楊尉¹，劉立國¹，武書彬²

(1廣州優(yōu)銳生物科技有限公司，廣東廣州510663；2華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州510640)

　　摘要：由豐富的木質(zhì)纖維素資源制備乙醇有利于緩解能源緊缺、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。然而某些物理、化學因素阻礙了木質(zhì)纖維素中纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化和利用。預處理引起物理和/或化學上的變化，主要目的是改變或去除各種結(jié)構(gòu)和(或)化學障礙，增加纖維素酶解率和轉(zhuǎn)化效果，是一系列纖維素乙醇轉(zhuǎn)化技術(shù)中的關(guān)鍵和核心。本文就纖維素乙醇生物轉(zhuǎn)化預處理研究的新進展及新技術(shù)進行綜述并對其發(fā)展作了展望。

　　化石資源日益枯竭，能源問題面臨嚴峻考驗，加之環(huán)境污染與氣候變暖，開發(fā)利用綠色可再生新能源是當前重大課題。乙醇是生物質(zhì)液體能源的主要形式，清潔可再生，是化石燃料的理想替代品。燃料乙醇生產(chǎn)目前主要以糧食為原料，考慮到糧食安全，開發(fā)木質(zhì)纖維素等非糧乙醇技術(shù)受到國內(nèi)外廣泛重視。

　　木質(zhì)纖維素是最豐富的可再生資源，年生成量高達1×10¹⁰t，無額外CO₂排放，其資源利用及生物化工過程對解決能源問題、減少碳排放與環(huán)境污染、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有重要現(xiàn)實意義。木質(zhì)纖維由纖維素(35%～50%)、半纖維素(20%～35%)和木質(zhì)素(10%～25%)通過特定方式交聯(lián)形成類似于鋼筋混凝土的穩(wěn)定復雜結(jié)構(gòu)，及纖維素分子的高結(jié)晶度、高聚合度使得其很難直接被酶及微生物轉(zhuǎn)化利用，必須進行預處理，從而大大增加了轉(zhuǎn)化難度和成本。預處理的目的主要是破壞纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的連接，分離纖維素與木質(zhì)素、半纖維素，打開纖維素內(nèi)部氫鍵，使結(jié)晶纖維素無定型化，降低結(jié)晶度、聚合度，提高基質(zhì)孔隙率和比表面積^[1-2]。

　　由于預處理及酶解成本高、缺乏成熟高效的戊糖發(fā)酵技術(shù)因素制約，纖維素乙醇至今未能完全工業(yè)化。經(jīng)濟有效的預處理技術(shù)一般應具備以下幾個特點或優(yōu)勢：①適用范圍廣，對多種原料均有較高的得率；②降低粉碎成本，高消化(酶解)率；③糖濃度高、降解損失少；④抑制性產(chǎn)物低；⑤廢棄物少；⑥設備合理、投資少；⑦戊糖、己糖發(fā)酵兼容性好；⑧木質(zhì)素可分離回收；⑨能耗低^[1]。本文對前景較好的熱點技術(shù)及方向的研究進展進行了綜述和總結(jié)，并展望了其發(fā)展趨勢。

　　1木質(zhì)纖維素預處理技術(shù)

　　單獨某一種預處理方法并非對任何原料都有較好的效果。目前的木質(zhì)纖維素預處理方法有很多種，可分為物理法、化學法、物理化學法、分步組合法和生物法幾大類。

　　1.1物理方法

　　物理方法預處理主要是增大比表面積、孔徑，降低纖維素的結(jié)晶度和聚合度。常用的物理方法包括機械粉碎、機械擠出、高能輻射等[1]。

　　1.1.1機械粉碎

　　機械粉碎即將物料切碎、碾磨處理成10～30mm或0.2～2mm的顆粒，比表面積增高，結(jié)晶度、聚合度降低，可及度增加，有利于提高基質(zhì)濃度和酶解效率，但不能去除木質(zhì)素及半纖維素。

