木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理新技術(shù)研究進(jìn)展

彭 姿，譚興和，3 *，熊興耀，張春艷，3，蘇小軍

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.生物質(zhì)醇類燃料湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

礦質(zhì)能源日益枯竭，導(dǎo)致石油等能源價(jià)格節(jié)節(jié)攀升。能源危機(jī)和環(huán)境惡化正嚴(yán)重威脅著人類的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，亟需尋找一種價(jià)格低廉，來(lái)源豐富，安全環(huán)保的可再生新能源。富含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)是一種儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)易得、環(huán)境友好的可再生能源[2-4]，但無(wú)法直接高效利用。我國(guó)《生物質(zhì)能源“十二五”規(guī)劃》將推進(jìn)纖維素燃料乙醇行業(yè)快速發(fā)展。其中利用木質(zhì)纖維素原料制備燃料乙醇是研究的重點(diǎn)[5]。在利用木質(zhì)纖維素制取燃料乙醇的過(guò)程中，原料的糖化前預(yù)處理是最關(guān)鍵的技術(shù)難題。下面對(duì)幾種木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理新技術(shù)進(jìn)行分析。

1 木質(zhì)纖維素的組成與結(jié)構(gòu)特征

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種高聚物相互嵌合而成，總質(zhì)量約占木質(zhì)纖維素類原料的80%～95%。纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖；半纖維素是由木糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等幾種單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體；木質(zhì)素則是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過(guò)醚鍵和碳碳鍵聯(lián)結(jié)而成的芳香族高分子聚合物[6]。木質(zhì)素與半纖維素結(jié)合致密，將纖維素包埋其中，阻斷了酶與纖維素分子接觸，以至原料難于糖化降解和利用。因此需要借助一些物理、化學(xué)或生物的方法，使纖維素與木質(zhì)素和半纖維素分離開來(lái)，然后破壞纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其由結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)化成為無(wú)定型態(tài)，降低纖維素聚合度，最后半纖維素水解成木糖、阿拉伯糖等單糖，才能使木質(zhì)纖維素得以有效利用[7]。

2 木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理新技術(shù)

木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理常規(guī)的物理方法主要有機(jī)械粉碎、蒸煮、膨脹等；化學(xué)方法包括酸處理、堿處理等；生物方法則是利用白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等微生物產(chǎn)生的一些酶來(lái)降解木質(zhì)素和半纖維素[8]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家在常規(guī)方法上進(jìn)行了探索、改良，研發(fā)出了一些新的預(yù)處理技術(shù)，介紹如下：

2.1 蒸汽爆破技術(shù)

蒸汽爆破技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用范圍最廣的木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理技術(shù)。先將原料通過(guò)200℃～240℃的高壓蒸汽處理，然后迅速減壓，使纖維素爆裂，木質(zhì)素和纖維素分離[9]。爆破過(guò)程中產(chǎn)生的醋酸及其他有機(jī)酸可將半纖維素溶解，使纖維素暴露出來(lái)，增大了微纖維與酶的可及性。此外，瞬時(shí)爆破產(chǎn)生的壓力可使樣品破碎降解，增大了反應(yīng)的可接觸面積[10]。RUIZ E等[11]用蒸汽爆破法處理葵花稈，在220℃的預(yù)處理溫度條件下得到了60.6%的最高葡萄糖產(chǎn)率。若使物料粉碎到同樣的粒徑尺寸，蒸汽爆破法需要的能量?jī)H為機(jī)械粉碎法的30%，但蒸汽爆破法形成的降解物如呋喃、脂肪酸和芳香類化合物等對(duì)發(fā)酵和酶解有抑制作用[12]。

2.2 高能輻射

高能射線輻射屬于物理方法的一種。其能使纖維素聚合度下降，結(jié)構(gòu)松散，從而提高水解反應(yīng)的可及度和纖維素的水解效率[13]。現(xiàn)在最常見的輻照源為放射性同位素鈷-60或銫-137。木質(zhì)纖維素分子在高能射線的作用下被活化和激發(fā)，導(dǎo)致部分共價(jià)鍵斷裂形成自由基，這些自由基又通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)或鏈剪切反應(yīng)進(jìn)一步誘發(fā)纖維素糖化。與常規(guī)方法相比較，高能輻射處理具有操作簡(jiǎn)單、處理時(shí)間短、處理量大、不污染環(huán)境等特點(diǎn)。陳靜萍等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在最佳處理劑量1000kGy～1500kGy的條件下，用60Co-γ射線輻照與纖維素酶協(xié)同處理稻草，纖維素轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)88.7%，可溶性還原糖得率為21.44%。胡婷春等[15]研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)輻照在40℃條件下用240U/g纖維素酶解60h，芒草還原糖產(chǎn)量為132.59mg/g，經(jīng)800kGy輻照后其還原糖產(chǎn)量是前者的2倍多，且加酶量也減少了37.5%，大大節(jié)約了成本；固液比由1:65增大為1:55，也節(jié)約了水資源。楊青丹等[16]對(duì)稻草輻照降解效果及酶解工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，得出稻草秸稈的最優(yōu)輻照酶解條件為：輻照劑量1200kGy，水解溫度45℃、水解時(shí)間36h、固液比1:60、加酶量120U/g。在此試驗(yàn)條件下，稻草秸稈的纖維素、半纖維素轉(zhuǎn)化率可達(dá)71%。

