1.3　木质纤维原料的预处理技术

木质纤维素细胞壁多层次的超分子结构以及细胞壁中半纤维素和木质素对纤维素的包裹构成了生物质的“天然抗降解屏障”，并且纤维素高度规则的结晶结构也进一步妨碍了纤维素的降解。因此，木质纤维生物质的利用需要有效的预处理技术将其致密的结构解离。预处理指溶解和分离生物质主要成分纤维素、半纤维素和木质素中的一种或几种物质，使剩余的固体物质更易被化学或生物方法降解的过程，增加化学或生物试剂对纤维素的可及性。通过预处理，可以脱除木质素对纤维素的保护作用，降低纤维素的结晶度，增加纤维原料的多孔性和化学或生物试剂与底物的接触面积，从而提高后续的酶糖化效率。一般来说，木质纤维原料未经预处理时酶糖化效率不到20%，经预处理后可达到80%左右[18，19]。主要的预处理方法包括物理法（如粉碎、球磨及研磨等）、化学法（如酸处理、碱处理、氧化处理及有机溶液处理等）、生物法以及以上几种预处理方法的结合。预处理示意图见图1.1。

图1.1　木质纤维素预处理示意图[20]

1.3.1　物理法

物理法[21，22]包括机械碾磨和辐射。机械碾磨可以破坏木质纤维生物质紧密的细胞壁结构，减小生物质颗粒大小，改变其内部的超微结构，降低结晶度，从而提高纤维素的糖化效率。这种方法是通过人工或者机器破坏纤维素的晶体结构，使纤维素和半纤维素的颗粒变小，增加这两种高聚糖与酶的接触面积。物料经过粉碎后，结晶度下降，聚合度减小，物料的溶解性能迅速增加；当粒径在10～30μm之间时，酶解效率将达到80%。经过机械粉碎的物料体积小，无膨胀性，其物理化学性质发生变化的概率最低，能够得到高浓度的糖化液，但这种方法消耗较多的人力。辐射包括微波和超声波，其中，微波指300MHz～300GHz范围的电磁波，微波辐射法的原理是通过微波辐射使木质纤维原料内部的分子碰撞产生热量，使得纤维素、半纤维素和木质素的软化温度达到一致，从而降低纤维素结晶度并提高纤维素的溶解度。微波辐射法的优点是反应的时间较短并且操作非常容易，但该方法必须保持温度在160℃以上，但又不能高于220℃，否则物料将发生分解，影响预处理效果。

物理方法除了上述的机械粉碎和微波辐射法，还有电子射线、润湿法和热水预处理、冷冻处理等。物理方法可以破坏木质纤维原料结构、增大比表面积、降低纤维素结晶度，但是对设备有较高要求，作用不明显，成本较高，难以实现大规模工业化生产[23，24]。

1.3.2　化学法

化学法预处理主要是利用酸、碱或有机溶剂对木质纤维原料进行处理，除去半纤维素和木质素，破坏纤维素的结晶结构，以及增加纤维素的孔隙度和比表面积。酸处理主要是通过浓酸或稀酸溶解生物质中的半纤维素，尤其是木聚糖来实现破坏其细胞壁的方法。浓酸对设备腐蚀性强，操作和维护成本高，且回收困难，易造成环境污染，同时由于其反应强烈，导致产生的单糖进一步降解，不利于后续的发酵利用，因此浓酸预处理基本上已不被采用。稀酸处理被认为是去除半纤维素较成熟又有效的方法，通常是采用较低浓度的无机酸（H2SO4、HCl和HNO3），在一定时间范围内，当温度低于160℃时，半纤维素可被降解为单糖，且单糖不被进一步降解；当温度高于160℃时，纤维素也将被降解，同时产生较多的单糖降解物和木质素降解物[25]。虽然稀酸预处理技术已取得许多令人鼓舞的结果，但稀酸处理容易造成单糖的进一步降解，生成糠醛、羟甲基糠醛、甲酸、乙酸以及乙酰丙酸等对纤维素酶和发酵菌有抑制作用的物质，并且高温或酸浓度较高的处理条件会引起木质素的缩合，这些缩合的木质素附着于纤维素表面不仅降低了纤维素的可及度，还会造成木质素对酶的不可逆吸附，进而增加纤维素酶的用量[26]。因此，采用稀酸处理木质纤维生物质时，控制操作条件非常重要。此外，稀酸预处理依然存在着设备腐蚀以及稀酸回收等问题。

碱处理是采用碱溶液[NaOH、KOH、Ca（OH）2和氨水]处理生物质，通过碱的作用削弱纤维素和半纤维素之间的氢键，皂化半纤维素和木质素之间的酯键，将木质素与碳水化合物分离，并打破木质素之间的酯键和醚键连接的预处理方法。在相同条件下，与其他预处理方法相比，碱处理去除木质素的效果更好，且更容易断裂木质素、纤维素和半纤维之间的酯键连接[27，28]。此外，碱处理不仅具有较强的脱木质素能力，还能降低纤维素的结晶度，并能将原料润胀，增加原料多孔性和内部比表面积。由于Ca（OH）2价格便宜，在碱性预处理过程中应用较多，通常将Ca（OH）2与水混合成浆后喷洒在物料表面，一般在室温下需要几小时至几星期的处理时间，升高温度能够缩短处理时间。与其他碱法预处理相比，Ca（OH）2处理优点在于成本低，使用安全，且Ca（OH）2能够通过与CO2形成CaCO3沉淀，再煅烧CaCO3进行回收[29]。碱处理后的生物质需要耗费大量的水进行洗涤，以利于纤维素酶解，并且碱处理液会造成环境污染，需要采取合适的措施降低污染。

