木质纤维素预处理技术研究进展

曹运齐，解先利，郭振强，王严严，刘云云，吴蔼民，赵于

（1陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021；2华南农业大学林学与风景园林学院，广东广州510642）

由于化石资源的短缺及其使用过程引起的环境问题，使得绿色生物能源得到越来越多的关注。木质纤维素类生物质由于量大、可再生被认为是一种很有前景的低成本能源资源，以其转化燃料乙醇可以减少人类对传统化石燃料的依赖[1-3]。通常，木质纤维素类生物质主要由纤维素（45%～50%）、半纤维素（10%～30%）和木质素（20%～30%）以及少量提取物组成。纤维素和半纤维素是多聚糖，而木质素是由苯丙烷异构组成的交联三维聚合物，与纤维素和半纤维素紧密结合。这些组分相互作用并通过化学键键合。酶水解是纤维乙醇转化过程的关键技术[4]。木质纤维原料的复杂结构特征使其对微生物降解过程具有天然抗性，所以，酶水解前需要对原料进行适当的预处理以克服这种顽抗性。预处理是木质纤维原料高效转化过程不可或缺的一部分，预处理的主要目的是通过破坏纤维素聚合结构，降低其结晶度，增加纤维素的孔隙率和比表面积以促进酶与底物的有效接触，从而提高可发酵糖产率[5]。

目前，木质纤维原料的预处理过程已开发了多种方法，其大致可以分为四类：物理法、化学法、物理化学综合法和生物法。每种预处理技术都有其自身的优点和缺点，后期发展的联合预处理方法不仅可以增强酶对纤维素的可及性，而且还有助于回收相关的木质素和半纤维素成分以将其转化为高价值的产品[4-5]。本文在常用预处理技术分析基础上，重点讨论了微波辅助离子液体、两阶段深度共熔溶剂（DES）和氯化铁（FeCl3）这3种相对高效的预处理技术，并对预处理技术的发展方向作了简要展望。

1 木质纤维素常用预处理技术及优缺点

木质纤维素化学成分和结构的复杂性，是其抗微生物和酶攻击的天然屏障，可直接高效地降解天然植物体的微生物几乎是不存在的，因此，必须要对原料进行预处理，以实现其高效的转化，提高后续酶解效率[6]。目前常用的预处理技术主要有机械粉碎、稀酸预处理、碱预处理和水热法等，其作用机理及优缺点见表1。

表1 木质纤维素常用预处理技术[6]

对比表1可知，在常用的预处理技术中，机械粉碎、稀酸及碱法预处理存在能耗多、成本高和不同程度的环境污染等问题。生物预处理虽然具有能耗低、无污染等优点，但预处理时间较长，效率低、酶和微生物成本较高，难以达到工业化要求。蒸汽爆破法相比其他预处理技术具有处理时间短、化学药剂用量少、无污染和能耗低等优点，但处理过程会产生抑制物。因此，寻找高效经济的预处理技术对纤维乙醇产业化发展具有重要意义[6-7]。

2 高效预处理技术

理想的预处理技术应满足以下条件[6]：①有效分离纤维素、半纤维素和纤维素；②避免生成对后续酶解发酵有害的抑制物；③避免糖类的降解和损失；④预处理过程所用的化学品应尽量环保，无腐蚀性，不产生有害物质；⑤减少纤维素酶量，兼顾下游工艺，尽可能降低能耗和成本。目前，联合预处理技术因能够高效促进酶解效果，得到了广泛研究，在此基础上，本文重点讨论了3种较为高效的预处理技术。

2.1 微波辅助离子液体预处理

离子液体具有化学稳定性、热稳定性和不可燃性等优点，同时在常温下以液体状态存在，被称为绿色溶剂[7-8]。离子液体是由有机阳离子和无机阴离子组成的，能够在相对较低温度下实现对生物质原料的降解过程。木质纤维素中纤维素的有序结构及其分子内、分子间的氢键作用，使得纤维素很难被酶降解，而离子液体中阴阳离子与纤维素羟基的相互作用可显著提高其溶解纤维素的能力[9]。由于离子液体的独特属性，其在生物质尤其是纤维素含量较高的生物质原料（如柳枝稷、棉纤维和甘蔗渣等）预处理过程中得到了广泛应用[8]。Li 等[10]对柳枝稷的稀酸和离子液体预处理过程进行了比较研究，结果发现离子液体[C2MIM][OAc]预处理后，柳枝稷的酶解效率显著提高。然而，常规的咪唑阳离子成本高、黏度大，对纤维素酶和微生物都有毒性作用，同时咪唑阳离子不可降解，限制了其大规模应用[11-12]。Parthasarathi 等[13]发现了一种新型的水性离子液体四丁基氢氧化铵（[TBA][OH]），其具有经济和生物毒性方面的优势，用其处理柳枝稷并在温和条件下表现出高的酶解效率。

