纤维素水解制备葡萄糖的研究进展

叶科丽 唐艳军，* 傅丹宁， 李 勉

（1.浙江理工大学材纺学院制浆造纸研究所，浙江杭州，310018；2.浙江华康药业股份有限公司，浙江衢州，324302）

当今，时代的发展离不开石油能源和通过石油制得的各类化学品，但有限的石油资源已随着社会和工业的快速发展而锐减，现存的石油资源已无法支持现代社会和工业可持续发展的需求。而且，石油的大量使用已造成温室效应、酸雨等诸多环境问题，给自然环境和人类的生存造成了不可逆转的破坏［1］。在能源和环境的双重压力下，寻找可代替石油的可再生资源显得尤为重要。

生物质能是一种清洁能源，源于绿色植物的光合作用，燃烧后只产生二氧化碳和水，不会对环境造成污染，是自然界中储量最丰富的可再生含碳资源［2-3］。生物质能可经化学法、生物法等多种途径制备得到液体燃料和高附加值的化学品。因此，生物质资源的开发将有助于缓解能源和环境问题，已成为科研工作者关注的热点。生物质资源的主要组分包括纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素的占比达40%～60%。据相关统计，全球范围内，纤维素的产量可达到1100亿t/a，而有几百万吨的含纤维素的废弃物被直接掩埋或焚烧，并未得到合理利用［4］。作为地球上储量最丰富的可再生资源，将纤维素进行高效利用以制备燃料及化学品对人类的可持续发展具有重要的意义［5］。纤维素高值化利用过程如图1所示，主要包括生物质预处理、纤维素的水解糖化和葡萄糖的催化转化，该利用过程中最关键的步骤是纤维素的水解糖化［6］。

纤维素由葡萄糖单元通过β-1，4糖苷键连接而成，水解糖化过程主要是使糖苷键上的氧原子变得活泼，进而使C―O键断裂，达到获取葡萄糖的目的。然而，由于纤维素存在结晶度大、有效表面积小等特性，对其进行水解糖化的技术仍存在一些亟待解决的问题，主要集中在催化剂的选择性、速度和效率和葡萄糖的分离等方面［7］。目前，国内外常使用酸水解、生物酶水解、超/亚临界水解、金属离子促水解以及其他物理方法等技术对纤维素进行糖化处理［8-10］。本文将从上述各方法的作用机理及优缺点着手，论述纤维素水解制备葡萄糖的研究进展。

1 酸水解

利用酸对纤维素进行水解的方法早在1923年就被提出［11］。目前，用于纤维素水解的酸主要可划分为有机酸、无机酸和固体酸。表1对这3类酸进行了整理。

图2为纤维素的酸水解机理图，主要分为3个过程：（1）酸溶液电离出H+，随即H+攻击糖苷键上的氧原子，氧原子迅速质子化；（2）C―O键发生断裂，糖苷键上的正电荷转移到葡萄糖单元的C原子上，形成碳正离子（C+）；（3）水分子随即攻击碳正离子，反应后得到游离的残基葡萄糖，并形成水合氢离子（H3O＋）［12］。

图1 纤维素高值化利用流程图

表1 酸催化剂的分类

图2 纤维素酸水解机理图[13]

1.1 无机酸

1.1.1 浓酸水解

纤维素的浓酸水解过程主要分为2个步骤：先在较低的温度下用浓酸对纤维素进行预处理，使纤维素完全溶解，转化成低聚糖；第二步将溶液稀释并加热，在较高温度下进一步催化水解低聚糖，得到葡萄糖。浓酸可以使纤维素类物质发生溶胀作用，破坏纤维素的结晶结构，得到的葡萄糖极少发生进一步水解，副产物少，回收率高（可达90%以上）；但浓酸的使用会严重腐蚀设备，废液的回收再利用困难，随意排放易造成环境污染，以上种种缺点限制了浓酸水解纤维素技术的进一步发展［14］。