　　粉碎分為干粉碎、濕粉碎，包括球磨、盤磨、輥磨、錘磨、膠體磨、機械擠出等，膠體磨適用濕物料，而球磨對干、濕物料都適合。

　　由于粒徑與能耗相關(guān)，經(jīng)濟性不高，效果單一，故粉碎常與其他方法相互補充^[2]。研究表明，甘蔗渣、麥稈經(jīng)球磨與盤磨粉碎后酶解率及乙醇得率均顯著提高；經(jīng)寬角X射線衍射分析，球磨主要通過降低結(jié)晶度改善酶解，而盤磨則主要依靠去纖維化。機械擠出是一種應用前景良好的預處理新技術(shù)，處理效果受到設備尺寸及參數(shù)的影響。物料通過擠出器時在熱、混合和剪切作用下引起物理、化學性質(zhì)的改變，依靠螺旋擠出轉(zhuǎn)速及溫度打破木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，引發(fā)去纖維化、纖維化效應，縮短纖維長度，改善了酶對底物的可及性^[1]。

　　1.1.2高能輻射

　　高能輻射是用高能射線如電子射線、γ射線對原料進行預處理，可使纖維素聚合度下降，降解為小纖維片段、寡葡聚糖甚至纖維二糖，使結(jié)構(gòu)松散，打破纖維素晶體結(jié)構(gòu)，增加反應活性^[1]。

　　采用γ射線輻照處理秸稈，可使纖維素酶解轉(zhuǎn)化率提高至88.7%。KIM等[3]證明電子束照射確實能增加纖維素的酶解率：稻稈用80kGy、0.12mA、1MeV的電子束照射后酶解葡萄糖得率達52.1%，比直接酶解的22.6%增加近30%。

　　1.2化學方法

　　1.2.1酸預處理

　　酸法是研究得最早、最深入的化學預處理方法，分為低溫濃酸法和高溫稀酸法。低溫濃酸(如72%H₂SO₄、41%HCl、100%TFA)處理效果通常優(yōu)于高溫稀酸，能溶解大部分纖維素和半纖維素，但是其毒性、腐蝕性及危害大，需要特殊的防腐反應器，酸回收難度較大，后期中和需消耗大量的堿，因此應用受到限制^[2]。稀酸法是目前較常用而成熟的方法之一，生物質(zhì)在較高溫度(如140～190℃)和低濃度酸(如0.1%～1%硫酸)作用下，可實現(xiàn)較高的反應速率，半纖維素組分幾乎100%除去，纖維素的平均聚合度下降，反應能力增大，酶水解率顯著提高，但去除木質(zhì)素不很有效。稀酸法因其效果好、污染少成為研究的熱點并獲得了較大進展，如美國國家可再生能源實驗室(NREL)開發(fā)了比較成熟的稀硫酸預處理—酶解發(fā)酵工藝并建成了中試裝置。稀酸法最大的缺點是產(chǎn)生副產(chǎn)物如甲酸、乙酸、糠醛、羥甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等，即影響酶解又抑制微生物生長和發(fā)酵。稀酸法可在較高溫度(180℃)處理較短時間(5min)也可在較低溫度(120℃)處理較長時間(30～90min)，溫度和酸濃度越劇烈預處理效果越好，但抑制產(chǎn)物會增加。

