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提升木质纤维生物质酶解炼制高值化学品的预处理技术卢开红1，陈晓娟2，周宇1（1.佛山科学技术学院 食品科学与工程学院，广东 佛山 528225；2.佛山科学技术学院 环境与化学工程学院，广东 佛山 528000）摘要：随着农业与工业的快速发展，秸秆类生物质废弃物的产生不断增多。而生物质作为全球最大的可再生碳源之一，其兼具价廉、易得、来源广泛等特性，可用于炼制生物乙醇燃料来替代石油燃料而备受关注。但生物质复杂顽固的细胞结构严重地阻碍了生物酶与纤维素和半纤维素的可触性，极大地降低了生物质的利用率，预处理技术是解决该问题的关键，基于此，综述了近年来国内外有关木质纤维生物质的各种预处理方法：物理法、生物法、化学法和物理-化学法。并分析总结这些预处理方法的优缺点，以期为未来建立绿色高效的预处理技术，实现木质纤维素生物质的高效利用提供借鉴。关键词：生物质；生物质结构；预处理；酶解中图分类号：TQ51；TK62文献标志码：A能源与环境问题是当今社会的两大主题，随着“双碳”目标的持续推进，积极寻找可再生的资源和能源对于解决当今的能源与环境问题已显得尤为重要。木质纤维生物质由于可再生、产量大、来源广、价廉易得、绿色低碳等优点 1，被国家 可再生能源中长期发展规划 明确列为继煤、石油、天然气之后的第四大能源。目前，国内外对木质纤维生物质资源的开发和利用都非常重视，据国际能源署的预测，2030 年全球 36%的能源消费将来自可再生能源，其中生物质能将占 60%之高。我国是木质纤维生物质资源的大国，目前我国仅算农业废弃物、木材和森林废弃物等生物质资源年产量就高达 34.94 亿吨 2。木质纤维生物质是一种碳中性的可再生资源，若能积极开发利用这些生物质资源，则不仅能够变废为宝，而且有利于解决化石燃料使用所带来的环境污染以及气候变化等问题，助力“双碳”目标的早日实现 3。现有的文献研究表明：纤维素、半纤维素等组分可通过酶解发酵产生还原性糖类（葡萄糖、木糖等），这些还原性糖可进一步转化成为生物乙醇等高值化学品 4。但值得注意的是：纤维素、半纤维素和木质素高度交联裹覆，且木质素对生物酶具有较强的吸附特性，这严重地限制了生物酶对纤维素和半纤维素的可触性，导致生物质直接水解发酵效率较低，严重影响还原性糖的产率 5。近年来，为了提高生物质酶解发酵还原性糖的产率，生物质的预处理技术受到了前所未有的重视，并相继开发出物理、化学、生物以及组合技术，用于破坏生物质的结构，改变生物质的表面形貌，使生物质表面形成疏松多孔结构，同时去除或降解部分的半纤维素和木质素，以此提高纤维素酶的可触性，提升生物质的酶解产糖收稿日期：2023-02-14作者简介：卢开红（1997-），女，贵州贵阳人，佛山科学技术学院硕士研究生。通信作者：陈晓娟（1989-），女，河南内乡人，佛山科学技术学院副教授，博士。文章编号：1008-0171（2023）04-0030-12第 41 卷 第 4 期佛山科学技术学院学报（自然科学版）Vol.41 No.42023 年 7 月Journal of Foshan University（Natural Sciences Edition）Jul.2023第 4 期性能 6。本文在前人研究基础上，结合作者在生物质预处理技术等方面的研究，对有关预处理技术提升生物质酶解产糖的相关文献进行归纳和总结，并提出预处理技术提升生物质酶解产糖所面临的问题及未来的发展方向，以期能为生物质的高值化利用提供参考和借鉴。1木质纤维生物质的来源和利用现状我国是一个农林大国，在农林生产、运输和消费活动中会产生大量的农林废弃物。其中农业废弃物如常见的水稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆、甘蔗秸秆、造纸残渣、制糖残渣和食品加工残留废弃物等等。对于目前全球能源枯竭的环境来说，寻找新能源是重中之重。木质纤维素生物质因其组分中含有较多的纤维素和半纤维素，是公认的生产第二代生物乙醇燃料的最佳底物之一。木质纤维素生物质具有来源广、价格低廉、化学性质稳定、产量高等优点。除了用于生产生物乙醇，木质纤维素生物质还被研究用于污染物的吸附降解以及饲料、肥料和固体燃料，但技术尚不成熟，且达不到生物质的高值化利用。富含糖、淀粉和木质纤维素的植物可以用来生产生物乙醇，直接用糖和淀粉为原料生产的生物乙醇我们称为第 1 代生物乙醇。