高粱秸稈預處理方法的研究進展

李洪飛 孫大慶 曹龍奎

摘 要：高粱秸稈是生物質能的最佳來源之一，因其產(chǎn)糖量高，被認為是發(fā)酵產(chǎn)乙醇的理想原料。高粱秸稈預處理技術一直備受研究者的關注，該文綜述了高粱秸稈預處理方法的分類和技術特點，并展望了預處理方法面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：高粱秸稈；預處理；木質纖維素

中圖分類號 S23 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）09-0093-04

The Resesrch Progress on Pretreatment Method of Sorghum Straw

Li Hongfei1，2 et al

（1 National Coarse Cereals Engineering Research Center，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China；2 Daqing Hongyuan Institute of Separation Technology，Daiqing 163319，China）

Abstract：Sorghum straw is one of the best sources of biomass energy.Due to the high yield of sorghum straw，it is considered to be an ideal raw material for the fermentation of ethanol.The sorghum straw pretreatment technology has attracted the attention of researchers.In this paper，the classification and technical characteristics of pretreatment methods for sorghum straw were reviewed，and the challenges faced by the pretreatment meghod and the direction of future development were predicted.

Key words：Sorghun straw；Pretreatment；Lignocellulose

高粱秸稈因其產(chǎn)糖量高，被認為是生物乙醇生產(chǎn)的理想原料[1]，高粱秸稈與其他秸稈類似，由纖維素、半纖維素和木質素組成[2]。纖維素、半纖維素和木質素通常以多種復雜的形式相結合，形成致密的木質纖維素結構，使其對試劑的可及度極低[3]。因此，高粱秸稈中纖維素和半纖維素需要在酶水解之前進行預處理并進一步轉化為乙醇[1]。

秸稈的預處理一直受到各國研究者們關注，如何找到高效、清潔、廉價的秸稈預處理方法是目前研究的重點。高粱秸稈預處理一般要遵循以下幾個原則：（1）纖維素對纖維素分解酶的高敏感性；（2）半纖維素糖的高回收率；（3）資本和運營成本低；（4）低能量輸入；（5）低產(chǎn)率的生物抑制劑；（6）化學品的低成本[4]。

1 國內(nèi)外高粱秸稈預處理方法的研究現(xiàn)狀

高粱秸稈預處理的主要目標是增強木質纖維素對纖維素酶和半纖維素酶等各類酶的可及性，實現(xiàn)木質纖維素消化率的最大化。到目前為止，高粱秸稈的預處理技術已經(jīng)得到了廣泛的研究，研究者們認識到秸稈預處理是整個生物精煉過程中加工成本最昂貴的步驟，因此開發(fā)低成本和高產(chǎn)率的預處理方法成為了研究重點。根據(jù)木質纖維素預處理機制的差別，可將預處理方法分為物理法、化學法、生物法和物理化學法。下面著重介紹各類預處理技術的主要特點和研究成果。

1.1 物理法 物理預處理包括粉碎、擠壓和照射等方法，通過機械地破壞生物質的超微結構以改善木質纖維素的酶水解。物理預處理可以降低生物質的粒度和結晶度，增加表面積，降低木質纖維素的聚合度[5，6]。

Erick Heredia-Olea等人[7]利用雙螺桿擠壓機對甜高粱蔗渣進行預處理，然后用細胞壁降解酶處理并通過Issatchenkia orientalis 20381進行發(fā)酵。通過響應面法考察雙螺桿擠出機的機筒溫度、螺桿轉速和原料水分含量對酶解效果的影響。得到最佳的擠出條件是溫度100℃，轉速200rpm，水分含量30%。這種非化學和連續(xù)的預處理不產(chǎn)生抑制性化合物。通過酶水解和酵母菌發(fā)酵得到甜高粱蔗渣產(chǎn)乙醇198.1mL/kg。岳建芝等人[8]利用機械粉碎對高粱秸稈進行預處理，考察機械粉碎對高粱秸稈微觀結構及酶解效果的影響。結果表明：隨著粉碎程度增大，高粱秸稈中纖維素與酶有效接觸點增多，但由于團聚現(xiàn)象發(fā)生，導致酶有效接觸點增多并不與力度減小呈線性關系，粉碎還導致高粱秸稈結晶度降低，這些都導致在后續(xù)的酶解糖化實驗中還原糖濃度隨酶解時間和粉碎程度的增大而增大，其中粒徑范圍在330～420nm的高粱秸稈在酶解180h時仍保持較大的酶解轉化率，說明機械粉碎到納米級別有效增加了酶作用點，提高了酶對秸稈的可及度。