另一方面，高温环境有利于促进预处理过程。与传统加热方式（水浴加热）相比，微波加热具有许多优点，包括减少反应时间、热量分布均匀和节约能源等[14]。此外，微波依靠每秒上万次的微波场深入到原料内部，使物料内部升温而发生结构改变，其预处理的原理是在高温下的酸催化自水解反应，具有高效、易操作、无污染等特点。因此，将微波与离子液体联合后的新预处理策略被认为能够高效地促进木质纤维素的转化[11]。

Ha 等[15]采用微波辅助离子液体（[EMIM][OAc]和[BMIM][Cl]）预处理棉杆纤维素，发现微波不仅提高了纤维素的溶解度，而且还显著降低了再生纤维素的聚合度。Hou等[11]首次利用微波辅助离子液体[TBA][OH]预处理桉树原料，酶解48h 后获得41.1%的最佳糖产率。此外，Hou 等[11]对比了水浴和微波辅助离子液体[TBA][OH]预处理桉树的酶解效果，在相同实验条件下，水浴辅助得到的最佳糖产率为34.5%，明显低于微波辅助预处理后的效果。

微波辅助离子液体预处理作为一种新型绿色、相对便宜和高效的预处理技术，在生物炼制领域具有巨大的潜力。但是，微波加热的高温环境会导致离子液体的分解和底物部分碳化，从而减弱预处理的效果。微波功率的增加有利于增强酶解效率，而功率过大会影响酶和微生物的活性[16]。因此，微波功率对不同预处理过程的影响需做进一步研究。

2.2 两阶段深度共熔溶剂（DES）预处理

离子液体具有破坏纤维素晶体结构、去除半纤维素或木质素的优异能力，其预处理生物质的最大优势在于各组成成分几乎不被降解即被完整分离，而它的缺点在于离子液体本身具有毒性，生物降解性差和成本高，且不利于后续酶解和发酵[17-19]。深度共熔溶剂（DES）是一种新发现的绿色离子液体的有效替代品，它是由一定物质的量比的氢键受体（如季铵盐、季磷盐）和氢键供体（如羧酸、多元醇）组成的二或三组分低温共熔混合物[20]。DES是两种成分的特殊混合物：氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA），由于HBD 和HBA 之间的强氢键作用，使DES的熔点远低于其组分的熔点，DES具有易于制备、成本低、毒性低、生物降解性高等优点[17,20]。

研究发现，大多数DES 特别是酸性DES[如氯化胆碱（ChCl）/乳酸等]对木质纤维素中纤维素和半纤维素组分的溶解能力较差，但却具有优异的木质素提取能力，可有效移除木质纤维素中的木质素，进而破坏木质素和半纤维素之间的键连方式，使纤维素更好地暴露出来，增强木质纤维素原料酶解效果[21-22]。通常，含有机酸的DES，例如ChCl/乳酸[23]和ChCl/甲酸[24]，在用于玉米芯、稻草和木材的预处理时表现良好，而其他DES，如弱碱性ChCl/尿素（CU）和中性ChCl/甘油预处理，其多糖产率和酶解效率都较低[25-26]。

采用单一的DES 预处理木质纤维素原料虽然在一定程度上会提高糖产率，改善酶解效果。然而，具有高效预处理能力的DES 种类是有限的，因此限制了DES 的应用。Hou 等[27]选择了3 种典型的DES：弱碱性ChCl/尿素（CU），苹果酸/脯氨酸（MP）和ChCl/草酸（CO），研究评估了它们溶解木质纤维素底物主要组分的能力，结果见表2。CU对3种组分均表现出较高的溶解性能，这是因为掺入尿素的DES 体系能够高效打破各组分之间的结合键而不会进一步降解底物，MP 对3 种组分的溶解性能相对较低，而具有强酸性的CO 不仅会优先溶解半纤维素，还可将其水解成木糖，甚至将其进一步转化为糠醛[27]。此外，纤维素在CO 中的溶解会最终导致葡萄糖和糠醛的形成，糠醛在一定程度上会影响后续的酶解过程[26,28]。

