摘要：生物质燃料乙醇是可转化的、目前世界上使用规模最大的可再生资源，而木质纤维原料是燃料乙醇的主要来源，木质纤维原料的预处理工艺，是得到生物质生产乙醇的重要工艺，目前主要有物理法、化学法、物理———化学法和生物法等预处理工艺，其中大部分可广泛应用于农业、能源、林业、生物等领域，是前景广阔的生物质预处理技术。本文从开发新能源的大环境出发，介绍了各种预处理对底物的影响、利弊，并指出预处理技术的研究方向。

关键词：生物质；纤维素；木素；预处理；技术

中图分类号：Q223文献标识码：ADOI编号：10.14025/j.cnki.jlny.2015.11.097

生物质资源转化体系引领世界能源革命，对节约资源废物利用、循环利用有重大利好，木质纤维素作为一种普遍存在的非粮原料，其所富含的纤维素和半纤维素类聚糖物质均可以转化成燃料乙醇，是一种取之不尽且可再生的能源和化

学品资源[1]。

木质纤维原料主要包括纤维素、半纤维素和木素这三种主要原料，其中纤维素、半纤维素是可发酵为燃料乙醇的来源，含量大约为60%～75%。因植物、可再生原料种类的不同，木质纤维原料的结构与组成成分有差别，酶水解的效果会有所不同，目前主要有物理法、化学法、物理—化学法和生物法等预处理工艺。

1物理法

物理法有机械破碎（剪切、研磨）、高温液态法、高温分解法、辐射法等，目前研究较多的是高温液态法。

高温液态水、超临界二氧化碳有很优的溶剂特性、传质特性，对高温液态水和超临界二氧化碳用于燃料乙醇预处理，一直是研究的热点，王恩俊等用高温液态水耦合马来酸，将木质纤维素进行两步法水解，考察超声超临界二氧化碳及其预处理对于木质纤维素水解的强化，得到结果如为：现高纤维素转化率和葡萄糖选择性的统一需要选择合适的反应压力，采用两步法最佳工艺条件下，玉米芯的总糖得率为48.3%，玉米秆两步法总糖得率为36.3%；对玉米芯采用超临界二氧化碳预处理和超声/超临界二氧化碳耦合预处理均得到显著效果。通过其上述理论计算和实验，能够很好的解释还原糖产率的变化，为探索预处理、高温液态水水解机理提供了理论参考[2]。

2化学法

化学法主要包括碱处理、稀酸处理、臭氧处理等，目前研究较多的是碱处理、稀酸处理。

2.1碱处理

该工艺对农作物秸秆特别有效，一般采用氢氧化钠或氨水进行处理，机理是，氢氧根例子可以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分子之间的酯键，从而使纤维素原料润张，内表面积得到增加，可以去除木质素，提高酶水解效果[3]。

2.2稀酸处理

稀酸处理，一般采用0.5%～2.0%的稀硫酸，可在160℃以上或低于160℃下反应[4]。稀酸处理后，半纤维素主要水解为戊糖进入水解液，同时，半纤维素的水解使原料润张、多孔，有利于提高纤维素酶水解效果。

稀酸处理的效率高、成本较低，但稀酸水解法也存在一些缺陷：比如，在高温高压的反应条件下，一些发酵抑制物，例如糠醛、羟甲基、糠醛等会产生，显著降低后续的戊糖发酵水平，需要进行一些脱毒工艺处理，成本增加。再比如，酸反应时，包裹在纤维素的主要聚合物木质素未能有效脱除，不利于纤维素酶接触纤维素，影响酶水解效果。

3物理—化学法

物理———化学法是纤维形态的物理变化过程和组分变化的组合处理方式，主要有蒸气爆破法、氨纤爆破法、二氧化碳爆破，目前研究和改进较多的是蒸汽爆破法。

蒸汽爆破法作为一个热机械化学过程，能有效地实现生物质纤维原料化学组分分离，对环境无污染、能耗较低，广泛应用于农业、能源、林业等领域[5]。

蒸汽爆破是1928由W.H.Mason发展起来的，采用饱和蒸汽加热原料至一定的压力，并有一定的维压时间，之后突然减压防空至大气压，得到预处理的产物，其作用机理是：在增压和维压过程中，高压蒸汽渗入纤维，压力释放至大气压后，气流从纤维的封闭的孔中释放，从而，纤维发生一定的断裂，高温、高压起到“剪切”的效果，破坏纤维素内部氢键，使得新的羟基游离，使得纤维素结构变化，纤维素的酶吸附能力得到增强，有利于后续酶水解。当然，过高的气压也会对设备造成影响，目前有研究发现，缓慢的释放压力，而不是一次性、瞬间释放至大气压，有利于保护设备，延长设备的寿命。

