木質(zhì)纖維素糖平臺(tái)構(gòu)建的研究進(jìn)展*

趙　月，譚雪松，劉　靜，莊新姝?，亓　偉，王　瓊，余 強(qiáng)，王 聞，袁振宏

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

木質(zhì)纖維素糖平臺(tái)構(gòu)建的研究進(jìn)展*

趙月1，2，譚雪松1，劉靜1，2，莊新姝1?，亓偉1，王瓊1，余 強(qiáng)1，王 聞1，袁振宏1

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，其中纖維類多糖的酶催化降解是木質(zhì)纖維素生物煉制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，破壞底物的頑抗特性，是實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素高效酶解糖化的必要途徑。本文就目前預(yù)處理的各種方法進(jìn)行了綜述并討論了預(yù)處理方法對(duì)酶解效果的影響。

預(yù)處理；酶解；木質(zhì)纖維素；生物煉制；糖平臺(tái)

0　前　言

目前，不可再生資源日益短缺，能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，而生物質(zhì)能源因其來源廣泛、可再生性強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前國際研究的熱點(diǎn)。在木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的利用過程中，以生物質(zhì)為原料，基于糖平臺(tái)的生化轉(zhuǎn)化技術(shù)由于具有環(huán)境友好、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注［1］。生物質(zhì)的主要成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三部分，其中半纖維素和木質(zhì)素通過共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維素鑲嵌在內(nèi)［2］。木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇是生物煉制的重點(diǎn)方向，其煉制過程有預(yù)處理、酶解、發(fā)酵等，其中預(yù)處理和酶解將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為發(fā)酵性糖，為發(fā)酵奠定基礎(chǔ)。探尋經(jīng)濟(jì)簡單、環(huán)保高效的糖平臺(tái)構(gòu)建方法是提高生化轉(zhuǎn)化效率的重點(diǎn)，影響整個(gè)乙醇生產(chǎn)過程。

木質(zhì)纖維素預(yù)處理是提高酶解糖化效率、降低酶使用量的必要環(huán)節(jié)，也是目前制約木質(zhì)纖維素生物煉制的技術(shù)瓶頸之一。對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，使纖維素內(nèi)部氫鍵打開，使結(jié)晶纖維素成為無定型纖維素，降低聚合度，改變天然纖維素的結(jié)構(gòu)，破壞木質(zhì)纖維素生物頑抗性，是實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素高效酶解糖化的必要途徑［3］。理想的預(yù)處理方法應(yīng)該是溫和的，只是從細(xì)胞壁中盡量脫除木質(zhì)素，而不使纖維素和半纖維素?fù)p失，使其變成相對(duì)松散、多孔的質(zhì)地結(jié)構(gòu)。常用的預(yù)處理方法可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)結(jié)合法和生物法4大類。

1　物理法

物理法主要包括機(jī)械粉碎、高能輻射、微波處理、高溫液態(tài)水等。機(jī)械粉碎是通過切、碾、磨等工藝減小生物質(zhì)粒徑，破壞纖維素晶體結(jié)構(gòu)，降低基質(zhì)的粒度，增加表面積，使纖維素和酶充分接觸［4］。Rojas-Rejon等［5］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理?xiàng)l件確定的情況下，小麥秸稈粒徑為0.41 mm、固體負(fù)載量為4%、加酶量為50 FPU/g時(shí)，葡萄糖產(chǎn)率最高。高能輻射是指用電子、射線等對(duì)纖維原料輻射來降低纖維素的結(jié)晶度，增強(qiáng)材料的吸濕性，加速后期酶解過程。楊青丹等［6］研究發(fā)現(xiàn)輻照劑量為1 200 kGy、水解溫度為45℃、水解時(shí)間為36 h、液固比為60、加酶量為120 U/g時(shí)，稻草秸稈纖維素和半纖維素總轉(zhuǎn)化率達(dá)71%。此外，用Co-60射線處理稻草秸稈，其表面結(jié)構(gòu)顯著變化，秸稈表面蠟質(zhì)和硅晶體的破損程度隨輻射劑量的增大而增大，酶解還原糖總量達(dá)75.85%，纖維素轉(zhuǎn)化率為88.7%［7］。微波是指頻率為300 MHz～300 GHz范圍的電磁波。用微波預(yù)處理生物質(zhì)原料可使纖維素和木質(zhì)素部分降解，纖維素酶的可及度增加，從而提高酶解效率［8］。Evans等［9］在常壓和200℃下用240 W的微波處理小麥秸稈和甘蔗渣10 min，介質(zhì)為甘油，酶解率比未處理的原料提高了近一倍。高溫液態(tài)水法是指在高溫條件下通過加壓來保持水的液態(tài)形式，利用此狀態(tài)下水具有的特殊性質(zhì)有效地對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行水解，溶出半纖維素。高溫時(shí)水自發(fā)電離生成的水合氫離子參與生物質(zhì)的水解反應(yīng)。余強(qiáng)等［10］用高溫液態(tài)水處理甜高粱渣，發(fā)現(xiàn)在195℃下反應(yīng)10 min，總木糖濃度最高，其中低聚糖約占總糖的80%，生成糠醛0.46 g/L、乙酸1.2 g/L、甲酸0.2 g/L，這些副產(chǎn)物會(huì)協(xié)同抑制纖維素酶活反應(yīng)，其中甲酸抑制作用較小。