生产第 1 代生物乙醇可能会对粮食安全和环境造成较大的影响，因此后来用数量丰富且成本低廉的富含纤维素的生物质废弃物来生产生物乙醇，称为第 2 代生物乙醇。表 1 统计了部分常见的农业废弃物的主要组成成分含量。其富含纤维素与半纤维素，是用于生产生物乙醇燃料的理想原材料。农林业废弃物作为 2 代资源一直以来都被寄予期望，但由于理论知识的缺乏和技术设备的各种限制，其处理方式多为简单的焚烧或填埋 7。燃烧大量农林业木质纤维生物质废弃物会产生大量 CO2和其它有害气体，不仅会增强温室效应，还会对周遭环境造成污染，浪费资源，对于我国“双碳”目标的实现是一大阻碍。如何将此类“废弃物”变废为宝，研究新型生物燃料是目前最有前景的方向。此研究方向是我国“碳中和”道路上必不可少的历程。表 1部分秸秆类生物质组成成分含量2木质纤维生物质酶解为降低对化石燃料等不可再生资源的依赖，国内外都在研究新型绿色能源如生物乙醇。生物乙醇是一种重要的替代化石燃料的可再生能源，由生物质通过水解产糖，如图 1 所示，产物糖继续发酵成乙醇来实现生产。随着生产生活中燃料需求的不断增大和化石燃料的紧缺，将木质纤维生物质等可再生资源有效的转化为燃料乙醇成为了重中之重 15。生物质水解常用的是酸水解工艺和酶水解工艺，酸水解法主要包括浓酸水解和稀酸水解，也分低温水解（80140 益）和高温水解（160240 益），是较早研究的水解方法，该法对水解条件要求严苛，效率低下，同时会产生较多的抑制物如糠醛和 5-羟甲基糠醛等糖降解物，抑制下一步的发酵 16。木质纤维生物质酶解反应需生物酶的参与，包括纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶和蛋白酶等。所需反应条件温和，温度一般在 45 益55 益之间。纤维素和半纤维素酶解液可继续用于发酵生产生物乙醇，乙醇的产量主要由发酵液中发酵糖的含量所决定。在传统发酵技术的基础生物质种类玉米秸秆稻草雪松山毛榉棉花秸秆甘蔗渣阔叶材针叶材稻壳笋壳纤维素含量/%33.900.3533.837.9936.7942.5538.584050444536.434.420.67半纤维素含量/%21.360.572026.6437.7927.1535.5025353031.2823.070.37木质素含量/%12.420.2916.231.4221.7218.1710.041828263323.1319.580.24参考文献891010111213131314卢开红等：提升木质纤维生物质酶解炼制高值化学品的预处理技术31佛山科学技术学院学报（自然科学版）第 41 卷上，有学者研究了同步糖化发酵工艺。同步糖化发酵工艺指生物质的酶解和发酵单元在同一个反应装置中进行，酶解产糖的同时，发酵菌株进一步发酵还原性糖产生乙醇，该法可以有效抑制传统发酵法发酵过程中纤维二糖和葡萄糖对纤维素酶的抑制作用，提高生物乙醇的生产效率，具有节约生产时间的优点 17。WANG 等 18 人使用酿酒酵母菌 KF-7 对稻草进行了同步糖化发酵法制备乙醇，该研究使用0.5%H2SO4处理稻草，在 170 益 的条件下反应 10 min 后加入底物酶，对稻草进行同步糖化，生产乙醇。其总糖产率为 85.0%、乙醇产率为 77.3%。DAVARITQU CHAEE 等 19 人对石榴果皮进行同步糖化发酵生产生物乙醇，酒精得率为 48.5%，相当于达到理论产生物乙醇率 95.1%。ZHANG 等 20 探讨了水葫芦联合预处理提高生物乙醇的方法，结果表明联合稀酸预处理后同步糖化发酵乙醇，可获得 1.4 g L-1的生物乙醇产量，酶解还原糖产量为 430.66 mg g-1。生物酶具有专一性强、水解副产物少、设备简单、效率高、不需耐腐蚀材料、对环境无污染等优点，酶解产糖较酸解产糖有更强的商业应用价值。但由于木质素结构的特殊性，它对生物酶具有非生产性的吸附力，这种吸附力在很大程度上阻碍了纤维素与纤维素酶的接触，降低生物质的酶解效率。木质纤维生物质的复杂结构也使得生物质的酶解反应效率不理想，难以直接转化利用纤维素，因此需要对生物质进行一定的预处理，提高生物质的酶解效率 21。木质纤维生物质生产化学品的前处理流程如图 1 所示 22。图 1木质纤维生物质生产化学品的前处理流程示意图3物理预处理3.1 机械破碎预处理机械破碎处理技术主要是通过外力改变生物质的形状大小。如粉碎、剪切、挤压等方法。机械破碎法可以减小木质纤维生物质颗粒的体积，扩大其表面积，增加底物与酶的接触面，从而增加后续的酶解糖化效率。