这种预处理工艺对原料的影响主要有以下几点：

一是木素改性脱除，半纤维素降解。主要是蒸汽爆破的高温作用下，使半纤维素和纤维素会游离出羟基，这个过程类似于酸法预处理，使得纤维素原料酸性降解，从而破坏纤维素内部氢键，增加纤维的亲水性[6]。许丙磊等发现蒸汽爆破预处理对玉米秸秆的纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断纤维素与半纤维素的氢键，破坏晶体结构，并使得纤维素孔洞增加，表面积增大[7]。

二是无定形区结晶化，结晶度增加。在爆破过程中，由于高温、高压的物理作用，纤维素晶格结构的规则性得到提高。许丙磊等发现，玉米秸秆经过蒸汽爆破预处理，用SEM处理产物发现，蒸汽爆破处理后，玉米芯微观结构出现变化，主要为断裂；采用XRD技术分析产物并且运用高斯近似函数分峰法计算玉米芯纤维素的结晶度发现，汽爆处理后玉米芯纤维素仍属纤维素I结构，随着蒸汽爆破处理条件加剧，结晶度先增加后降低，但最终还是比原料的高[7]。

三是提高酶的可及性，有利于酶水解。研究发现，蒸汽爆破处理可以切断桉木的纤维素与半纤维素的氢键，破坏晶体结构，并使得纤维素孔洞增加，纹孔膜破裂，表面积增大，纤维素基本不受影响，有利于提高酶的可及性，增加酶水解效率[8]。

4生物法

目前利用微生物法预处理及其酶降解植物纤维，进行预处理的研究也比较多。

Mehdi等利用真菌来分解木质纤维原料中的木质素，取得良好的效果，其中起重要作用的是白腐菌，相对于软腐菌，有更强的木质素分解的能力，而褐腐菌不能分解降解木质素，只能对木质素进行结构改性[9]，这样看来，白腐菌更能有效分解木质纤维原料中的木质素，总的来看，微生物法预处理基本上无污染，条件也相对温和，但是，微生物法预处理也存在一些不足，比如降解木质素的过程中产生发酵抑制物，影响后续发酵得到燃料乙醇的产率[10]。

5展望

木质纤维的预处理工艺仍然是一个热门课题，目前研究不应当只局限于单纯的降低预处理成本、减少污染或得到高产量的产物，而应当注重于如何在降低预处理成本、减少污染，与获得高得率、高产量的产物之间获得平衡，可以将多种预处理方法相结合，优劣相结合，取长补短，在资源方面，可以多从一些农业废弃物、木工加工剩余物和底料入手，还可以解决资源问题。

参考文献

[1]林鑫，武国庆.纤维素乙醇关键技术及进展[J].生物产业技术，2015，（02）：16-21.

[2]王恩俊等.超临界二氧化碳偶合超声预处理强化玉米秸秆酶水解[J].催化学报.2014，（05）.

[3]李鑫，付永前.木质纤维素原料预处理技术研究进展[J].广州化工，2014，42 （22） ：16-17.

[4]Shetty，J.K.，Lantero，O.J.，Dun-Coleman， N.Technological advances in ethanol production [J]. International Sugar Journal， 2005，107： 605-610.

[5]胡松喜，李璞.蒸汽爆破预处理植物纤维增强生物质复合材料的研究进展[J].塑料工业，2014，（12）：5-8.

[6]Chen H Z， Liu L Y. Unpolluted fractionation of wheat straw by steamexplosion and ethanol extraction[J]. Bioresource Technology. 2007， 98：666-676.

[7]许丙磊.蒸汽爆破法处理玉米芯半纤维素的研究[D].江南大学，2011.

[8]张晓燕.蒸汽爆破预处理桉木的形态结构与主化学成分变化[J].北京林业大学学报，2008， 30（3） ：101-105.

[9]Mehdi D ，HeidiS ，WenshengQ .Fungal Bioconversion of LignocellulosicResidues.InternationalJournalofBiological Sciences. 2009.

[10]徐春燕，姚福军.促进柠条酶解糖化的预处理方法比较[J].西部林业科学，2015，（02），9-15.

作者简介：亢能，硕士，国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，实习研究员，研究方向：木材加工工艺及机械。