以上幾種物理方法處理木質(zhì)纖維素都有其獨(dú)特性，但仍有進(jìn)一步提高的空間。機(jī)械粉碎處理原料雖然操作簡單易行，但無法完全去除木質(zhì)素，提高糖化率的程度有限；高能輻射過程耗能較多，產(chǎn)生的游離基會(huì)抑制后續(xù)反應(yīng)；微波處理用時(shí)少、操作簡單、無污染、能耗低，但是設(shè)備成本較高，大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)難以進(jìn)行；高溫液態(tài)水處理易產(chǎn)生糠醛、酸等發(fā)酵抑制物，不利于后續(xù)酶解［11］。

2　化學(xué)法

化學(xué)法主要有酸處理、堿處理、氧化處理、有機(jī)溶劑法、離子液體法等，可破壞木質(zhì)纖維素結(jié)晶度，使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素膨脹，從而增加其可消化性。

2.1酸處理

酸處理可以采用濃酸、稀酸或固體酸處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)，主要溶解半纖維素、部分纖維素和木質(zhì)素，水解產(chǎn)物為葡萄糖、木糖、半乳糖和乙酸。因濃酸毒性大、易腐蝕、污染環(huán)境、設(shè)備要求高，經(jīng)濟(jì)成本較高，且隨著酸濃度的提高發(fā)酵抑制物的濃度會(huì)相應(yīng)增加，對(duì)后續(xù)乙醇發(fā)酵工藝產(chǎn)生不利影響［12］，故酸法預(yù)處理一般采用稀酸。經(jīng)過預(yù)處理的生物質(zhì)原料雖然木質(zhì)素脫除效果較差，但半纖維素溶出率和酶解程度會(huì)大大提高。預(yù)處理時(shí)，酸水解溫度在105℃～110℃效果最佳，反應(yīng)溫度過高會(huì)產(chǎn)生糖類降解副產(chǎn)物，如糠醛、羧甲基糠醛等發(fā)酵抑制物，因此對(duì)稀酸預(yù)處理的條件控制尤為重要［13］。王瓊等［14］用高溫液態(tài)水預(yù)處理和超低馬來酸水解相結(jié)合兩步法預(yù)處理玉米芯，第一步預(yù)處理可獲得12.24 g/L還原糖，半纖維素轉(zhuǎn)化率為91.76%，損失3.61%的纖維素，第二步酸水解可獲得9.94 g/L還原糖，纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)95.17%，約1/3轉(zhuǎn)化為糖。稀酸處理不能去除木質(zhì)素并產(chǎn)生發(fā)酵抑制物，環(huán)境污染嚴(yán)重，處理成本高。

固體酸因其可重復(fù)性利用和容易分離的優(yōu)點(diǎn)被廣泛認(rèn)為是液體酸的直接替代品。Zhang等［15］用微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)油浴加熱來促進(jìn)固體酸催化纖維素水解，低Si/Al比的沸石分子篩比磺酸化后的離子交換樹脂性能更好，8 min內(nèi)葡萄糖收率可達(dá)37%。王華瑜等［16］通過熱解法合成磁性碳基磺酸化固體酸催化劑（Fe/C-SO3H）用于纖維素水解反應(yīng)，140℃下反應(yīng)12 h后轉(zhuǎn)化率可達(dá)40.6%。Shuai等［17］合成了仿酶固體催化劑磺化氯甲基聚苯乙烯樹脂（CP-SO3H），纖維二糖在100℃～120℃條件下加熱2～4 h可完全水解，而微晶纖維素在120℃下反應(yīng)10 h則被水解為葡萄糖，收率為93%。Pang等［18］用250℃下磺酸化的介孔碳（CMK-3）來催化纖維素水解，葡萄糖收率可達(dá)74.5%。固體酸預(yù)處理時(shí)，催化劑可重復(fù)利用，腐蝕性小，但是催化效率較低，仍需繼續(xù)改進(jìn)。