有机溶剂处理是采用多种有机溶剂（乙醇、甲醇、丙酮、有机酸、过氧有机酸和乙二醇等），在高温条件下，添加或不添加催化剂的条件下，单独或联合处理生物质的过程。生物质经过有机溶剂处理后，大部分的木质素和半纤维素被去除，纤维素几乎被全部保留。与其他化学处理相比，有机溶剂处理具有溶剂易于回收、环境污染小、回收的木质素品质高等优点；回收的高品质木质素可进一步用于生产抗氧化剂、分散剂、聚氨酯材料及环氧树脂等高附加值产品。但有机溶剂成本及回收成本均高，并且有机溶剂处理需要在完全密封的装置中进行[30]。

1.3.3　生物法

生物法预处理是利用微生物或微生物产生的酶来分解木质纤维原料中的木质素和半纤维素，增加木质纤维原料对酶的可及性。微生物主要包括褐腐菌、白腐菌和软腐菌；酶主要是指白腐菌分解植物纤维原料中的木质素时产生的漆酶、木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶[31]。尽管白腐菌具有较强的分解木质素能力，但其除分解木质素外，还产生分解纤维素和半纤维素的纤维素酶、半纤维素酶，造成纤维素和半纤维素的部分损失。Taniguchi[32]采用白腐菌（pleurotus ostreatus）处理稻秆60d，发现与未处理稻秆相比较，样品中酸不溶木质素和综纤维素减少了41%和65%；经白腐菌处理的稻秆中52%的综纤维素可被酶水解，而未处理稻秆中仅有33%的综纤维素发生了酶降解。生物法具有作用条件温和、专一性强、环境污染小、处理成本低等优点，但也存在木质素降解微生物种类少，木质素分解酶类的酶活低，处理时间长等技术问题，这些都需要进一步研究，才能拓展生物法预处理的实际应用空间。

1.3.4　联合法

联合法预处理主要是采用物理和化学相结合的方法，包括高温液态水预处理、蒸汽爆破预处理、氨纤维爆破预处理、CO2爆破预处理和湿氧化预处理。高温液态水预处理是在高压水饱和蒸气压下，使水在160～240℃范围内保持液体状态，水自发电离出来的水合氢离子可作为催化剂，参与生物质的降解反应。生物质经过高温液态水处理后，几乎全部的半纤维素和部分木质素被去除，纤维素几乎被全部保留，但整个过程耗水量大，能量消耗大，不利于工业化生产。蒸汽爆破预处理是目前认为最有潜力的预处理方式，主要是用加压蒸汽处理生物质数秒至数分钟后突然卸压，使渗入到生物质内部的水分瞬间变为蒸汽，破坏生物质结构，降解半纤维素和木质素，分离出纤维素，处理效果与温度、处理时间和物料颗粒大小等因素相关。蒸汽爆破处理生物质可比较完整地回收生物质的各种组分，具有更好的节能前景，并且成本投入低；其缺点在于半纤维素的降解物会对后续酶解和发酵产生不利影响[33]。为了使蒸汽爆破的效果更好，在较温和条件下（通常是常温）把生物质置于酸液、碱液或有机溶剂中浸泡一段时间后，再进行蒸汽爆破，其效果要明显好于单纯的水蒸气爆破，如今各国研究者热衷于氨纤维爆破处理和CO2爆破处理[34]。湿氧化预处理是在一定时间内，温度高于120℃的条件下，以氧气或空气作为加压气体，对浸没在水中的生物质进行处理的过程。湿氧化对某些生物质的处理效率很高，可以破坏纤维素的结晶结构，且在湿氧处理条件下，脂肪族醛和饱和C—C键的反应很强烈，糖类降解产物会进一步分解生成CO2、糠醛和5-羟甲基糠醛等，但其浓度很低，不会对后续发酵造成不利影响[35]。木质素会被分解成CO2、H2O和一些简单的有机氧化物，主要是小分子量的羧酸；但是氧气的成本高，不利于工业化生产。

如何提高预处理的效率和降低预处理成本已成为木质纤维生物制备糖平台化合物研究的核心目标。预处理技术的研究应结合原料的结构特点和组分性质，联合使用不同预处理方法，尽可能采用成本低、处理效果好、环境污染少、对后续工艺无毒等特点的多元化集成预处理技术；同时，通过科学技术创新来寻求新型的预处理技术，完善和开发更加高效、无污染且成本低的预处理技术，将是今后生物质预处理技术的发展趋势。