Ruplal Choudhary等人[9]利用微波輻照對甜高粱蔗渣進行預處理，結果表明微波輻射在極短時間和簡單的設置下能夠有效釋放淀粉和可溶性物質使得糖產(chǎn)量升高，顯示出了良好的預處理效果。岳建芝等人[10]研究了微波輻射預處理高粱秸稈對酶水解的影響，結果表明，單一采用微波輻射預處理對酶水解的促進作用不大，而且隨著微波輻射時間的延長導致還原糖損失。因此微波預處理技術要與其他手段聯(lián)合使用，在微波功率為231W時，微波聯(lián)合堿處理比微波聯(lián)合酸處理對酶水解的促進作用更強。

大多物理法幾乎不會降低生物質的抵抗性，而且需要高成本，這種方法也可用于生物質的后處理，一般與化學法或者生物法組合使用，因為物理法將生物質的尺寸減小是其他生物法或者化學預處理之前制備材料的先決條件[11]。

1.2 化學法 化學法是利用各種化學品破壞生物質抵抗力以增加纖維素對纖維素酶的可及性的方法[12]。目前研究最多的是酸、堿和有機溶劑等預處理方法。

Ioannis Dogaris等人[13]利用稀酸對高粱甘蔗渣進行預處理并通過粗糙麥孢菌進行生物轉化，將高粱甘蔗渣轉化為乙醇。經(jīng)過稀酸處理（濃度2%，溫度210℃，時間10min）能夠將高粱甘蔗渣的高半纖維素分解，產(chǎn)生低抑制劑。經(jīng)過稀酸預處理和微生物轉化，最終纖維素和半纖維素的轉化率為73.3%和89.6%。

S.McIntosh等人[14]以高粱秸稈為原料，研究不同預處理參數(shù)（溫度、時間和堿度）對高粱秸稈酶水解的影響。當秸稈在121℃，2%氫氧化鈉中預處理60min時，總糖釋放量達到最高，與沒有加入堿液的樣品對比，產(chǎn)量提高一倍。

王聞等人[15]研究了多種陽離子、陰離子以及吐溫80對纖維素酶水解甜高粱稈渣的影響。結果表明，常見的Mg2+、Co2+、Ca2+、NO3-、I-和Br-具有激活纖維素酶的作用，而吐溫80隨著添加濃度的增加，對纖維素酶的抑制作用也隨之增強，而且吐溫80能夠降低甜高粱稈渣對纖維素酶的吸附。

在化學預處理中，因使用的化學品不同而導致作用后的木質纖維素成分和結構有所差異，因此，在化學預處理中，掌握何種處理后的木質纖維素結構更適合酶水解尤為重要。

1.3 生物法 化學法和物理法是在化學品或者高溫和壓力下進行的，而生物法與上述兩種方法相反，是在溫和條件下通過酶或微生物進行的[16]。常用的酶包括漆酶、木質素過氧化物酶，錳過氧化物酶和多功能過氧化物酶，研究較多的微生物包括白腐菌、軟腐菌、褐腐菌等。再吐尼古麗·庫爾班等人[17]利用纖維素酶對甜高粱秸稈進行發(fā)酵處理，結果表明，加入纖維素酶可使乙醇得率提高3.06%。盡管生物法具備環(huán)境友好、較少產(chǎn)生抑制劑和低能量輸入的優(yōu)點，但生物法需要比物理和化學法更大的空間和更長的預處理時間，導致木質纖維素降解期間的高污染風險和成本增加。為了克服這些缺陷，有必要開發(fā)設計微生物用于制備新的木質素分解酶[11]。