在此基础上，Hou 等[27]选用上述3 种DES 分别研究了单一DES 预处理和两阶段DES 预处理对稻草秸秆组分及其后续酶解过程的影响，结果见表3。稻草秸秆用一种DES（如MP或CU）预处理12h后木质素含量有轻微降低，在随后的酶解中葡萄糖和木糖的产率有显著增加。而CU 预处理后所得底物中纤维素和半纤维素含量小于MP预处理样品中的含量，这表明CU 具有更强的底物解构能力。当稻草秸秆用两种DES 分两阶段协同预处理时，与单一CU或MP预处理相比，其预处理效率明显改善。例如，MP-CU 预处理后底物中木质素含量显著降至10.8%（质量分数，下同），纤维素含量增至54.6%。除此之外，两阶段DES 预处理中两种DES的处理顺序也会影响酶解效果。例如，MP-CU 协同预处理的效率（纤维素54.6%，木质素10.8%）比CU-MP 预处理的效率（纤维素49.8%，木质素14.3%）要高。在酶解方面，MP-CU预处理的稻草秸秆酶解后葡萄糖产率为52.6%，高于CU-MP 预处理（葡萄糖产率为47.7%），这归因于前者底物中较低的木质素含量（10.8%）和半纤维素含量（18.1%）[25,27,29]。

表2 纤维素、半纤维素和木质素在3种典型DES中溶解度[27]

表3 单一DES和两阶段DES预处理稻草秸秆对其组成及酶解的影响[27]

在CO-CU 两阶段预处理过程中，大量的半纤维素去除和较少的纤维素损失显著提高了多糖消化率和葡萄糖产率（89.8%），产糖率高于单一CO 预处理效果（72.9%）。

两阶段DES 相比传统预处理技术具有更高的处理效果，可有效改善后续的酶解过程，从而提高葡萄糖产率。采用两阶段DES 预处理可以打破一些具有预处理缺陷的DES 的应用限制，提高DES的利用率。然而，底物中DES 的残留可能会对后续纤维素酶和微生物产生抑制作用，进而降低糖产率和随后的发酵效率[30-31]。预处理后底物洗剂虽然在一定程度上可缓解这种不足，但洗涤步骤耗时且有大量废水生成，会导致环境问题[32]。因此，高效的两阶段DES预处理过程还需要做进一步的研究。

2.3 FeCl3预处理

FeCl3具有来源广、低成本和无毒性等优良特性，可参与木质纤维素生物质预处理过程来提高预处理和酶解效率[33]。FeCl3预处理技术有如下优点[34]：①可降解底物中的半纤维素，打断部分木质素-碳水化合物复合体中木质素和聚糖之间的连接，提高纤维素在后续酶解中对纤维素酶的可及性；②FeCl3溶液可回收利用，从而可减少环境污染问题。Liu 等[35]在160℃下用FeCl3预处理玉米秸秆20min 后，玉米秸秆的酶解效率从22.8%提高至98.0%。Chen等[36]也研究比较了用FeCl3和稀酸预处理稻草秸秆后的葡萄糖产率，前者的葡萄糖产率约为后者的两倍。

Zhang等[37]在不同预处理温度（130～170℃）和时间（0～40min）下用FeCl3预处理甘蔗渣，研究了其对甘蔗渣化学组分及随后酶解的影响，结果见表4。随着预处理温度或时间的增加，固体回收率降低，这是由于半纤维素和/或纤维素的降解所致。在FeCl3预处理过程中，来自Fe3+的水合氢离子通过选择性水解糖苷键形成乙酸和糖醛酸，导致半纤维素解聚[38-39]。由于半纤维素的降解，固体组分中木聚糖含量下降，在170℃基本全部降解，因此在合理温度下FeCl3预处理可完全降解半纤维素。对于底物中的葡聚糖，随着预处理温度和时间增加，葡聚糖含量呈先增加后减少趋势，由于半纤维素的无定形结构，半纤维素比纤维素更易降解。因此，选择最佳的反应温度和时间，使得半纤维素降解同时最大程度保留纤维素，可促进后续的酶解，提高葡萄糖产率[40]。