　　CHEN等^[4]提出“半纖維素/纖維素分離-分步發(fā)酵”(XCFSF)工藝路線，玉米芯經(jīng)稀硫酸預處理后木糖得率為78.4%，纖維素回收率為96.81%，水解木糖和纖維素殘渣酶解后的糖液發(fā)酵乙醇，酶解殘渣同步糖化發(fā)酵(SSF)，最終將70.4%的半纖維素和89.77%的纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇。酸可以用硫酸、硝酸、鹽酸、磷酸、碳酸等無機酸，也可用乙酸、丙酸、草酸等有機酸。將蔗渣在高于160℃條件下經(jīng)稀磷酸預處理，可有效水解半纖維素為單糖，且副反應少[5]。用80%乙酸、0.92%硝酸在120℃處理麥稈20min，81%的半纖維素和92%的木質(zhì)素被水解或降解，同時纖維素結(jié)晶度降低，升高溫度或增大硝酸濃度會加速纖維素的乙酰化。稀酸法結(jié)合新型的反應器如逆流收縮床，可改善處理效果，得到很高的葡萄糖得率。

　　1.2.2堿預處理

　　堿預處理是用NaOH、Ca(OH)₂、NH3等的水溶液脫除木質(zhì)素和部分半纖維素，有效增加酶分子對纖維素的可及性，從而顯著提高糖化率。堿能破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，溶解木質(zhì)素，削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵及半纖維素和其它組分的酯鍵，增加空隙率，半纖維素部分溶解、纖維素則因水化作用而膨脹，結(jié)晶度降低。跟酸處理不同，一部分堿與生物質(zhì)會發(fā)生反應轉(zhuǎn)化為不可回收的鹽而損失掉^[1]。NaOH不易回收，成本高且污染環(huán)境，而Ca(OH)₂預處理試劑成本低、安全性高，可通過生成不溶的CaCO₃得到回收。堿法可在高溫(100～150℃)、低濃度下短時間處理，也可在低溫、高濃度下處理較長時間，通常對農(nóng)業(yè)廢棄物比對木料更加有效。JEYA等[6]將稻稈按固液比1∶4與2%NaOH混合，85℃保溫1h，酶解率達到88%。KIM等^[7]用15%氨水(固液比1∶6)60℃浸沒玉米秸稈12h，可去除62%的木質(zhì)素，保留了100%的葡聚糖和85%的木聚糖，酶解率分別提高至85%和78%，經(jīng)同步糖化共發(fā)酵(SSCF)乙醇得率達77%。高粱纖維、氨、水按比例1∶0.14∶8混合于160℃、160psi壓力下處理1h，約44%木質(zhì)素和35%半纖維素被脫除，半纖維素回收率、纖維素酶解率分別達到84%、73%；經(jīng)釀酒酵母發(fā)酵，乙醇得率25g/100g干料，比未預處理條件下提高了2.5倍^[8]。

　　1.2.3氧化法

　　氧化法是利用O₂、O₃、H₂O₂等強氧化劑將木質(zhì)素氧化分解，同時溶出大部分半纖維素，纖維素幾乎不受影響而保留下來。

　　木質(zhì)纖維原料于室溫在堿性(如pH=11～12)H₂O₂水溶液中浸泡一定時間(如4～16h)，通過脫除木質(zhì)素來提高酶解率：麥稈可發(fā)酵糖酶解轉(zhuǎn)化率達到97%。研究表明，經(jīng)H₂O₂預處理后蔗渣酶解敏感性大大增加：2%H2O2、30℃處理8h，50%的木質(zhì)素和大部分半纖維素溶解，葡萄糖回收率達95%。臭氧法一般在常溫常壓下進行，條件溫和、操作簡便，能有效降解木質(zhì)素和部分半纖維素，無酸堿殘留、不產(chǎn)生抑制物質(zhì)，其處理效果主要受到物料水分、粒徑和O₃濃度的影響，缺點是需消耗大量臭氧，成本昂貴^[9]。