1.4 物理化學法 物理化學法一般包括蒸汽爆破法、水熱預處理法和氨纖維爆破法。

蒸汽爆破法是非常有希望的物理化學預處理技術之一。在蒸汽爆破期間，木質纖維素生物質的結構被物理改變，并且其組成也被化學改性。該技術已成功應用于幾種木質纖維素生物質的乙醇生產(chǎn)，包括玉米秸稈，楊樹，甘蔗和柳枝稷[18]。

水熱預處理法是在不添加任何化學品的情況下，木質纖維素生物質僅通過蒸汽或熱水進行的預處理方法，在此期間生物質抵抗可以通過化學組成和物理結構的變化而降低。Leonidas Matsakas等人[19]以甜高粱甘蔗渣為初始原料，利用水熱法進行預處理，之后利用酶制劑對處理后樣品進行水解得到高濃度乙醇。結果表明水熱預處理能夠得到高糖產(chǎn)率和高乙醇產(chǎn)量，實驗發(fā)現(xiàn)處理糖化12h能夠將纖維素有效的水解，添加額外的酶制劑有利于纖維素乙醇的生產(chǎn)。水熱預處理最大的特點是不需要減小木質纖維素生物質的尺寸，無化學品和毒性抑制劑，而且操作步驟簡單。

氨纖維爆破法可以通過結合物理效應和化學反應來破壞生物質抵抗。過程中，生物質耐受性可以通過誘導剪切力和影響纖維化，溶脹，脫乙?；湍举|素-碳水化合物酯鍵切割的化學反應而分解，這導致纖維素更易于接近纖維素酶。Li等人[20]優(yōu)化了氨纖維爆破法對甜高粱甘蔗渣預處理和發(fā)酵條件，之后利用酶制劑進行水解。結果表明，氨纖維爆破能夠使高固體負載物在不加入外部營養(yǎng)補充和解毒處理的情況下進行酵母發(fā)酵，最后得到的乙醇最高濃度為42.3g/L。

2 總結和展望

高粱秸稈預處理方法各具優(yōu)缺點，根據(jù)實驗目的不同，選擇的預處理方法也不盡相同，得到的木質纖維素結構也差異明顯。Abdul Waheed Bhutto等人[21]總結了不同預處理技術中的挑戰(zhàn)、優(yōu)點和最新發(fā)展方向，并且研究了不同預處理技術對木質纖維素結構的影響，結果分別列于表1和表2。

表1 不同預處理過程中的挑戰(zhàn)、優(yōu)點和發(fā)展方向

[預處理方法 優(yōu)點和最新進展 挑戰(zhàn) 發(fā)展方向 機械預處理 ①改善了處理性能及質量和熱傳遞的效率；

②粒度的減小導致更高的水解產(chǎn)率。 此方法是能源密集型和高能效率低的操作。 ①需要在成本和效率改進之間取得平衡；

②仔細選擇設備和最終顆粒尺寸減少了初始投資和能量需求以改進工藝經(jīng)濟性。 微波輻射 ①以高能量效率提高反應速率和縮短反應時間；

②可在短暫停留時間的小型設備中進行，這減少了初始投資。 增加多糖的降解，導致產(chǎn)量的損失。 超聲波 ①這是一種減少反應時間的綠色技術；

②操作在一定范圍的粒度下有效。 僅適用于特定木質纖維素。 ①當超聲與其他技術結合時，成本顯著降低；

②超聲具有增強有機溶劑和離子液體中的預處理的潛力。 稀酸 稀酸預處理實現(xiàn)高反應速率并顯著改善半纖維素和纖維素水解。 ①產(chǎn)生糖降解產(chǎn)物，例如糠醛和HMF，其對發(fā)酵微生物具有抑制作用；

②腐蝕引起酸強制昂貴的建筑材料。 ①溶解半纖維素而且將溶解的半纖維素轉化為可發(fā)酵糖；

②在較低的溫度有助于避免形成抑制性糖降解產(chǎn)物。 堿液 ①石灰是相對便宜和更安全的試劑；

②容易除去木質素和木聚糖側鏈，導致酶水解效率的顯著增加；

③堿處理提供了生物質分餾的選擇和使用生物質的靈活性；

④反應條件溫和。 中和期間的長停留時間和困難是進一步研究的主要領域。 堿處理也可以應用于木質纖維素生物質的分餾，這是在實現(xiàn)生物精煉的第一步驟中的第一步。 有機溶劑 ①反應條件溫和，極少產(chǎn)生抑制劑。

