竹材半纖維素提取及其解聚過(guò)程研究進(jìn)展

王美鑫 戰(zhàn)雅微 馬騰飛 李志強(qiáng)

(國(guó)際竹藤中心，國(guó)家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100102)

能源和環(huán)境問(wèn)題日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。生物質(zhì)能為中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳” 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，以及解決能源、資源與環(huán)境問(wèn)題提供了一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的途徑[1]。通過(guò)利用木質(zhì)纖維素制備生物基平臺(tái)化學(xué)品一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前關(guān)于木質(zhì)纖維素制備化學(xué)品的研究雖然取得了重大進(jìn)展，但仍存在目標(biāo)產(chǎn)物收率低、轉(zhuǎn)化工藝復(fù)雜、產(chǎn)物純化困難、成本高、催化劑易失活等問(wèn)題[2]。目前，木質(zhì)纖維素中的纖維素和木質(zhì)素已有大量研究和應(yīng)用，而半纖維素由于其復(fù)雜和不均一的性質(zhì)致使其研究和利用受到一定限制。半纖維素是一種高附加值天然高分子材料，具有廣闊的發(fā)展前景，因此研究半纖維素的提取分離及其下游化學(xué)品的制備，被認(rèn)為是提高生物質(zhì)全組分利用可行性的關(guān)鍵。

在眾多木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中，玉米芯、秸稈等可降解的生物材料都可用于研究半纖維素，在這其中，竹子具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)尤為突出。中國(guó)竹資源豐富，種類達(dá)39 屬837 種[3]，竹林地面積達(dá)701.97 萬(wàn)hm2[4]，竹資源居于世界首位。而且竹子具有生長(zhǎng)快、再生能力強(qiáng)、產(chǎn)量高、一次種植即可連年持續(xù)利用的優(yōu)勢(shì)，既不與民爭(zhēng)地、爭(zhēng)糧，又能避免木材的過(guò)度采伐，一直被認(rèn)為是生物燃料、生物基材料和生物基化學(xué)品的潛在原料。隨著科技進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，竹材在建材、造紙、輕工、食品、家居等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3]。受竹子尖削度大和中空結(jié)構(gòu)等的影響，在竹產(chǎn)業(yè)加工利用過(guò)程中常常會(huì)產(chǎn)生大量的采伐和加工剩余物，這些剩余物都可作為竹化學(xué)品開(kāi)發(fā)利用的原料。

然而，由于在竹材細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，木質(zhì)素和半纖維素共同緊密地將纖維素包裹在內(nèi)，而形成復(fù)雜的、難以降解的致密結(jié)構(gòu)體系[5]，導(dǎo)致其處理難度高于農(nóng)業(yè)廢棄物和部分木材，直接用半纖維素酶處理得到木糖的得率很低，因此如何高效地將竹材的致密結(jié)構(gòu)打散，再水解半纖維素處理得到低聚木糖、木寡糖 (xylo-oligosaccharides，XOS) 和木糖，成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?；诖耍疚膶?duì)近年來(lái)提取半纖維素及其解聚產(chǎn)物的研究進(jìn)行綜述，簡(jiǎn)述不同提取半纖維素的預(yù)處理方法，并分析一定的降解方法得到半纖維素的解聚產(chǎn)物——木寡糖和木糖；并借鑒其他木質(zhì)纖維原料的提取方法，可為竹材半纖維素的研究以及開(kāi)發(fā)利用竹材半纖維素降解糖產(chǎn)物提供參考。

1 半纖維素及其解聚產(chǎn)物的應(yīng)用

半纖維素在植物細(xì)胞壁中的含量?jī)H次于纖維素，在大多數(shù)植物材料中約占1/3[6]。與纖維素不同，半纖維素由短小、高度支化的五碳和六碳糖單元聚合組成，如木聚糖、甘露聚糖、β-葡聚糖和木葡聚糖等。此外，半纖維素的含量和結(jié)構(gòu)、主鏈的長(zhǎng)度和類型、側(cè)鏈的分布和類型隨木質(zhì)纖維素的種類不同而不同。值得注意的是，與纖維素和木質(zhì)素相比，半纖維素的聚合度很低、反應(yīng)活性高，半纖維素的高支化和無(wú)定形性質(zhì)使其易于轉(zhuǎn)化[7-8]，在化學(xué)處理時(shí)木聚糖更容易降解成木寡糖或木糖。因此，研究木質(zhì)纖維原料中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等3 大組分有效分離，再利用半纖維素制備木寡糖和木糖等下游產(chǎn)品，為木質(zhì)纖維素的工業(yè)化利用提供了重要途徑。