　　濕式氧化法(WO)通常是在高于120℃條件下(如148～200℃)，以水、空氣/氧氣、堿(Na₂CO₃)共同處理木質(zhì)纖維素原料一段時間(如30min)，發(fā)生水解產(chǎn)酸和氧化反應，包括木質(zhì)素降解、氧化，半纖維素降解為單糖溶解，纖維素部分降解。溫度、時間和氧分壓是重要因素，此法能有效將纖維素與木質(zhì)素、半纖維素分離，不會產(chǎn)生糠醛、羥甲基糠醛等發(fā)酵阻抑物，溶解的半纖維素、羧酸等還是微生物的營養(yǎng)來源^[2]。WO處理可提高蔗渣酶解轉(zhuǎn)化率，但酸、堿條件下效果差異很大。195℃處理15min可溶解93%～94%的半纖維素和40%～50%的木質(zhì)素，而185℃堿性WO處理5min僅溶解30%的半纖維素和20%的木質(zhì)素；堿性條件可減少糠醛的生成；185℃酸性WO處理5min液相中糖得率最高(16.1g/100g)，而195℃堿性WO處理15min條件下獲得了最高的纖維素含量(70%)和最高的酶解轉(zhuǎn)化率(74.9%)^[10]。

　　1.2.4離子液體抽提

　　離子液體是一類新型纖維素溶劑，一般由有機陽離子和無機陰離子所組成，是低溫(＜100℃)下呈液態(tài)的離子型有機化合物，具有極低的蒸汽壓、良好的熱穩(wěn)定性和一些奇特的物理化學性質(zhì)^[1]。作為一種新型的預處理技術(shù)，離子液體對纖維素有良好的溶解能力，未經(jīng)任何前處理的纖維素在氯化1-丁基-3-甲基咪唑(BMIMCI，[C4mim]Cl)的溶解度達到300g/L以上。

　　ZHU等[11]使用BMIMCI在微波輻射和加壓的條件下溶解木質(zhì)纖維素原料，纖維素乙醇或丁醇的發(fā)酵轉(zhuǎn)化效率明顯高于蒸汽爆破、化學預處理等常規(guī)工藝，且再生的纖維素性質(zhì)如酶解性得到顯著改善。LEE等^[12]用1-乙基-3-甲基咪唑乙酸([Emim][CH₃COO])溶解木質(zhì)纖維中的木質(zhì)素，結(jié)果表明脫除40%的木質(zhì)素則可使酶解率提高至90%以上。然而，在大規(guī)模應用之前，離子液體的低成本回收技術(shù)及其對酶和微生物的毒性還需進一步研究。

　　1.2.5有機溶劑法

　　有機溶劑法是利用有機溶劑在高溫(如150～200℃)下破壞木質(zhì)素-碳水化合物復合體(LCC)，分解木質(zhì)素網(wǎng)絡、脫除木素，還可能去除部分半纖維素，同時可回收得到純度較高、低分子量的木質(zhì)素產(chǎn)品。有機溶劑常包括醇類(甲醇、乙醇)、酮類(丙酮)、酯類、醚類、酚類(苯酚)、甘醇類(乙二醇、甘油)、酸類(甲酸、乙酸、草酸、水楊酸)等，出于成本考慮，選用低分子量、低沸點的醇類如乙醇、甲醇等比高沸點的更加有利^[2]。輻射松在最優(yōu)條件下(195℃、pH=2.0、丙酮-水體積比1∶1)經(jīng)丙酮-水體系預處理5min，最高乙醇得率達99.5%^[13]。某些研究中，酸催化的有機溶劑法對于水解半纖維素、提高木糖得率非常有效。有機溶劑法可降低成本，避免生成抑制性副產(chǎn)物，但同時存在腐蝕、毒性及環(huán)境污染等問題。