但这种工艺不能去除木质素，酶解效率增长有限 23，将化学法与机械破碎法组合处理，可以获得更理想的效果。杨旸等 24 人先使用氨水和双氧水预处理大米草，经氨水和双氧水预处理后的大米草再经球磨预处理 2 h，然后进行酶解。结果表明，球磨预处理可以破坏生物质中纤维素的结晶区域，氨水和双氧水预处理可以有效脱除大米草秸秆中的木质素，两者结合，可以有效促进大米草的酶解效率。其可获得的最高还原糖浓度为 1.698 mg mL-1。GONG 等 25 研究了不同的制粒工艺对后续预处理和酶解糖化性能的影响，研究表明，无论是酸处理还是碱处理，工业制粒和实验室制粒都对麦草、山毛榉、松木这 3 种生物质的产糖率均有正向影响。经造粒后的生物质颗粒虽然比未经造粒的生物质颗粒更大，但造粒可扰乱生物质细胞壁的结构，影响 茁-O-4/键的稳定性，从而增加酶解时纤维素酶对纤维素的可32第 4 期触性，提高酶解效率。普通的机械预处理，如粉碎、球磨等方法，只能有限的提高生物质的酶解效率，其只对生物质的颗粒大小和表面积有改变作用，不能从更深层次破坏生物质的结构，因此，机械破碎预处理技术一般会被放在预处理第 1 步，联合其他化学预处理使用，这可以扩大化学预处理的效果，从而增加生物质的酶解性能。3.2 超声波预处理超声波在工作时，会产生空化作用力，温度会随时间延长而升高，并且会对生物质产生压力和剪切力，破坏生物质的细胞结构，也可以增强木质纤维生物质的溶解，使后续酶解反应或其它的预处理更加有效。但单独使用超声波预处理木质纤维生物质的效果往往有限且糖化性能不高，通过阅读文献资料，可以发现使用超声波作为辅助前处理，其联合化学预处理能使生物质的酶解糖化性能大幅提升。RAMADOSS 等 26 报道超声波辅助金属氯化物处理甘蔗渣生产生物乙醇的效率性研究结果，在最佳工艺条件（1.5%H2O2（v/v）、3 g 底物、超声时间 75 min、FeCl3:H2O2=1:100、温度 60 益）下，获得了 94.94%的纤维素得率和 79.42%的木质素脱除率。酶解的葡聚糖转换率为 96%，理论酒精产量达 93%左右。在她的另 1 项研究中，超声波辅助氨水预处理蔗渣，经过单因素实验选择出了最佳预处理工艺，即在氨水浓度为 10%、固液比为 1:10、温度 80 益的条件下超声 45 min，可得到最佳的产率：葡萄糖 16.58 g L-1木糖 8.21 g L-1、阿拉伯糖 2.78 g L-1，其组分分析实验表明该法可以获得 95.78%的纤维素得率和58.14%的木质素脱除率 27。WANG 等 28 研究了超声波联合碱预处理剪草的糖化性能，结果表明超声波联合氢氧化钙预处理剪草的酶解效果最好，在超声波功率 0.65 W mL-1，处理时间 30 min，添加 0.75%Ga（OH）2的条件下预处理的剪草酶解产糖率可达 414 mg g-1。超声波前处理可以使木质纤维生物质的溶解率增大，从而使化学试剂更好的与生物质接触，提高化学预处理的效果。但使用超声波作为前处理，可能会增大整个预处理过程的经济成本，不利于实现生物乙醇的规模化生产，对于超声波预处理技术的研究还有待开发和优化。3.3 微波预处理微波具有良好的穿透性，其辐射的电磁场可以快速引起水分子等极性分子的热效应，并通过振动、碰撞和摩擦产生较高的热量，不断的破坏木质纤维的表面组织 29。微波加热效率高、操作简单，是很好的替换传统加热系统的替代技术。微波辐射预处理与传统的加热法相比，微波辐射中的能量转换是直接导致目标材料内的体积产生热，而不是通过材料表面产生。微波诱导的热能是通过将电磁能直接转化为热能在原子水平上产生的，因此能量是均匀地散布在材料上，如图 2 所示，受微波照射的材料的温度比周围环境的温度高得多 30。SAKAYA 等 31 研究了微波碱预处理木薯的酶解性能的影响，结果表明在微波辐射功率为 840 W、辐射时间 9 min、添加 3%NaOH 的条件下，可获得 15.39%的产糖率。微波辅助碱预处理促进了木质纤维素顽固结构的破坏，其原因可能是微波会使极性分子升温，在原料的内部产生热点，加速了极性分子和离子的碰撞程度，从而增强了木质纤维结构的破坏程度，提高纤维素酶的可触性。WEI 等 32 人研究了微波辅助对水合氯化锌和碱处理桉木的酶解糖化性能的影响，其结果表明微波辅助 ZnCl2 4H2O 预处理可以有效提高桉木的酶解性能，并且可以缩短约 70 min 的预处理反应时间，并且可获得的最大产糖率为 35.7%。