣組分含量[37]

除了用FeCl3進行預處理外，研究者們還評估了FeCl3和其他化學物質聯(lián)合預處理效果。Zhang等[37]提出了FeCl3和離子液體聯(lián)合預處理玉米秸稈，在130℃預處理玉米秸稈30min 得到葡萄糖產(chǎn)率為81.9%，明顯高于只用FeCl3預處理的葡萄糖得率（28.7%）。Gao 等[38]利用FeCl3和H2O2組合預處理水葫蘆30min，總糖產(chǎn)率增加126.5%。由此可見，在FeCl3預處理的基礎上，加入一些其他化學物質與其聯(lián)合預處理木質纖維素可進一步增強預處理效果，提高后續(xù)酶解效率。

FeCl3預處理能有效地破壞木質素與碳水化合物間的醚鍵和部分酯鍵，脫除木質纖維素原料中的半纖維素（高達95%）成分，而對原料中的木質素、纖維素影響較少。因此，針對秸稈類木質纖維素生物質（如玉米秸稈、稻稈等），F(xiàn)eCl3預處理相比一般預處理方法具有更好的效果[37,41]。而且，由于該預處理技術對脫木質素幾乎沒有影響，因此還可以生產(chǎn)多種木質素化學品，如燃料分散劑、采油用表面活性劑、橡膠補水劑及樹脂膠黏劑等[6]。

微波輔助離子液體預處理作為一種在離子液體預處理基礎上發(fā)展的綠色聯(lián)合技術，具有酶解糖化效率高、綠色環(huán)保等特點，但微波加熱的高溫環(huán)境會導致離子液體的分解和底物部分碳化，從而減弱預處理的效果。因此，針對不同的預處理材料選定合適的微波功率將是今后需進一步研究的重點。兩階段DES 預處理在改善酶解效率的同時還可以打破一些具有預處理缺陷的DES 的應用限制，提高DES的利用率。但是，為解決底物DES殘留所帶來的底物洗滌耗時和廢水問題，需開發(fā)可高效應用的洗滌劑，提高底物洗滌效率，并盡可能地實現(xiàn)回收利用。FeCl3預處理的最大特點是可高效脫除半纖維素（高達95%）成分，而對脫木質素幾乎沒有影響，可生產(chǎn)多種木質素化學品。隨著聯(lián)合預處理技術的發(fā)展，利用FeCl3和其他化學物質（如離子液體、H2O2等）的協(xié)同作用而開發(fā)的聯(lián)合FeCl3預處理將是下一階段的重點研究方向。

此外，從工業(yè)應用角度來看，離子液體的危險毒性、生物難降解、價格高、工業(yè)純度要求高以及合成過程非綠色阻礙了其在工業(yè)上的廣泛應用。FeCl3雖然具有來源廣、低成本和無毒性的優(yōu)點，但化學試劑的大量應用也會帶來工業(yè)環(huán)保與可持續(xù)性問題；而且，開發(fā)聯(lián)合FeCl3預處理技術，需要尋找和研發(fā)一些更加環(huán)保的化學物質，這也進一步增加了工業(yè)成本。DES 作為第三代離子液體的一種，具有和離子液體近似的物化性質，如低揮發(fā)性、不可燃性、生物相容性和生物可降解性等。相比于離子液體，DES的優(yōu)點在于原料低廉、易于制備、毒性低，近年來其在電化學、生物轉化、聚合、萃取和納米材料等領域有了新的應用。因此，利用DES 的聯(lián)合預處理技術將是預處理技術實現(xiàn)工業(yè)化應用最具前景的一個發(fā)展方向[21,41-43]。

3 結語

木質纖維素類生物質的天然頑固性是限制其酶解效率的主要因素，要想盡可能地克服這種限制因素，就需要研究開發(fā)各種預處理技術。高效的預處理技術不僅能大大改善木質纖維素原料的酶解效果，而且也有利于木質素和半纖維素的回收利用。

本文重點討論的微波輔助離子液體、兩階段DES 和FeCl3預處理技術，對木質纖維素類生物質的酶解過程均具有促進作用，但都有各自的缺點。而相比于常用的單一預處理技術，聯(lián)合預處理技術（如微波輔助離子液體、兩階段DES）能更有效地提高酶解糖化率。因此，為實現(xiàn)木質纖維素原料高效酶水解發(fā)酵過程，獲得更高的糖醇產(chǎn)率，低成本、環(huán)保可持續(xù)的聯(lián)合預處理技術的開發(fā)是未來研究的重點。