1.1.2 稀酸水解

稀酸水解是科研工作者对浓酸水解纤维素技术的一种改进，已成为一种常用的水解方法。稀酸水解通常是指利用浓度低于10%的酸溶液在高温下将纤维素水解成葡萄糖。该水解过程符合一般酸水解机理，体系中的氢离子将β-1，4糖苷键的氧原子质子化，使其变得不稳定后与水反应，从而导致糖苷键的断裂，实现纤维素的降解，直到分解成葡萄糖［15］。稀酸水解法工艺简单、周期短、成本低、污染小，但是经稀酸水解得到的葡萄糖会进一步降解，生成其他副产物，影响产率，很多学者还在进一步地探索和改进稀酸水解技术。杨丽芳［16］以滤纸为原料，在间歇式水解反应器中利用超低浓度硫酸（浓度＜0.2 wt%）对其进行催化水解，在响应面实验基础上，对实验条件进行了优化，分析了实验中各因素对纤维素水解糖化过程的影响，考察了反应压力和搅拌速度对实验结果的影响，确定了最佳反应条件：反应温度205℃、液比1∶15.72、硫酸浓度0.15 wt%、反应时间33 min、压力3 MPa、转速500 r/min。胡耀波［17］以玉米芯为原料，先对其水解过程中的单一组分进行了研究，再利用响应面优化法在微波辅助下，得到稀硫酸水解玉米芯生产还原糖的最佳工艺：微波反应时间12 min、微波功率356.27 W、液比1∶9.7、硫酸质量分数3.55%，理论最优还原糖产率为29.2%，实验验证的水解产率为28.9%，与理论最优值相差不超过5%；其中，玉米芯的水解单糖主要为木糖和葡萄糖。

1.2 有机酸

有机酸是指一些具有酸性的有机化合物，最常见的有机酸是羧酸，其酸性源于羧基（―COOH）。有机酸的水解机理与无机酸的水解机理相同，主要是通过氢质子对糖苷键产生破坏作用，从而达到降解制备葡萄糖的目的。与无机酸相比，有机酸不仅兼备无机酸水解的优点，对设备的腐蚀性不强，还便于循环再利用，且很多植物中就存在一些有机酸，如草酸、没食子酸、柠檬酸等，来源丰富［18］，但有机酸的酸性温和，对纤维素的水解效率远不如无机酸。李倩倩［19］研究了微晶纤维素（MCC）在草酸-盐酸体系中的水解情况发现，纤维素的水解反应速度和葡萄糖的降解速度均随着温度的升高而加快，在草酸25 g/L、盐酸1 g/L、温度90℃、反应时间9 h的条件下，葡萄糖质量浓度可达1.657 g/L。田龙等［20］利用丙烯酸对小麦秸秆进行催化水解，测定了不同温度下反应产物中葡萄糖的质量浓度，分别得到了纤维素水解和葡萄糖降解的动力学数据，并得到了最优反应条件：80℃下、反应时间176 min，制得的葡萄糖质量浓度为8.89 g/L。Lacerda等［21］利用4.6 g/mol的草酸溶液在80℃～100℃条件下，对剑麻浆料纤维直接进行糖化，以Saeman动力学模型为参考；实验发现，在100℃下，利用草酸溶液反应16 h后，葡萄糖质量浓度可达8 g/L，纤维素的水解率达50.4%，葡萄糖的回收率达22.3%。