　　1.3物理-化學方法

　　1.3.1蒸汽爆破

　　蒸汽爆破是一個“熱-化學降解(自催化水解)-機械爆破”過程：以高溫(如160～230℃)蒸氣快速加熱纖維原料，維持一段時間(如2～10min)，結(jié)束時瞬間泄壓實施爆破，實現(xiàn)原料組分分離和結(jié)構(gòu)改變，增加其反應活性，提高酶解率。高溫下水解離度增加，H+催化部分半纖維素水解并釋放乙酰基成為乙酸，這進一步加速了半纖維素的水解。爆破時高溫蒸汽急劇膨脹做功，溫度和壓力迅速下降終止了水解反應，剪切力作用于孔隙結(jié)構(gòu)使物料蓬松，可及性提高^[1]。預處理后纖維素的結(jié)晶度和聚合度下降，纖維素-半纖維素-木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)被破壞，半纖維素自水解轉(zhuǎn)變成單糖和寡糖，木質(zhì)素發(fā)生部分降解，O/C和H/C原子比、疏水性等性質(zhì)也發(fā)生變化。影響蒸汽爆破的因素有原料種類、顆粒大小、爆破壓力、溫度和維壓時間等，其中溫度(T)和時間(t)可由強度因子(RO)來描述[2]：

　　RO=t×e[(T-100)/14.5]

　　蒸汽爆破投資少、能量效率高、糖回收率高、無危險的化學試劑、生產(chǎn)安全、環(huán)境影響小，適用于硬木及農(nóng)業(yè)廢棄物等(如楊木、稻稈、橄欖廢棄物、玉米稈、麥稈)，但對軟木的效果不是很好。

　　CHEN等^[14]開發(fā)了無污染汽爆技術(shù)，不加任何化學試劑，只需控制秸稈的水分含量便可分離出80%以上的半纖維素，纖維素酶解率達到90%以上，該技術(shù)已成功放大至5m3裝置。加入某些化學催化劑可改善汽爆處理效果，提高半纖維素水解、降低處理強度、減少副反應、改善酶解效果，如SO₂汽爆法、堿汽爆法、稀酸汽爆法等。添加SO₂對松木片進行蒸汽爆破，纖維素轉(zhuǎn)化率＞90%。堿(NaOH)催化蒸汽爆破處理大麥稈、小麥桿，原料中30%、40%的阿拉伯木聚糖以大分子量形式被提取出來，纖維素完全保留，72h酶解率分別達到80%～90%和70%～85%^[15]。汽爆前將物料在稀酸如亞硫酸、硫酸、乙酸等中浸泡可提高選擇性和酶解效果。以乙酸、乙醇、酒石酸預浸麥稈然后蒸汽爆破，糖化率均顯著提高^[16]。SASSNER等^[17]考察了溫度(180～210℃)、時間(4、8、12min)和硫酸濃度(0.25%或0.5%)對汽爆預處理的影響，在最優(yōu)條件下(200℃、4min、0.5%硫酸)，100g干柳木可產(chǎn)葡萄糖、木糖55.6g，預處理物料經(jīng)SSF乙醇得率達到79%。

　　1.3.2高溫液態(tài)水

　　高溫液態(tài)水(HLW)處理是將物料于160～230℃高壓熱水中批式或連續(xù)處理2～20min，使物料的40%～60%溶解，包括幾乎所有的半纖維素(以寡聚糖形式溶出)、約35%～60%木質(zhì)素及少量纖維素，半纖維素的回收率可高于90%，增大物料對酶的敏感可及表面面積，增加酶解可及性，不溶物纖維素酶解轉(zhuǎn)化率超過90%^[2]。HLW處理強度會顯著影響半纖維素收率和酶解糖得率，不同的物料最佳處理條件通常有差異。HLW的優(yōu)點是具有更高的戊糖回收率，不需中和處理，降低了成本，環(huán)境污染小，不需過多的粉碎處理，發(fā)酵抑制性副產(chǎn)物產(chǎn)生較少，但HLW只能在較低固體含量(≤20%)條件下進行，能耗較大^[1-2]。