表4 FeCl3预处理条件及预处理甘蔗渣组分含量[37]

除了用FeCl3进行预处理外，研究者们还评估了FeCl3和其他化学物质联合预处理效果。Zhang等[37]提出了FeCl3和离子液体联合预处理玉米秸秆，在130℃预处理玉米秸秆30min 得到葡萄糖产率为81.9%，明显高于只用FeCl3预处理的葡萄糖得率（28.7%）。Gao 等[38]利用FeCl3和H2O2组合预处理水葫芦30min，总糖产率增加126.5%。由此可见，在FeCl3预处理的基础上，加入一些其他化学物质与其联合预处理木质纤维素可进一步增强预处理效果，提高后续酶解效率。

FeCl3预处理能有效地破坏木质素与碳水化合物间的醚键和部分酯键，脱除木质纤维素原料中的半纤维素（高达95%）成分，而对原料中的木质素、纤维素影响较少。因此，针对秸秆类木质纤维素生物质（如玉米秸秆、稻秆等），FeCl3预处理相比一般预处理方法具有更好的效果[37,41]。而且，由于该预处理技术对脱木质素几乎没有影响，因此还可以生产多种木质素化学品，如燃料分散剂、采油用表面活性剂、橡胶补水剂及树脂胶黏剂等[6]。

微波辅助离子液体预处理作为一种在离子液体预处理基础上发展的绿色联合技术，具有酶解糖化效率高、绿色环保等特点，但微波加热的高温环境会导致离子液体的分解和底物部分碳化，从而减弱预处理的效果。因此，针对不同的预处理材料选定合适的微波功率将是今后需进一步研究的重点。两阶段DES 预处理在改善酶解效率的同时还可以打破一些具有预处理缺陷的DES 的应用限制，提高DES的利用率。但是，为解决底物DES残留所带来的底物洗涤耗时和废水问题，需开发可高效应用的洗涤剂，提高底物洗涤效率，并尽可能地实现回收利用。FeCl3预处理的最大特点是可高效脱除半纤维素（高达95%）成分，而对脱木质素几乎没有影响，可生产多种木质素化学品。随着联合预处理技术的发展，利用FeCl3和其他化学物质（如离子液体、H2O2等）的协同作用而开发的联合FeCl3预处理将是下一阶段的重点研究方向。

此外，从工业应用角度来看，离子液体的危险毒性、生物难降解、价格高、工业纯度要求高以及合成过程非绿色阻碍了其在工业上的广泛应用。FeCl3虽然具有来源广、低成本和无毒性的优点，但化学试剂的大量应用也会带来工业环保与可持续性问题；而且，开发联合FeCl3预处理技术，需要寻找和研发一些更加环保的化学物质，这也进一步增加了工业成本。DES 作为第三代离子液体的一种，具有和离子液体近似的物化性质，如低挥发性、不可燃性、生物相容性和生物可降解性等。相比于离子液体，DES的优点在于原料低廉、易于制备、毒性低，近年来其在电化学、生物转化、聚合、萃取和纳米材料等领域有了新的应用。因此，利用DES 的联合预处理技术将是预处理技术实现工业化应用最具前景的一个发展方向[21,41-43]。

3 结语

木质纤维素类生物质的天然顽固性是限制其酶解效率的主要因素，要想尽可能地克服这种限制因素，就需要研究开发各种预处理技术。高效的预处理技术不仅能大大改善木质纤维素原料的酶解效果，而且也有利于木质素和半纤维素的回收利用。

本文重点讨论的微波辅助离子液体、两阶段DES 和FeCl3预处理技术，对木质纤维素类生物质的酶解过程均具有促进作用，但都有各自的缺点。而相比于常用的单一预处理技术，联合预处理技术（如微波辅助离子液体、两阶段DES）能更有效地提高酶解糖化率。因此，为实现木质纤维素原料高效酶水解发酵过程，获得更高的糖醇产率，低成本、环保可持续的联合预处理技术的开发是未来研究的重点。