1.3 固体酸

固体酸催化剂因易于分离、可循环利用、对设备腐蚀小、环境友好等特点，在纤维素水解糖化的研究中日益受到科研工作者的关注［22］。固体酸催化反应与其他酸的反应机理相似：首先，在高温状态下固体酸表面发生质子化并形成氢离子，氢离子再攻击纤维素中的糖苷键，使纤维素发生第一步水解，生成纤维二糖；然后，固体酸上的活性基团使β-1，4糖苷键发生断裂，水解成葡萄糖。固体酸的种类较多，常用的有H-型沸石、阳离子交换树脂、金属氧化物、杂多酸、磺化羰基固体酸等。Qiu等［23］以三氯蔗糖和甲苯磺酸为原料，一步合成了含―Cl和―SO3H基团的碳质固体酸催化剂，该催化剂催化活性稳定，和纤维素经球磨混合后，在200℃下，葡萄糖产率在1 h内可达52.8%，而在0.02 wt%的H2SO4和HCl混合溶液中，葡萄糖的产率可分别达到71.9%和88.0%。张欢欢等［24］以硅胶和氯磺酸为原料制备得到硅磺酸固体催化剂，在单因素实验的基础上，选取反应温度、反应时间、催化剂用量和加水量进行Box-Behnken实验设计，利用Design-expert软件进行数据拟合，在138℃、反应2.2 h、催化剂用量0.5 g、加水量12 mL的条件下，得到的葡萄糖转化率为51.2%。赵玮［25］以Fe2（SO4）3为前驱体、γ-Al2O3小球为载体制备得到了SO42-/Fe2O3/γ-Al2O3负载型固体酸催化剂，并利用该催化剂对玉米皮纤维进行了水解，经高效液相色谱（HPLC）测定，水解液中的葡萄糖含量可达28.2%。

2 生物酶水解

纤维素酶是一种复合酶，由内切型葡聚糖酶、外切型葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶组成［26］。现在人们普遍接受的酶解机理是Wood于1972年提出的内切和外切葡聚糖酶协同作用模型，酶解过程的原理图如图3所示［27］，即：酶上的一部分羧基对纤维素进行催化，另一部分羧基对纤维素进行定位，这两种羧基协同作用，一方面与β-1，4糖苷键上的氧原子形成氢键，使β-1，4糖苷键变形，另一方面，羧基上的氧负离子攻击显正电性的碳原子，使β-1，4糖苷键发生断裂，最后生成葡萄糖等小分子物质［28］。与化学法相比，利用纤维素酶进行糖化具有条件温和、绿色环保，且不产生后续发酵抑制物等优点，但目前纤维素酶的酶解效率低，成本过高，不利于工业化生产。陈亚云等［29］以香蕉皮为纤维素酶解原材料，采用温和碱法对香蕉皮进行预处理，在1.67 mg/mL的Na+作为激活剂的条件下对酶用量、温度、pH值这3种影响因素进行探究发现，酶解最佳的工艺条件为：温度45℃、酶用量2.25%、pH值4.8，该条件下的葡萄糖产率可达21.3%。张家顺等［30］在纤维素的酶解过程中，加入了表面活性剂，从宏观上探究了表面活性剂、纤维素酶与底物三者之间的相互作用。齐慧等［31］利用NaOH协同60Co-γ射线辐照处理稻草，研究该条件对稻草纤维素酶解转化率的影响。优化后的处理条件为400 kGy辐照剂量的稻草结合2%NaOH溶液，在液比为1∶15，温度50℃的条件下处理4 h，并按照10 FPU/g加入纤维素酶溶液，然后于50℃、130 r/min条件下气浴恒温振荡并酶解24 h后，纤维素的转化率可达（78.5±1.2）%。

图3 纤维素酶解机理图

3 超/亚临界水解

超/亚临界水解技术是近年发展起来的一种高新技术，具有广阔的应用前景。水是一种极性溶剂，当反应体系的温度和压力超过临界点时，水的氧化性质和对物质的溶解性能会发生极大的改变。超/亚临界水能打破纤维素的结晶结构，使纤维素的溶解度大大增加，直至完全溶解，且水中电离的H+能进一步将纤维素催化水解，从而获得低聚糖、葡萄糖等［32］。超/亚临界水解法克服了传统水解技术耗时长、效率低、成本高的缺点，但该法容易使纤维素水解成各种复杂的化合物，如生成的葡萄糖易降解为5-羟甲基糠醛。目前，临界水解催化技术的目标主要集中在高效水解和抑制纤维素水解复杂化两方面［33］。牟晓红等［34］采用超临界水一步法对花生壳进行预处理，在液比1∶20、温度374℃、压力22 MPa的条件下处理15 s，可发酵糖回收率最大，为33.8%。Abaide等［35］利用稻草作为水解原料，在压力（25 MPa）和反应时间（15 min）不变的情况下，就反应温度（180℃、220℃、260℃）以及液比（稻草∶水为1∶7.5和1∶15）进行了探究；实验结果表明，在液比为1∶7.5、温度为220℃时，水解液中葡萄糖的质量分数最高可达1.5%。