　　水的pH值和固體含量均影響預處理效果：隨著固體含量的增加，液態(tài)熱水pH值相應下降，木糖回收率降低，當液態(tài)熱水pH值從3.7降至3.3時，木糖的回收率從83%降至66%。對于半纖維素回收率和酶解率，二者的最優(yōu)HLW處理條件并不一致，麥稈經(jīng)184℃處理24min半纖維素回收率最高(71.2%)，而214℃處理2.7min的酶解率最高(90.6%)，這預示采用二步法可能會獲得最高的糖收率^[18]。Yu等[19]以二步法高溫熱水預處理桉木碎片：第一步180℃、20min抽提半纖維素，收率86.4%；第二步200℃處理20min以提高酶解率，酶解后總糖回收率達到96.63%。另外，添加CO2可以明顯提高HLW預處理的分離效果。

　　提高HLW溫度形成超臨界水(溫度和壓力高于臨界點374.2℃、22.1MPa的水)即成為所謂的超臨界水預處理，利用水在臨界點時溶劑化能力突然增強，電離程度突然增大等性質(zhì)，電離的H+作催化劑進行水解使物料中纖維素溶解，實現(xiàn)與木質(zhì)素的完全分離[20]。

　　1.3.3氨纖維爆破

　　氨纖維爆破(Ammonia Fiber Explosion，AFEX)即將木質(zhì)纖維原料在液態(tài)氨中處理一定時間，然后瞬間釋放壓力進行爆破。

　　AFEX可使纖維素結(jié)晶分解及半纖維素解聚，并從纖維素/半纖維素中去除木質(zhì)素和少量半纖維素。典型的AFEX溫度在90～100℃，時間20～30min，1kg原料用1～2kg液氨，由于液氨迅速汽化而產(chǎn)生驟冷作用，不僅有助于增加纖維素表面積，還可避免高溫下糖的降解及有害物的產(chǎn)生，99%的NH3可回收，剩余的可作發(fā)酵氮源。AFEX簡單高效，能耗較低，不需洗滌脫毒，也無需添加營養(yǎng)素或采取其它步驟就可用于生產(chǎn)乙醇，是一種大有前景的預處理技術(shù)。240g玉米稈(濕度60%)加入150g液氨，AFEX處理(4.48MPa、15min、初始溫度130℃±5℃、結(jié)束溫度110℃±5℃)后預處理物料不經(jīng)洗滌、脫毒，也不額外加入營養(yǎng)成分，直接酶解后由工程菌株發(fā)酵，乙醇濃度為40g/L，乙醇得率(以未處理玉米稈計)達到較高水平(19.15%)^[21]。LEE等^[22]AFEX處理百慕大草后其組分未改變，但增加了酶解率及可發(fā)酵性糖的轉(zhuǎn)化，100℃處理30min后酶解率為94.8%。

　　1.3.4微波與超聲波處理

　　微波處理包括熱效應和非熱效應，可改變纖維的超分子結(jié)構(gòu)，使纖維素結(jié)晶區(qū)尺寸發(fā)生變化；能夠部分降解木質(zhì)素和半纖維素，增加可及度，提高纖維素酶水解效率[1]。微波處理的熱效果明顯優(yōu)于常規(guī)加熱，提取麥殼半纖維素的抽提率最高達50%，且微波強度、酸堿條件對得率和分子量都會產(chǎn)生較大影響，加入堿特別是NaOH效果較好[23]。微波處理時間短、熱效率高、操作簡單、糖化效果明顯，但由于費用高，目前難以工業(yè)化應用。

　　超聲波可產(chǎn)生力學效應、空化效應和熱效應，其不僅能強化傳質(zhì)，增加酶分子與底物表面的接觸，對物料本身也能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的影響^[2]。以超聲波輔助的0.5MKOH溶液萃取麥稈，半纖維素得率與普通加熱堿法抽提相比有所提高，且得到的半纖維素相對分子量較高、木素含量較低。另外，空泡破裂產(chǎn)生的沖擊作用也可打開底物表面以促進酶分子的作用，提高酶向底物表面的傳輸效率，打破木質(zhì)纖維素原料包裹結(jié)構(gòu)、降低反應過程中的傳質(zhì)阻力[1]。