2.2堿處理

堿處理是用堿溶液或氨水等去除木質(zhì)纖維素中的木質(zhì)素和部分半纖維素，降低原料的聚合度和結(jié)晶度，利于纖維素酶的結(jié)合［19］。其機(jī)理是基于OH-削弱氫鍵及其它組分內(nèi)部分子之間酯鍵的皂化作用，半纖維素部分溶解，纖維素膨脹，木質(zhì)纖維素原料的空隙率增加［20］，極大程度地提高纖維素的酶解效率，和酸處理相比糖保留率提高［21］。Cheng等［22］在55℃下進(jìn)行了堿處理實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)堿濃度對(duì)殘?jiān)附獾男Ч绊懞艽?，殘?jiān)附忉尫诺奶强偭侩S著堿濃度升高而顯著增加，葡萄糖總產(chǎn)量為142.3 mg/g。Ji等［23］通過原子力學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)堿法預(yù)處理將嵌入式的微纖維素暴露，增大了微纖維素的直徑，降低其表面孔隙度。Ruangmee等用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法考察了KOH、NaOH、和LiOH三種堿對(duì)窄葉蒲草預(yù)處理的效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)NaOH濃度為5%、溫度為100℃、處理時(shí)間為120 min時(shí)效果最好，纖維素含量達(dá)77.81%［24］。Li等［25］用10%NaOH處理甜高粱秸稈，酶解后可得到92%葡聚糖和53.3%木聚糖。堿處理后的固體殘?jiān)@堿性，需要大量水沖洗，回收廢水和殘余物困難，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

固體堿預(yù)處理是一種環(huán)境友好型的方法，采用固體堿金屬氧化物作催化劑，高溫蒸煮生物質(zhì)原料，去除木質(zhì)素，固體堿可回收。王研等［26］用CaO/MgO復(fù)合固體堿催化劑催化木質(zhì)素，使醚鍵斷裂，結(jié)果表明木質(zhì)素降解產(chǎn)物羥值由200 mg/g增加至480 mg/g左右，F(xiàn)T-IR表征結(jié)果表明降解產(chǎn)物中醚鍵含量明顯減少，羥基含量增多。固體堿活性氧蒸煮具有很高的脫木素率，能脫除玉米秸稈中85.5%的木素和蔗渣中95.4%的木素，同時(shí)對(duì)碳水化合物特別是纖維素有很好的保護(hù)作用［27］。謝土均等［28］用固體堿活性氧蒸煮甘蔗渣，發(fā)現(xiàn)在140℃之前木質(zhì)素脫除較慢，140℃后木質(zhì)素脫除較快。固體堿預(yù)處理催化劑可回收，腐蝕性低，后續(xù)工藝簡化，可直接使用蒸煮鍋，成本低，對(duì)農(nóng)林廢棄物殘?jiān)行В?2］。

2.3氧化處理

氧化處理是指在堿性條件下利用臭氧或H2O2處理生物質(zhì)原料，可很大程度降解木質(zhì)素和部分半纖維素，而纖維素含量幾乎不受影響［29］。臭氧易與含高電子密度的功能基團(tuán)和共軛雙鍵的化合物反應(yīng)，木質(zhì)素中C=C鍵含量較高，極易被臭氧氧化，從而實(shí)現(xiàn)降解。Vidal等［30］用臭氧處理?xiàng)钅拘?，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素的含量由原來的29%降低至8%，與此同時(shí)酶解率增加至57%。Ben'ko等［31］研究表明，經(jīng)臭氧預(yù)處理后，山楊木酶解率提高了8倍，糖的最高產(chǎn)量增加了10倍，其中臭氧流速為10 L/h（20℃）。Li等［32］探究了H2O2對(duì)木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料的預(yù)處理，H2O2濃度為100 mg/g生物質(zhì)原料，酶解后葡萄糖和木糖產(chǎn)率都在80%以上，而未處理的原料葡萄糖產(chǎn)率為40%，木糖產(chǎn)率為50%。氧化處理方法簡單，木質(zhì)素去除率高，能分解其他方法較難分解的木質(zhì)素，不會(huì)產(chǎn)生其他抑制物，但臭氧或H2O2耗費(fèi)較多，成本高。