2.3 超臨界流體技術(shù)

超臨界流體技術(shù)是利用溫度及壓力均高于臨界點(diǎn)的流體來(lái)降解纖維素物質(zhì)，其最主要的影響因子為溫度和壓力[17]。流體達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，溶劑化能力急劇增強(qiáng)，電離程度隨之增大，打破了木質(zhì)素的包裹作用，同時(shí)也降低了纖維素的聚合度，使纖維素可以很快地溶解在超臨界溶劑中，并迅速分解成低聚糖最后轉(zhuǎn)化成葡萄糖[18]。陽(yáng)金龍等[19]運(yùn)用超臨界流體技術(shù)處理玉米秸稈。研究表明，在溫度為388℃，壓力為22.1MPa的條件下，將40mg玉米秸稈和2.5mL水置于密閉的超臨界水相容器中反應(yīng)21s后，低聚糖的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值為24.1%。

2.4 濕氧化技術(shù)

濕氧化技術(shù)是在加溫加壓條件下利用Na2O3和O2使木質(zhì)素分離、半纖維素溶解的方法[20]。VARGA E等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在195℃、1.2×103kPa的條件下，用2g/L Na2CO3處理60g/L玉米秸稈15min，30%木質(zhì)素和60%半纖維素被溶解。此方法的優(yōu)點(diǎn)是酶水解和發(fā)酵過(guò)程中抑制物生成少，可以有效脫除木質(zhì)素，但成本偏高[22]。

2.5 微波處理

微波即頻率在300MHz～300GHz的電磁波。在快速變化的高頻電磁場(chǎng)作用下，被加熱介質(zhì)中的水分子的極性取向會(huì)隨著外電場(chǎng)的改變而變化。分子的高速運(yùn)動(dòng)使微波場(chǎng)的場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，從而導(dǎo)致原材料溫度升高，產(chǎn)生熱化、膨化等一系列反應(yīng)，破壞了纖維素分子間的氫鍵，提高了纖維素的可及度、反應(yīng)能力和基質(zhì)濃度，且處理時(shí)間短，操作方便[23]。MA H等[24]在功率為680W、照射時(shí)間為24min和底物濃度為75g/L的最優(yōu)條件下用微波處理稻草秸稈，纖維素轉(zhuǎn)化率、半纖維素轉(zhuǎn)化率、總糖化效率與僅僅用纖維素酶處理相比較分別增加了30.6%、43.3%和30.3%，并且能脫除部分木質(zhì)素。

2.6 超聲波技術(shù)

超聲波是頻率高于20000Hz的聲波，其產(chǎn)生的巨大能量使木質(zhì)纖維素受到振動(dòng)而破碎，釋放出可降解的多糖。超聲波也可使液體流動(dòng)而產(chǎn)生大量的微小氣泡，微小氣泡（空化核）在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)產(chǎn)生聲壓。當(dāng)聲壓到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，氣泡急速增長(zhǎng)，接著突然閉合產(chǎn)生沖擊波，并產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)使其分散于液體中[25]。LIMH等[26]先用8g/L NaOH堿溶液對(duì)羅布麻（AV）纖維軟化，之后用28kHz的低頻超聲波和53kHz高頻超聲波分別處理3h后發(fā)現(xiàn)，前者可使其表面10μm～50μm范圍內(nèi)的交聯(lián)成分和表面混雜物被清除，后者可使其內(nèi)部空腔纖維被消除。

2.7 有機(jī)溶劑法

有機(jī)溶劑法是將木質(zhì)纖維素原料用有機(jī)溶劑與無(wú)機(jī)酸催化劑的混合物處理，達(dá)到脫除半纖維素和木質(zhì)素并分離出纖維素成分的目的。常見的有機(jī)溶劑有低沸點(diǎn)的甲醇、乙醇以及高沸點(diǎn)的丙酮、乙二醇和四氫化糠醇。此外，某些有機(jī)酸如草酸、水楊酸和鄰醋酸基苯甲酸也能達(dá)到無(wú)機(jī)酸催化劑的效果。有機(jī)溶劑法處理木質(zhì)纖維素原料后底物酶可及度和纖維素水解率都比較高[27]。SUN FB等[28]采用空氣丙三醇自動(dòng)催化有機(jī)溶膠預(yù)處理（Atmospheric Aqueous Glycerol Autocatalytic Organosolv Pretreatment）方法來(lái)增加木質(zhì)纖維素的酶水解能力。將木質(zhì)纖維素原料在溫度220℃、液固比為20:1（g/g）的條件下處理3h，AAGAOP可使木質(zhì)素降解65%，半纖維素降解70%。經(jīng)電鏡掃描（Scanning Electron Microscope）結(jié)構(gòu)分析，AAGAOP能夠破壞其原纖維結(jié)構(gòu)。作為一個(gè)全新的技術(shù)，AAGAOP通過(guò)改變木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)特征、清除化學(xué)結(jié)構(gòu)障礙來(lái)加強(qiáng)酶水解能力，最終達(dá)到使木質(zhì)纖維素降解的目的。SIDIRASD等[29]在140℃的條件下將0.1mol/L H2SO4作為催化劑用有機(jī)溶劑處理小麥秸稈，96%的木質(zhì)素溶解，并得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%的可溶性糖。