　　1.3.5 CO₂爆破

　　CO₂爆破類似于蒸汽爆破，在一定溫度及高壓下(如35℃、7.3MPa)，物料與CO₂臨界流體反應一段時間后突然開閥減壓，造成纖維素晶體的爆裂。CO₂超臨界流體具有極強的溶解力，能溶解SiO₂、木質(zhì)素等，可使纖維素原料脫除木質(zhì)素，分離出纖維素，改善纖維素的性質(zhì)^[1]。CO₂分子大小與H₂O、NH₃相當，在高壓下可以相似的方式滲透進入微孔結(jié)構(gòu)，有利于物料結(jié)構(gòu)上的爆破。此外，水與CO₂反應形成碳酸，可進一步催化木質(zhì)纖維素原料組分的水解。CO₂爆破抑制物生產(chǎn)量較低，但糖得率比蒸汽爆破和AFEX稍低，然而對于某些原料(如蔗渣、廢紙)，CO₂爆破則更加經(jīng)濟高效^[2]。

　　1.4分步組合預處理工藝

　　基于半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的不同性質(zhì)，充分考慮到不同預處理方法的特點，通過集成、連續(xù)地組合運用幾種預處理技術(shù)對原料組分實施分離，實現(xiàn)生物質(zhì)資源的綜合利用。

　　1.4.1蒸汽爆破+有機溶劑

　　采用蒸汽爆破-乙醇堿性水溶液萃取二步偶聯(lián)預處理胡枝子：2.5MPa、4min蒸汽爆破后以60%乙醇(含1%NaOH)抽提分離，處理后纖維素比例提高到86.9%。陳洪章等^[25]聯(lián)合蒸汽爆破和乙醇萃取對麥稈三大組分進行分離，提出了一條經(jīng)濟可行的組分分離工藝過程，半纖維素和木質(zhì)素的回收率分別達到了80%和75%，預處理物料的纖維素酶解率達90%以上，總糖得率為55.55%，噸原料處理成本可控制在200元以下。

　　1.4.2堿法+稀酸法

　　即先利用堿法脫除木質(zhì)素，然后稀酸水解除去半纖維素。楊木或蔗渣先經(jīng)6%NaOH處理后以固液比1∶6在15%過氧乙酸中室溫浸泡7天，乙醇得率分別為92.8%、91.9%。100g碎秸稈按125g/L比例加入ρ(NaOH)=20g/L堿液，于85℃處理90min。殘渣水洗至中性，烘干后取100g按200g/L比例加入ρ(過氧乙酸)=60g/L酸液，于75℃處理2h，半纖維素、木質(zhì)素脫除率分別達65.9%、92.7%^[26]。

　　1.4.3高溫熱水+堿法

　　HLW處理可高效選擇性水解半纖維素，堿法能有效除去木質(zhì)素。KIM等^[27]提出了高溫熱水-氨循環(huán)滲濾抽提(HLW-ARP)的二步分離法。玉米秸稈經(jīng)高溫熱水(190℃、30min)去除半纖維素(92%～95%)，然后于170℃、2.3MPa、5mL/min以15%氨水滲濾抽提60min除去75%～81%的木質(zhì)素，木聚糖回收率83%～86%，殘渣中纖維素含量達到78%～85%，酶解率達88.5%，經(jīng)SSF最高乙醇得率為84%。