4 辅助催化水解法

目前，酸和酶以及超/亚临界水解被认为是纤维素糖化过程中最具潜力的方法，然而，这几种方法也存在一定的缺点。例如，酸解过程中的各项参数需要严格控制，生成的葡萄糖易进一步降解；酶解的效率较低，成本高，难于实现大规模生产；超/亚临界水解产物复杂。因此，科研工作者们一直致力于开发一种既高效又环保的纤维素糖化方法，各种用于辅助催化纤维素水解的方法也应运而生。

4.1 金属离子促催化水解

金属离子促催化纤维素水解机理与纤维素酶水解机理有些类似：金属离子的空轨道易于结合β-1，4糖苷键氧原子上的孤对电子，引起碳氧键的活化；溶液中的水分子或氢氧根离子中的氧原子进攻邻近带正电性的碳原子，从而使β-1，4糖苷键断裂，纤维素水解成糖类物质。汪楠［36］以竹粉为原材料，考察了Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Ca2+、Fe3+6 种金属离子对纤维素水解反应的助催化效果；实验结果表明，Cu2+（0.02%～0.32%）的存在能有效地破坏纤维素的结晶结构，随着金属离子浓度的增大，还原糖产率和水解速率均呈先上升后下降的趋势。同时，金属离子的存在能有效脱除木质素，从而提高糖的得率。周雅文等［37］以经3%NaOH溶液浸泡及超声处理后的麦草秸秆为底物，探究加入Fe3+后麦草秸秆的酶解工艺条件及Fe3+对体系酶动力学、酶活和酶构象的影响；结果表明，当固定底物为12.5 g/L时，最佳酶解工艺条件为：酶解时间50 h、温度50℃、酶用量3.0 g/L、Fe3+用量0.3 g/L，该优化条件下，纤维素的转化率为51.4%，比不加Fe3+的对照组提高了27.2%。同时，Fe3+的加入大大提高了酶解反应的最大反应速率和酶活，对预处理后麦草有较好的酶解促进作用。贺行等［38］以阔叶木浆为原料，37%的浓盐酸为催化剂，在80℃、液比为1∶15的条件下，探究Fe3+、Co2+、Al3+、Cu2+这4 种金属离子对纤维素酸水解的影响；结果表明，Fe3+的促进效果最好。Li等［39］利用MCC为原材料，探究了K+、Mg2+浓度变化对MCC水解过程的影响；实验结果表明，K+、Mg2+在纤维素水解过程中呈现截然不同的效果，当金属离子浓度上升时，K+促进了MCC的水解，而Mg2+抑制了该过程；傅里叶变换红外谱图（FT-IR）测试结果表明，K+能增强纤维素分子内及分子间的氢键，而Mg2+减少了这些氢键。

4.2 物理方法促水解

物理方法可以作为一种辅助催化的手段用于促进纤维素水解。最常见的物理方法有两种：微波促反应和超声波促反应。

4.2.1 微波促反应

微波是一种频率在300 MHz～300 GHz频段的电磁波。微波在纤维素的催化水解过程中，主要是对纤维素进行预处理。选择性加热是微波的一大特性［40］。李学琴等［41］以生物质基磁性固体酸为催化剂，并采用微波相结合的辅助手法进行MCC的水解反应；结果表明，经微波辅助后，MCC几乎完全水解，且各因素影响的主次顺序为：微波功率＞催化剂用量＞水解时间＞水解温度。朱银萍等［42］借助微波水热法在温度160℃～200℃、反应时间10～60 min、液比1∶20～1∶5条件下处理玉米芯，以提高其总糖回收率。结果表明，温度与时间是影响微波水热处理的主要因素，在180℃、30 min、液比1∶8条件下，总糖回收率为75.7%，72 h的酶解率为82.4%；固体残渣微观结构形貌分析结果表明，相对于高压釜水热反应，微波水热可显著改变纤维素的结晶度、破坏物料表面结构并增大比表面积，有助于提高残渣的酶解率。Sasaki等［43］等采用蒸汽爆破和微波辅助处理，寻找水解棉花废料（废旧毛巾）的有效利用途径；在蒸汽压力5.5 MPa（271℃）、蒸汽爆破蒸煮5 min时，直接水解棉花废料的最大糖产率为18.8%，而在此基础上，再利用微波在200℃下加热7 min后，葡萄糖的产率最高可达78%。