LU 等 10 人采用了微波辅助 FeCl3预处理稻草，提高稻草的酶解效率，其结果表明，预处理后的稻草在 48 h 内酶解可获得的最大还原糖浓度为 5.85 g L-1，较未经过预处理的高出 3.3 g L-1，经微波辅助 FeCl3处理后的稻草其纤维素含量由原本的 33.8%提高至 59.3%，含量提高了 75.4%，半纤维素和木质素含量则是分别降低了 35%和 39.5%，该法可以获得较高的酶解糖化率。MORETTI 等 33 研究了在甘油水溶液和酸性甘油溶液中用微波辐射蔗渣对其结构和酶解性能的影响，研究结果表明微波联合酸性甘油溶液预处理蔗渣可以获得更高的还原糖产率，为 197.4 mg g-1，通过扫描电镜等表征手段可以看到经过微波/酸性甘油预处理后的蔗渣细胞壁变得松散，坑膜破裂，生物酶与纤维素的接触面积得到提高，产糖效率增大。综上所述，微波预处理联合化学预处理是一种高效快速、前景良好的方法。微波联合化学预处理较单独微波预处理更容易提高生物质的酶解糖化效率，并且卢开红等：提升木质纤维生物质酶解炼制高值化学品的预处理技术33佛山科学技术学院学报（自然科学版）第 41 卷在增加纤维素回收率的同时，还可以去除或破坏木质素，对于个别种类生物质而言，可以缩短酶解的反应时间，提高经济效应，但使用微波联合化学预处理技术，需要的能量消耗会增大，对于规模化生产生物乙醇而言，如何建立大型的微波预处理机械，并使其具有良好的稳定性还有较大的挑战。常规加热与微波加热在温度分布机制上的差异如图 2 所示 30。图 2常规加热与微波加热在温度分布机制上的差异4化学预处理4.1 酸、碱及其组合预处理酸预处理主要是指对原料进行低温强酸或高温稀酸的反应。在酸预处理技术研究中，H2SO4是使用最为广泛的、研究较为成熟的一种方法。DU 等 34 研究了磷酸浸泡和硫酸浸泡前处理对松木的影响，结果表明，85%的磷酸在室温下需浸泡 24 h 才可以有效的提高纤维素样品的酶解糖化性能，当温度升高至 50 益，85%的磷酸浸泡 1 h 就可以有效提高柔性纤维团的酶糖化性能。浓酸具有高毒性和危险性，并且对反应设备的消耗和要求高，虽然能有效的去除木质纤维生物质中的半纤维素，但在其酶解液中会检测到一些糖降解化合物，如糠醛和 HMF 以及芳香族木质素降解化合物，这些物质会影响或抑制下一步发酵过程中的微生物代谢，故并不被广泛推荐使用。在此种情况下，研究开发低浓度并且条件较温和的酸法预处理更受学者们的热爱。LI 等 35 研究了脱乙酰化-稀酸预处理（DDA）和脱乙酰化-机械精炼预处理（DMR）对 4 种不同原料及其混合物产糖效率的影响。研究表明，在 DDA 预处理中，所有样品的木糖得率都在 58%86%之间，稀酸预处理对脱乙酰化强度的依赖性相对低于 DMR，在低强度（50kg NaOH 负载）的脱乙酰化处理和后续稀酸处理后的双混合原料的木糖单体和寡聚木糖的产率分别是84.8%和 3.8%。MARIA 等 36 研究了稀酸水解法对胡萝卜和月季的前处理，结果表明，稀酸水解法可以作为一种有效的前处理方法，在 130 益、6.7%H2SO4的条件下处理生物质 55 min，几乎可以去除所有的半纤维素，其中包含少量木质素。使生物质在后续酶解时纤维素酶的可触性提高了 5 倍。ARORA 等 37 对松树进行了稀酸预处理的研究，经 160 益、1%H2SO4（w/v）预处理 30 min，然后用 30 倍的水漂洗预处理的生物质，并进行酶解，可获得 57%的葡萄糖回收率。较未漂洗的松木酶解率提高了 20%35%，该研究表明，对酸预处理后的生物质进行漂洗，是有利于提高酶解效率的。酸预处理是研究最早的 1 种预处理技术，浓酸预处理已不适用于现阶段的发展理念，稀酸预处理虽然有较好的应用前景，但其后续酶解时需要进行酸中和处理，并且预处理反应需要高温高压条件，生产成本较高。碱预处理的作用侧重于去除或改变木质素的结构。CHAO 等 38 研究了不同温度、时间和浓度的NaOH 预处理对甘蔗渣的影响，结果表明，在 80 益，3%NaOH 条件下反应 4 h，脱木素效率达到最大，为 77.94%。CHONG 等 39 在一项报道中指出，用 0.5%K2CO3和 0.068%K2SO3混合的稀碱混合盐溶液，在高压灭菌器中对甘蔗渣浸泡处理，研究不同反应时间和反应温度对蔗渣脱木素和酶糖化程度的影响。