2.4有機(jī)溶劑法

有機(jī)溶劑法是用有機(jī)溶劑或者其與無機(jī)酸的混合液預(yù)處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)，降解半纖維素，溶解木質(zhì)素，破壞致密結(jié)構(gòu)，避免生成阻礙微生物生長和發(fā)酵的化合物［33］。Yesuf等［34］在50℃下用有機(jī)溶劑處理甜高粱渣40 min，獲得葡萄糖總收率為86%、木聚糖總收率為61%、酶解率為51.4%。Amiri等［35］研究發(fā)現(xiàn)，在150℃下用75%乙醇（含1%硫酸）處理稻草60 min，酶解后總糖量達(dá)31 g/L；溫度為180℃時(shí)酶解產(chǎn)生46.2%的葡萄糖，可釀造丁醇-丙酮-乙醇（ABE）且產(chǎn)率最高。Yue等［36］在210℃下用50%乙醇預(yù)處理木糖渣60 min后木素脫除率為53.26%，殘?jiān)附?2 h后纖維素轉(zhuǎn)化率可達(dá)到84.42%，比預(yù)處理前提高14.58%。研究表明，g-戊內(nèi)酯（GVL）可通過完全溶解生物質(zhì)促進(jìn)催化糖化，Dumesic等［37］用水、稀硫酸和GVL混合液處理玉米秸稈、硬木和軟木，得到的可溶性糖收率很高，在70%～90%之間。目前，針對(duì)小分子有機(jī)溶劑的易揮發(fā)、易燃、易爆等問題，高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑因其耐高溫逐漸成為研究熱點(diǎn)。孫付保等［38］分別用高沸點(diǎn)有機(jī)酸和有機(jī)醇作為蒸煮溶劑，發(fā)現(xiàn)用甘油處理后的麥草酶解率提高顯著，纖維素保留率為90%，基質(zhì)酶解率高達(dá)70%。有機(jī)溶劑預(yù)處理可以獲得比較純的木質(zhì)素，同時(shí)保留大部分纖維素，但其成本高，裝置密封性要求嚴(yán)格［39］。

2.5離子液體法

離子液體是一類由無機(jī)陰離子和有機(jī)陽離子組成的在室溫下呈現(xiàn)液體狀態(tài)的鹽，有不易揮發(fā)、溶解性好和可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。離子液體法主要是將干燥的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料與離子液體混合，在一定溫度下攪拌將纖維素溶解而后分離的方法。Kuo等［40］在130℃下用［BMlM］Cl溶解棉纖維素，酶解后效果由之前的23%提高到87%以上。Auxenfans等［41］用［Emim］DEP和［Emim］AC處理木質(zhì)纖維素維素后發(fā)現(xiàn)原料纖維組織減少，室溫下酶解72 h后葡萄糖收率高達(dá)70%。離子液體對(duì)纖維素溶解及改性作用顯著但是價(jià)格較其他有機(jī)溶劑昂貴，如1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽價(jià)格為1 800 元/100 g。