4.2.2 超声波促反应

超声波是一种频率高于20 kHz的声波，其高频率可以引起传播介质的剧烈振动。超声波处理是一种物理催化溶解纤维素的方法，即利用物理声波的传递，将能量由溶液中介质的振动传至纤维素分子上，并转化为纤维素分子的剧烈振动［44］。Yu等［45］探究了超声波与离子液体结合后对甘蔗渣和麦草酸水解的影响；结果表明，该法能显著促进纤维素的水解，且葡萄糖的最大产率分别为40.3%和53.2%。田蕾等［46］以米渣为原料，采用超声波辅助酶法对米渣纤维进行酶解，通过单因素实验和正交实验设计方法，对超声工艺参数（时间、温度和液比）进行优化；结果表明，在温度45℃、液比1∶10条件下，超声波处理30 min后进行酶解，米渣纤维的水解率为19.3%，与未预处理的样品相比，水解率提高了24.3%，表明超声波预处理能促进米渣纤维的酶解。Hu等［47］采用Plackett-Burman设计和响应面法确定了超声波-纤维素酶协同作用用于提取菠萝渣多糖的最佳工艺条件：水解温度50℃、液比1∶45、pH值6.0、水解时间100 min、超声波功率160 W和纤维素酶添加量2.0%。

4.3 离子液体促水解

离子液体是一种在100℃以下呈液态的熔融盐，作为一种新型绿色溶剂，其因良好的溶解性和稳定性而备受瞩目。离子液体的种类繁多，可根据需要，将不同种阳离子（有机）与阴离子组分进行组合［48］。在纤维素水解糖化过程中，离子液体能够与纤维素上的―OH形成分子间氢键，从而破坏纤维素链之间的氢键，降低纤维素的结晶度，增大与原料的接触面积，从而达到溶解纤维素的目的［49］。但离子液体的黏度较大，成本较高，且产物的分离存在一定难度，制约了其发展。目前，许多科研工作者正致力于提升离子液体的使用性能。屈浩楠等［50］以废弃生物质（玉米秸秆、花生壳、核桃壳）为原料，经碳化磺化后得到生物质炭磺酸，再进行离子液体的负载，得到具有离子液体功能的生物质炭磺酸催化剂；与未进行离子液体负载处理的生物质炭磺酸比较发现，该催化剂的还原糖产率在相同条件下提升了15%左右，且循环使用4次后，仍有良好的催化活性。王帅等［51］为改善纤维素的溶解性，将具有强亲水性的聚醚基团引入离子液体中，合成出多种聚醚功能化双核咪唑类离子液体，并将其应用于纤维素的预处理和糖化过程；实验发现，纤维素经酸性聚醚功能化离子液体催化后，葡萄糖的得率可达55.8%。

5 结语及展望

目前，用于纤维素水解制备葡萄糖的技术主要存在以下缺陷：催化水解速度慢，消耗的时间长；催化剂成本高，催化效率不高；所得葡萄糖易进一步降解，产率低；葡萄糖的分离、回收困难；易造成环境污染等，种种原因导致纤维素水解糖化的产率不高。现今许多科研工作者将上述方法进行了优化组合（如：超声波辅助酶解、微波辅助酸解），并取得了一定的成果，但关于所得葡萄糖分离回收以及食用安全性鲜少报道。所以，纤维素糖化工艺的发展可就如何提升纤维素水解效率、葡萄糖的分离回收和食用安全性进行深入研究。