②低沸點有機溶劑易于蒸餾回收再循環(huán)；

③該方法能量消耗更少。 ①成本高；

②在高溫下使用揮發(fā)性有機液體需要使用密閉容器，由于固有的火災，爆炸危險，環(huán)境和健康以及安全問題，不能容忍消化器泄漏。 ①低沸點有機溶劑總是易于通過蒸餾回收并再循環(huán)。 因此，低沸點醇如甲醇和乙醇具有降低溶劑成本和容易回收溶劑的優(yōu)點；

②有機溶劑預處理的未來發(fā)展應集中在生物質組分的綜合利用和降低預處理成本以提高經(jīng)濟性。 生物預處理 ①低能耗、環(huán)保；

②在工藝過程中沒有有毒化合物釋放到環(huán)境中，沒有廢水產(chǎn)生；

③沒有發(fā)酵抑制劑的產(chǎn)生。 ①這是一個相對耗時的過程；

②需要大的空間來進行增加成本的生物預處理。 ①關注于理解動力學參數(shù)以減少時間；

②其他重點領域包括使用先進的分子技術鑒定有效的木質素水解微生物；

③將生物預處理與其他預處理方法結合可以減少整個過程所需的時間并改善乙醇生產(chǎn)。 然而，這種選擇可能增加操作成本。 液體熱水 ①在較低溫度下操作，使能量消耗最小化并使降解產(chǎn)物的形成最小化，消除了最終洗滌步驟或中和的需要；

②不存在腐蝕問題和材料回收；

③導致更高的半纖維素糖回收率和更低的發(fā)酵抑制水解產(chǎn)物。 ①溶解產(chǎn)物的量較高，而這些產(chǎn)物的濃度較低；

②由于涉及大量的水，下游處理也需要更多的能量。 環(huán)保技術，溶劑回收成本低。 蒸汽爆破 ①停留時間短，能耗低；

②沒有回收或環(huán)境成本。 ①木質素碳水化合物基質的不完全破壞，導致可溶性木質素組分冷凝和沉淀的風險，使得生物質不易消化；

②破壞半纖維素中木聚糖的一部分；

③在較高溫度下可能產(chǎn)生發(fā)酵抑制劑；

④需要洗滌水解產(chǎn)物，由于除去可溶性糖，可能使總糖化產(chǎn)率降低初始干物質的20%～25%。 可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 氨纖維爆破（AFEX） ①AFEX是干到干的過程，在該過程中沒有洗滌流，并且對于下游過程沒有產(chǎn)生有毒化學品；

②在預處理后保留高纖維素含量的能力使得該方法更具吸引力；

③在AFEX預處理期間，不發(fā)生糖損失，而抑制性降解化合物的產(chǎn)生低，并且不需要沖洗或下游生物質的解毒；

④氨是廣泛使用的商品化學品。 ①使用氨需要高度控制的預處理環(huán)境，因為它具有危險，惡臭和腐蝕性質。

②預處理設備必須使用不與氨反應的材料構成，以防止在高堿性氨-水混合物存在下的腐蝕。與其他預處理相比，AFEX具有略高的資本和效用成本。 ①環(huán)境問題與氨的臭氣；

②纖維素和半纖維素在AFEX方法中保存良好，幾乎沒有或沒有降解。 因此，木質纖維素長期穩(wěn)定，并且可以在酶水解或發(fā)酵過程中以非常高的固體負荷進料。 ]

篩選預處理方法包括很多因素，例如能量，化學品和水的消耗，以及抑制劑和廢物最小化。組合預處理在提高糖回收率和產(chǎn)量方面更有效，而且產(chǎn)生較少抑制劑，操作時間也相對較短。未來的發(fā)展趨勢將是依據(jù)研究目的不同開發(fā)低能耗、低成本、高產(chǎn)量、高效率、溫和環(huán)保的多種預處理的集成技術。

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