结果表明在温度为 120 益、反应时间为 40 min 的条件下，蔗渣的脱木素效率和酶糖化效率最高，其后续 50 g L-1的蔗渣酶解还原糖和葡萄糖的产率分别为 32.94 g L-1和 20.18 g L-1。K2CO3-K2SO3预处理蔗渣，能有效去除木质素，从红外光谱中观察到 1 330 cm-1和 1 250 cm-1附近的峰减少，表明木质素中丁香基和愈创木基衍生物被释放到液体中。联合预处理的蔗渣较单一预处理的蔗渣表现出了更疏松34第 4 期多孔的表面结构，这可以增加酶与底物的接触面积从而提高酶解效率。YAN 等 40 研究了在温和条件下对草废料进行稀碱加双氧水的预处理方法，结果表明氢氧化钠和双氧水联合处理提高了木质素的脱除率为 73.2%，酶解效率达 83.5%。对预处理后的草废料进行一系列表征表明添加 H2O2可以破坏草废料的结构，从而促进 NaOH 对木质素的脱除。添加 1%的 H2O2和 2%的 NaOH 联合处理效果最佳，经该处理后，草废料的表面结构被破坏，形成大量的屑状“鳞片”结构，增强了纤维素酶的可触性，同时，草废料的结晶度指数由原来的 43.8%增加到 51.8%。ZHANG 等 41 人研究了碱预处理对竹材木质素的影响，研究表明通过碱预处理，竹材内外层的木质素含量由 29.17%和 25.90%分别降至 26.21%和 19.88%，碱破坏了木质素与木聚糖之间的化学键，去除了木质素中的豆香素（PCA）单元，使木质素的相对分子质量降低，吸附和抑制实验结果证实了碱处理降低了纤维素酶在木质素上的非生产性吸附力，从而提高了竹材中纤维素与纤维素酶的可触性，增强酶解产糖效率。表 2 是统计的部分酸、碱及其组合预处理不同生物质的酶解产糖效果。根据该表格内容可知，稀酸、稀碱、稀酸-稀碱等新预处理技术，较强酸碱预处理而言很大程度上降低了生产成本，并且有乐观的糖产率，是有潜力的一种未来化学预处理的研究方向，若能解决攻克反应后的酸中和、废液污染和降低反应温度等问题，可使稀酸稀碱预处理技术变得更加绿色环保。表 2部分酸、碱及其组合预处理生物质酶解产糖率卢开红等：提升木质纤维生物质酶解炼制高值化学品的预处理技术提高糖产率，表面结构被破坏，增加较多气孔，提高了纤维素与纤维素酶的可触性木聚糖 86.99%玉米芯46磁性碳基固体酸（MMCSA）提高糖产率，纤维素含量增加，半纤维素部分溶解，几乎去除全部木质素总糖 40.6 g L-1稻草471%H2SO41.5%NaOH 0.5%H2O212060 min提高糖产率，提高纤维素的暴露面积葡萄糖 32.8%橙皮423%KOH 橙皮装载60.1 g L-130 min预处理效果结果原料参考文献预处理条件提高糖产率，去除部分木质素（脱除率为 25.07%），总碳水化合物含量提高了 4.65%总糖 57.22 g L-1Na2SO3提高糖产率，增强碳水化合物在水解中的增溶作用，KOH促进了抗氧化剂的释放从而促进酶解过程中木聚糖的释放葡萄糖 86%木聚糖 76%小麦麸皮17KOH提高糖产率，去除部分木质素（脱除率为 28.55%），总碳水化合物含量提高了 8.42%总糖 60.06 g L-1甘蔗秸秆43NaOH提高糖产率，去除大部分木质素（脱除率为 46.30%），总碳水化合物含量提高了 8.5%总糖 62.19 g L-1NH3 H2O提高糖产率，半纤维素含量明显低于原料秸秆，纤维素含量随着 FeCl3含量增加提高至 58.3%总糖 93.7%芒草440.8%4.8%FeCl3提高糖产率，添加 1.2%NaOH 时，木质素含量降低至1213.9%，纤维素含量达到 62.5%总糖 256.9 mg g-10.4%1.2%NaOH提高糖产率，NaOH 的用量减少，并且可以去除大部分半纤维素和木质素，纤维素酶用量也显著降低总糖 350.7 mg g-11.6%3.2%FeCl3120 30 min1.0%1.2%NaOH前处理时间可缩短至 30 min，木质素脱除率达 84.83%，纤维素含量相应增加。总糖 14.82 g L-1甘蔗叶45C2H5ONa-Ca（OH）2121 30 min提高糖产率，促进木质素的溶解木聚糖 48.55%稻壳1518%NaOH蒸汽处理 120 45 min35佛山科学技术学院学报（自然科学版）第 41 卷4.2 过硫酸盐氧化预处理芬顿反应被美国学者 FENTON 在 1893 年发现，其使过氧化氢与二价铁离子混合制备的混合溶液具有强氧化性，可以将当时已知的部分有机化合物转化为无机态。