2.8 離子液體處理

近年來(lái)，離子液體作為一種較為理想的纖維素反應(yīng)介質(zhì)和替代溶劑成為國(guó)內(nèi)外纖維素研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[30]。離子液體是一種在室溫或低溫條件下由無(wú)機(jī)陰離子和有機(jī)陽(yáng)離子相互結(jié)合而成的呈液態(tài)的鹽類化合物。與一般有機(jī)溶劑相比較而言，離子液體具有難揮發(fā)，無(wú)毒性且無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)[31]。2002年美國(guó)權(quán)威期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》JACS（Journal of the American Chemical Society）首次報(bào)道了1-丁基-3甲基咪唑氯鹽（[C4MIM]Cl）能夠很好地溶解天然纖維素，并能加工、制備各種天然的纖維素材料[32]。劉傳富等[33]用離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽[AMIM]Cl溶解纖維素，分析并討論了纖維素在離子液體中的多種衍生化反應(yīng)，研究表明，溶于[AMIM]Cl的纖維素在乙醇中再生后，其聚合度則由溶解前的1276.6降低為933.8。由此可見，離子液體[AMIM]Cl可使纖維素發(fā)生一定程度的降解。

2.9 氨回收浸沒（ARP）處理

氨回收浸沒處理即在溫度為150℃～170℃的條件下使質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%的氨水通過(guò)裝有木質(zhì)纖維素物料的反應(yīng)器，然后分離并回收。此技術(shù)可以高效去除木質(zhì)素，使其含量降低70%～85%，且絕大部分木質(zhì)素去除反應(yīng)發(fā)生在處理過(guò)程的前20min。KIM TH等[34]采用ARP技術(shù)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)現(xiàn)，大約一半的木聚糖被溶解，同時(shí)，保留了92%的纖維素。在纖維素酶添加量為10FPU/g葡聚糖的情況下，酶解后葡萄糖得率達(dá)93%。此外，KIM T H等[34]又采用了能源消耗更少的低流動(dòng)相ARP工藝對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了處理，氨水用量為3.3mL/g物料，停留時(shí)間縮短了8min～12min，但仍然可以脫除73.4%的木質(zhì)素。在纖維素酶添加量為15FPU/g葡聚糖的情況下，葡萄糖得率可達(dá)88.5%。

2.10 生物降解處理

生物法是利用某些微生物（包括真菌、基因工程菌和酶類）來(lái)降解原料中的木質(zhì)素。最常用的真菌有白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，其產(chǎn)生的木質(zhì)素分解酶系作用于物料，可提高纖維素和半纖維素的糖化率[35]。其中，白腐菌分解木質(zhì)素的能力最強(qiáng)，潘亞杰等[36]利用白腐菌處理玉米秸稈，降解率由未添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的35%～40%提高為55%～65%。在此過(guò)程中會(huì)有部分纖維素和半纖維素被分解，因此需要利用基因工程改造、馴化白腐菌，選育出木質(zhì)素氧化酶濃度高而不產(chǎn)生纖維素和半纖維素酶的菌種[37]。

3 展望

如今，世界各國(guó)政府和科學(xué)家高度關(guān)注生物質(zhì)能源的開發(fā)利用。美國(guó)政府先后投入了3.85億美元支持建設(shè)了6個(gè)纖維素乙醇企業(yè)。巴西、日本先后制定了酒精能源發(fā)展計(jì)劃、陽(yáng)光計(jì)劃。我國(guó)也于2006年頒布了《可再生能源法》。由此可見，燃料乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用前景十分廣闊，其技術(shù)的突破必將帶來(lái)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的大革命，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有生物質(zhì)資源的高效利用。以上介紹的新興糖化前預(yù)處理技術(shù)相對(duì)于常規(guī)的技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，化學(xué)藥品使用量大大減少，改善了環(huán)境污染問(wèn)題；處理樣品的單糖得率高。應(yīng)該結(jié)合原材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組分性質(zhì)，采用新興技術(shù)和常規(guī)的物理、化學(xué)、生物方法相結(jié)合的方法，深入研究糖化前預(yù)處理方法的反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建合理的模型，生產(chǎn)出匹配的反應(yīng)設(shè)備，尋找到最優(yōu)的工藝條件，研發(fā)更高效、污染小、成本低的木質(zhì)纖維素糖化前預(yù)處理方法。

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