3　物理化學(xué)法

物理化學(xué)法是將物理法和化學(xué)法結(jié)合起來，互相彌補(bǔ)不足。常見的物理化學(xué)預(yù)處理方法主要有蒸汽爆破、氨纖維爆破、酸性氣體爆破等［42］。蒸汽爆破是指用高溫水蒸汽處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)，再將反應(yīng)器中的物料連同水蒸氣快速釋放出來達(dá)到爆破的目的。蒸汽爆破過程破壞了半纖維素和木質(zhì)素的結(jié)合層，使晶體和晶束爆裂，改變纖維素H/C和O/C比值，提高化學(xué)試劑的可及度［43］。氨纖維爆破法（AFEX）是在液氨下高溫高壓預(yù)處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)后突然減壓，液體氨迅速汽化，使得纖維素晶體爆破，原有結(jié)構(gòu)溶脹，不但增加了原料表面積，同時(shí)還可避免其他有害副產(chǎn)物的產(chǎn)生及糖的進(jìn)一步降解。Alizadeh等［44］在100℃下用AFEX處理柳枝稷，氨與物料比為1∶1，處理時(shí)間為5 min，葡萄糖轉(zhuǎn)化率為93%。Kim等［45］用氨纖維爆破法處理玉米秸稈，可去除75%～85%木質(zhì)素，溶解50%～60%的木聚糖。蒸汽爆破可完整地回收各種組分，但設(shè)備復(fù)雜昂貴，纖維素的降解物會(huì)對(duì)后續(xù)步驟不利；氨纖維爆破產(chǎn)生的抑制物少，對(duì)玉米秸稈、水稻秸稈和柳枝稷處理效果良好，氨水可以回收循環(huán)利用，但是液氨的高載入量和氨水回收成本較高［46］。

4　生物法

生物法是利用微生物來降解木質(zhì)素，主要包括白腐菌［47］、白蟻等［48］，通過產(chǎn)生木質(zhì)素氧化酶來降解木質(zhì)素，木質(zhì)纖維素中木質(zhì)素的去除可使纖維素暴露，獲得更多與酶接觸的表面［49］。自然界中最主要的木質(zhì)素降解菌是白腐菌，它分泌的錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶和漆酶等都是降解木質(zhì)素的有效物質(zhì)，這兩種酶主要通過陽離子自由基連續(xù)氧化底物［50］。漆酶利用氧自由基降解木質(zhì)素［51］，可應(yīng)用于多種生物質(zhì)原料。生物預(yù)處理?xiàng)l件溫和、能耗低、選擇性強(qiáng)、處理結(jié)束后無需其他步驟可直接進(jìn)行酶解，步驟簡單。但是，目前可用來預(yù)處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的微生物種類很少，酶的活性較低，周期長，對(duì)纖維素和半纖維素也有一定的損耗［52］。

5　結(jié)　論

本文綜述了一些有助于纖維素酶解糖化的預(yù)處 理方法，這些方法可通過改變木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)、接觸表面積、半纖維素、木質(zhì)素含量等途徑達(dá)到提高酶解率的目的，在合理控制反應(yīng)條件的情況下達(dá)到較高的酶解效率。今后木質(zhì)纖維素酶解糖化的主要研究方向應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面：開發(fā)高效的預(yù)處理技術(shù)，同時(shí)獲取高附加值產(chǎn)品，降低成本；明晰預(yù)處理過程的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，通過建立模型以及先進(jìn)的分析手段，深入研究相關(guān)反應(yīng)過程；深入剖析酶解機(jī)理，通過設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器減弱產(chǎn)物抑制和底物抑制，并研制更高效的酶制劑，降低酶的成本，從而構(gòu)建高效的糖平臺(tái)，推動(dòng)纖維素基燃料乙醇及相關(guān)生物煉制體系的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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Research Progress of Lignocellulose Sugar Platform Construction

ZHAO Yue1，2，TAN Xue-song1，LIU Jing1，2，ZHUANG Xin-shu1，QI Wei1， WANG Qiong1，YU Qiang1，WANG Wen1，YUAN Zhen-hong1
（1.CAS Key Laboratory of Renewable Energy，Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Lignocellulose is the most abundant renewable resource on the earth.The enzymatic degradation of the cellulose polysaccharide is one of the key steps of lignocellulose bio-refinery.To enhance efficiency of cellulose hydrolysis，pretreatment is necessary for effectively breaking its recalcitrant structure.In this paper，the pretreatment methods were summarized and the influence of pretreatment methods for enzymatic hydrolysis was also discussed.

pretreatment；enzymatic；lignocellulose；bio-refinery；sugar platform

TK6

Adoi：10.3969/j.issn.2095-560X.2015.02.004

2095-560X（2015）02-0099-06

趙月（1989-），女，碩士研究生，主要從事木質(zhì)纖維素預(yù)處理的研究。

2014-12-22

2015-04-01

國家自然科學(xué)基金（51476179，21376241，21476233）；國家自然科學(xué)基金-青年基金（51206173）

莊新姝，E-mail：zhuangxs@ms.giec.ac.cn

莊新姝（1970-），女，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)制取液體燃料和化工品的研究工作。