芬顿氧化反应属于无机化学反应，它在环境化学中具有十分重要的地位，该反应具有去除难降解有机污染物的高能力，在印染废水、含油废水、含酚废水、焦化废水、含硝基苯废水、二苯胺废水等废水处理中已有很广泛的应用。经研究，芬顿反应具有很强的氧化性是因为在芬顿反应过程中会产生羟基自由基，即 1 mol 的 H2O2与 1 mol 的 Fe2+反应后产生 1 mol 的羟基自由基和 1 mol 的 OH-。羟基自由基的氧化电势为 2.73 V，正是由于它的存在使得芬顿试剂具有强氧化能力。芬顿反应产生的自由基可以有效的去除木质素和半纤维素，使木质纤维生物质中的纤维素暴露，与酶剂接触发生反应 48。但由芬顿反应产生的羟基自由基的稳定性交差，而类似芬顿预处理技术的由过硫酸盐为介导的高级氧化技术在产生羟基自由基的同时，还可以产生比羟基自由基更高电位和更稳定的过硫酸盐自由基，在 YANG 等 49 的研究中，发现使用 5.12 mol NaOH 和0.85 mol Na2S2O8预处理后，原料的最大葡萄糖产率比原始的对应提高了 47.4%。AHMED 等 50 研究了过硫酸钾类芬顿法预处理稻草的实验，实验表明在使用 120 毅C、75 mmol 过硫酸钾和 2 h 反应时间的条件下，酶消化率达 91%，结晶度指数和电镜扫描均能显示稻草生物质被破坏，酶解效率提高。ZHANG等 12 人研究了芬顿预处理和类芬顿预处理对甘蔗渣酶解糖化性能的影响，芬顿试剂为 1:25 的二价铁离子和 30%的双氧水预处理蔗渣，类芬顿反应条件为 15 mg BiFeO3和 20 mL 双氧水预处理蔗渣。结果表明类芬顿法预处理后的甘蔗渣酶解的还原糖产率为 25.8%。糖转化率为 36.6%，是芬顿预处理的 2.2倍和 2.4 倍；该方法中芬顿法和类芬顿法的作用机理如图 3 所示，芬顿反应和 BiFeO3类芬顿反应过程中，都可以产生 OH，但后者产生的 OH 浓度更高，作用时间更长，所以后者可以除去更多的半纤维素和木质素，使更多的纤维素被纤维素酶酶解，提高蔗渣的产糖效率。经预处理后的生物质与生物酶的可触性增加，从而增大了酶解效率。过硫酸盐氧化预处理技术具有良好的稳定性和攻击性，并且大部分的过硫酸盐都价廉易得，对环境污染小。其对生物质的结构破坏作用大，可以有效的提高生物质的酶解性能，目前关于过硫酸盐氧化技术对生物质预处理的研究还较少，并且由于生物质种类的不同，其预处理效果也有一些差异，深入研究过硫酸盐氧化技术对生物质的降解机理，可以帮助我们在未来建立一种绿色的预处理技术提供帮助和参考。芬顿和类芬顿法的预处理机理如图 3 所示 13。图 3芬顿和类芬顿法的预处理机理示意图4.3 离子液体预处理离子液体预处理生物质是一种新的有前途的绿色处理方法，它由有机离子或无机离子组成，在100 益下以液态存在，其可以溶解木质素和碳水化合物，具有低粘性、低腐蚀性、良好的稳定性和可回收性。该试剂反应可在较温和的条件下进行，能耗较低。CHEN 等 51 人研究了 3 种不同的离子液体 BF4、HSO4和 C1 预处理芦苇生物质产糖的影响，结果表明使用 16%HSO4预处理的生物质产糖率最高，为7.9 g L-1，比未经预处理的增加了 68.8%。王淑捷等 52 人研究了碱性离子液体 TBAH 预处理桉木的酶Fe2+H2O2 Fe3+OH+OH-Fe3+H2O2 Fe2+H+HO2木质素半纤维素Untreated SCBFenton pretreatment OH OH OH OH OH OH OH OHFe3+H2O2 Fe2+H+HO2Fe2+H2O2 Fe3+OH+OH-BiFeO3Fenton-like pretreatmentCelluloseHemicelluloseLignin纤维素36第 4 期解性能的影响，结果表明在 11.78%、71.98 益条件下反应 57.19 min 为最佳预处理条件，经该法预处理后，酶解桉木可获得最大还原糖产率为 365.62 mg g-1，通过成分分析和 SEM 扫描电子显微镜等分析发现预处理中（TBA）+可以有效的降解木质素，OH-可以降解半纤维素，在两者的协同作用下，桉木的半纤维素由 26.8%降至 18.0%，木质素由 26.3%降至 15.0%，纤维素结晶度指数由 42.39%增加至 54.11%。这些结果均表明，该离子液体可以有效的提高桉木的酶解糖化性能。