　　1.4.4稀酸法+有機溶劑

　　采用低溫酸水解—醇酸水體系抽提的二步組合預處理方法，即0.25～1.25mol/L稀硫酸100℃預處理10～60min水解半纖維素，再以62.5%～87.5%的乙醇酸性水溶液(1mol/L硫酸)81℃抽提90min提取木質(zhì)素，纖維素損失率＜2%，木質(zhì)素脫除率＞70%。曾晶等^[28]將高溫稀酸水解同乙醇萃取偶聯(lián)對麥稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素進行分級分離，麥稈細粉于140℃、固液比1∶20、0.5%H₂SO₄處理10min，半纖維素含量由34.6%降到4.34%，木糖得率74.1%；處理后的殘渣按固液比1∶50加入40%(V/V)乙醇(含0.3%NaOH)180℃抽提30min，粗木質(zhì)素得率達89.5%，所得粗纖維素疏松質(zhì)軟，回收率達到83.2%。

　　1.4.5蒸汽爆破+離子液體^[29]

　　陳洪章在中國專利中公開了一種汽爆與離子液體聯(lián)用的方法：秸稈首先經(jīng)汽爆處理，熱水洗滌除去半纖維素，干燥后與離子液體混合，微波或直接加熱，處理后反復將殘余離子液體沖洗干凈，50℃、pH4.8酶解48～72h，酶解率幾乎100%。

　　1.5生物法

　　生物法預處理是利用微生物降解木質(zhì)素和部分半纖維素，提高纖維素和半纖維素的酶解糖化率。木腐菌是能分解木質(zhì)素的微生物，常分為白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，其中白腐菌最為有效^[1]。白腐菌是自然界最主要的木素降解菌，包括黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)、撕裂蠟孔菌(Ceriporialacera-ta)等。白腐菌在降解過程中分泌的胞外氧化酶主要包括木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)、漆酶(Laccase)，能有效地將木質(zhì)素降解為水和CO₂。KUHAR等[30]以分離出的白腐菌(RCK-1)處理小麥稈，獲得了高木質(zhì)素降解率和低纖維素降解率，糖得率高、抑制物濃度低，乙醇得率達到0.48g/g。此外，利用少動鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)和環(huán)狀芽孢桿菌(Bacillus circulans)進行預處理，可顯著提高辦公廢紙的酶解率，最優(yōu)條件下糖得率可達94%。生物法能耗低、無污染、條件溫和，但目前還在研究階段，木質(zhì)素降解菌種類別少、木質(zhì)素分解酶類的酶活力低、處理速率慢，如利用基因工程等技術(shù)對菌種和酶進行改造，提高酶活力，也有望應用于規(guī)模化生產(chǎn)。

　　2結(jié)語

　　木質(zhì)纖維素的乙醇轉(zhuǎn)化是當前世界性的熱門研究課題，預處理技術(shù)作為關(guān)鍵步驟和核心技術(shù)更是研究開發(fā)的焦點。現(xiàn)有的預處理技術(shù)存在著許多不足，每一種預處理方法都有各自的特色和優(yōu)缺點，如物理法不能分離組分、能耗較高；稀酸法、蒸汽爆破等木素脫除能力差且易產(chǎn)生抑制性副產(chǎn)物，而堿法、有機溶劑分離木素能力強，但半纖維素得率不高。因此，加大基礎性研究力度，改進現(xiàn)有方法，進一步了解木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)對處理過程的影響，深入探索預處理過程中反應機理及其應用是今后突破點之一。

　　再者，當前的預處理工藝多針對單一組分操作、簡單粗暴，如果僅僅強調(diào)纖維素的轉(zhuǎn)化而忽視了半纖維素、木質(zhì)素，則很難實現(xiàn)木質(zhì)纖維素的充分利用，使整體轉(zhuǎn)化成本增加。木質(zhì)纖維素是多組分的資源，對半纖維素、纖維素、木質(zhì)素充分分離、轉(zhuǎn)化和利用才是實現(xiàn)生物質(zhì)能源及資源開發(fā)的可行途徑，但單一預處理技術(shù)無法或很難同時實現(xiàn)三組分分離，故采用多種方法相結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢、取長補短，開發(fā)更高效、無污染且低成本的集成預處理新技術(shù)是未來木質(zhì)纖維素預處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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