ASAKAWA 等 53 人研究了醋酸胆碱离子液体预处理甘蔗渣的酶解效果，结果表明，在 110 益的条件下，使用醋酸胆碱离子液体处理蔗渣360 min，后续发酵液酶解 72 h 后，获得了 0.355 g 葡萄糖/1 g 蔗渣的产率，其相当于经该法预处理后，蔗渣中 98.7%的纤维素都转化为葡萄糖。离子液体预处理技术是一种新型绿色预处理技术，对木质纤维生物质的预处理效果有良好的反应，但离子液体的合成条件较高、用量大，其反应后的回收再利用技术还有待探究。4.4 深度共熔溶剂预处理深度共熔溶剂是由氢键供体（甘油、山梨醇、尿素、咪唑、柠檬酸、乳酸、乙二醇等）和氢键受体（氯化胆碱、三甲基甘氨酸、N-乙基-2-羟基-N，N-二甲基乙胺等）创新组合的共熔混合物。共熔溶剂与离子液体具有非常相似的溶剂化学特性，其与离子液体不同的是，共熔溶剂可以通过改变其组分的比例来改变其本身的物理化学性质。LIU 等 54 人研究了用三乙基苄基氯化铵/乳酸制作的深共晶溶剂预处理蔗渣，其在 120 益、固液比 1颐15 的条件下反应 4 h，可获得 88.23依1.24%的纤维素消化率和 88.72依1.63%的木质素脱除率。SHARMA 等 55 人研究了共熔溶剂与超声波组合预处理对蔗渣生物转化的效果和作用机理，结果表明用三氯甲烷与甘油制备的深度共熔溶剂与超声波联合预处理蔗渣，可以获得 276.8 mg g-1的产糖率，优于三氯甲烷或甘油单独预处理（235.3 mg g-1）和超声波单独预处理（174.5 mg g-1）。其酶水解液经过后续发酵，可以得到 142.09 mg g-1的酒精产量。JI 等 56 人研究了三元深度共晶溶剂和超声波协同三元深度共熔溶剂预处理蔗渣后其酶解糖化性能的变化，在单独使用三元深度共熔溶剂预处理蔗渣的条件下，蔗渣的木质素脱除率达到82.71%，纤维素含量达 47.67%，其酶解消化率达到 85.68%。在协同超声波前处理 60 min 后，蔗渣的脱木素为 86.39%，纤维素含量为 66.17%，酶解消化率为 90.31%。两相对比，虽然脱木素提高较少，但协同超声波预处理的纤维素含量显著更高，其酶解糖化率也有所增加。相较单独使用深度共熔溶剂预处理木质纤维素而言，联合物理超声波的手段是目前更有效的预处理方法：不仅可以提高酶解糖化效率，还可以缩短反应时间。共熔溶剂具有易制备、效益高、可生物降解、环境友好且可回收的优点，但就目前而言，深度共熔溶剂在预处理过程中的使用量和成本都较高，其回收循环再利用的研究较少，对生物质预处理作用的机理也还不清晰明了，后续若能建立 1 个高性能的液体回收循环再利用体系，对于共熔熔剂预处理技术而言将是大进步，其离绿色环保的预处理技术就更加接近。5微生物预处理微生物预处理是指通过自然界中的或人工培育的菌种如真菌和其它微生物对木质纤维生物质进行降解，目前研究较多的降解生物质的微生物有木霉、黑曲霉和白腐真菌等。大部分微生物的作用是降解生物质中的纤维素和半纤维素为葡萄糖和其它单糖，而白腐真菌可以同时分解生物质的聚合物，产生较多的过氧化物酶来降解木质素，增大纤维素和半纤维素的利用率 57。微生物预处理技术一般无毒环保、对能源要求低且不会对下游发酵工艺产生抑制作用。但微生物处理条件容易受到物理化学和环境因素的影响，且微生物预处理周期较长，一般为 1 周左右。多项研究表明复合微生物预处理较单一微生物预处理有更好的效果，WEN 等 58 研究了 3 种不同菌群对生物质前处理的影响，结果表明在 MC1、WSD-5、XDC-2 这三种菌群中，MC1 菌体预处理象草可获得最大的总糖产率 83.2%。黄开明等 57 研究了复合微生物预处理玉米秸秆提高其产甲烷的效果，结果表明使用黑曲霉、木霉、草酸青霉和白腐真菌组成的复合微生物菌系（HK-4）对玉米秸秆在 28 益、转速 190 r/min 的条件下预处理 15 天，纤维素和半卢开红等：提升木质纤维生物质酶解炼制高值化学品的预处理技术37佛山科学技术学院学报（自然科学版）第 41 卷纤维素含量分别增至 64.52%和 51.06%，木质素脱除至含量为 3.89%，其产气率较未处理提高了 27.4%。且使用复合微生物预处理的玉米秸秆在第 4 天产甲烷率就可达到 40%以上，而未经 HK-4 处理的玉米秸秆，其甲烷产率在第 6 天才达到 36.7%。复合微生物预处理不仅效果优于单一微生物预处理，在后续发酵过程中，还可以缩短反应时间，提高经济效益。预处理时间长是微生物预处理技术发展的屏障之一，对于该问题而言，或许可以考虑结合微生物的特性，研究开发预处理和酶解反应能同时进行的预处理方法，这样就可以消除时间对经济成本的影响，提高微生物预处理技术的可行性。6木质纤维生物质预处理技术的优缺点表 3 总结了本文提到的预处理技术的优缺点。作为提高木质纤维生物质酶解产糖的关键技术，各种预处理技术在目前大量的实验研究中，仍然存在许多问题。主要概括如下：（1）许多预处理技术的实验条件对反应设备的要求较高，提高了生产成本，且对环境不友好。如对于强酸强碱预处理而言，其对反应容器的耐腐蚀性要求高且消耗快，这使得生物质的高值化在转换过程中成本增加。为解决此类问题，需深入研究稀酸-稀碱预处理技术，开发反应条件温和、对反应器耗材消耗低的预处理方法。（2）不同的预处理方法对不同的木质纤维生物质的降解机理也大不相同，这为如何根据降解机理而设计更加经济便捷、性价比高的预处理方法造成较大的阻碍。这也增加了对预处理方法优劣的评价困难性。（3）许多预处理方法虽然可以去除较多的木质素，但同时也会去除纤维素和半纤维素，导致原料的利用率下降。未来在寻求去除木质素和破坏生物质结构的同时，保留更多的纤维素的预处理方法是研究预处理技术的重点。（4）联合预处理技术虽然可以提高酶解效率，但同时隐形增加了操作步骤，且不能完全去除其中单一预处理技术的部分缺点。关于物理-化学，微生物-化学等联合预处理技术的研究还有待开发。（5）对于新型预处理方法如离子液体预处理、深度共熔溶剂预处理等所用的化学试剂而言，缺乏其溶剂循环利用策略的建立。在整个过程中的能源消耗，可能会增加生物质高值化利用的成本。深入研究其对生物质预处理作用的机理，可以帮助后续建立更优的液体溶剂配比和循环利用的策略建立。（6）化学、物理-化学等预处理过程中，不可避免的会产生一些有毒有害、对环境不友好的废液或废气，极大可能会影响生物质后续发酵生物乙醇的效率。如何去除或避免这些有害物质的产生是化学预处理中的一个难题和挑战，研究预处理过程中产生的废液的化学性质可以帮助解决该问题。表 3不同预处理技术的优缺点物理联合化学预处理破坏化学键、改变 3组分组成分产糖率明显提高成本较高预处理方法作用机理优点缺点单纯物理法-机械破碎、微波、超声波颗粒粒度降低，增大表面积、破坏化学键环保，不需要加入其它化学试剂、可以提高后续其它预处理的效率成本高，难以实现大规模使用、不能去除木质素或半纤维素酸预处理去除半纤维素糖回收效率高、对于稀酸而言无需回收强酸对器材有腐蚀和损耗，需要高温高压环境、会产生下游工艺抑制剂成本高碱预处理去除木质素可在室温下进行、有效去除木质素反应结束后需要大量的酸进行中和、成本高、糖回收率较低酸碱组合预处理水解半纤维素去除或提取木质素降低酸/碱的使用浓度、效率高，有效分离 3 组份反应条件要求较高、对环境不友好、会产生抑制下游工艺的抑制剂芬顿预处理自由基破坏化学键反应条件较温和、对环境友好、无需回收产糖效率较低38第 4 期7结语与展望预处理技术是生物质酶解发酵产高值化学品过程中关键性的、不可或缺的一个环节，过硫酸盐氧化预处理、微波预处理和离子液体预处理等新型预处理技术均属于绿色环保、能耗低、对下游发酵工艺抑制作用小的预处理方式，研究开发可以用于实际工厂可行性的预处理技术对于将生物质转化为液体燃料乙醇具有十分重大的意义，其可以为我国“双碳”的实现提供强大助力，同时还能有效利用废弃生物质资源，保护环境。虽然目前为止真正可以达到效果高、无污染、成本低、可用于工业生产的预处理方法尚待研究。但未来，将木质纤维生物质转化为生物乙醇燃料来填补能源空缺是势在必行的，本文整理了相关预处理技术的实验方法和作用机理，以期能为生物质高值化利用提供参考和借鉴。参考文献：1CHOURASIA V R,PANDEY A,PANT K K,et al.Improving enzymatic digestibility of sugarcane bagasse from differentvarieties of sugarcane using deep eutectic solvent pretreatment J.Bioresour Technol,2021（337）:125480.2陈向国.我国生物质能产业将走出高质量发展之路 J.节能与环保,2022（6）:24-6.3罗仕华,胡维昊,刘雯,等.中国 2060 碳中和能源系统转型路径研究 DB/OL.2022-07-15.https:/ J.北京工业大学学报,2020,46（10）:1204-1212.5BINOD P,SATYANAGALAKSHMI K,SINDHU R,et al.