半纖維素具有許多優(yōu)良的性能，包括生物降解性、生物相容性、生物活性等[9]，而且主鏈和側(cè)鏈含有大量的羥基、羰基、羧基和乙?；?，可以通過(guò)醚化、酯化和接枝共聚等方法進(jìn)行改性，從而制備得到具有良好性能的水凝膠、吸附劑、催化劑、薄膜和生物復(fù)合材料等，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、造紙工業(yè)、食品包裝、化妝品和材料化工等多種領(lǐng)域[10-15](圖1)。

圖1 半纖維素的應(yīng)用Fig.1 The application of hemicellulose

將半纖維素分離解聚為木寡糖和單糖可以進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。木寡糖是由木聚糖水解產(chǎn)生的一種功能性低聚糖，主要含有木二糖、木三糖、木四糖、木五糖、木六糖、木七糖以及少量的木糖等。已研究確認(rèn)的木寡糖的生理功能如圖1 所示。木寡糖的能量值幾乎為零，既不會(huì)影響血液中的血糖濃度，也不增加血糖中的胰島素水平[16]，在調(diào)節(jié)血糖、降低血清和血脂膽固醇、優(yōu)化腸道菌群、預(yù)防癌癥以及食品保健等方面發(fā)揮了重要作用[17-18]；同時(shí)，木寡糖極難被動(dòng)物消化吸收，在腸道內(nèi)殘存率高，具有雙歧桿菌增殖性，是低聚糖類中增殖雙歧桿菌功能性最強(qiáng)的一個(gè)品種，其功效是其他低聚糖的15～20 倍，故應(yīng)用前景廣闊。半纖維素降解得到的木糖同樣也有重要用途，其脫水后可得到糠醛，經(jīng)氫化還原可制備木糖醇；經(jīng)硝酸氧化可得三羥基戊二酸，并通過(guò)一些特定的微生物發(fā)酵可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為燃料乙醇、2，3-丁二醇和乳酸等，這些都可以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)或是繼續(xù)制備其他下游化學(xué)品[19]。

目前，直接以木糖為原料制備下游化學(xué)品的研究較多，但是從木質(zhì)纖維原料中高效制備木糖和木寡糖的研究則相對(duì)偏少。竹材的半纖維素含量與闊葉材相近，明顯高于針葉材 (10%～15%)，木聚糖約占半纖維素的90%[5]，因此竹子無(wú)疑是一種制備木寡糖或木糖的理想生物質(zhì)原料。在眾多竹子品種中，毛竹是應(yīng)用最廣、經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的竹種，其半纖維素的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，毛竹的半纖維素主要是由D-吡喃木糖單元通過(guò)β-1，4 糖苷鍵連接而成的木聚糖構(gòu)成，且α-D-葡萄糖醛酸基和α-L-阿拉伯糖基以側(cè)鏈形式分別連接在主鏈結(jié)構(gòu)單元的C2 和C3 位置上[20]。毛竹半纖維素的主要單糖成分是木糖，因此其半纖維素的解聚產(chǎn)物主要為木寡糖和木糖。

圖2 毛竹的半纖維素結(jié)構(gòu)Fig.2 Hemicellulose structure of moso bamboo

2 半纖維素的提取方法

木質(zhì)纖維生物質(zhì)中半纖維素的有效利用，包括從原料生物質(zhì)中選擇性溶解提取出半纖維素和轉(zhuǎn)化生成半纖維素衍生物的目標(biāo)產(chǎn)品2 方面。在植物細(xì)胞壁中，半纖維素與木質(zhì)素以共價(jià)鍵連接，通過(guò)氫鍵與纖維素連接，這些連接鍵阻礙了半纖維素從細(xì)胞壁中的提取。因此，研究有效的半纖維素提取方法對(duì)促進(jìn)半纖維素的高效利用至關(guān)重要。對(duì)于竹材而言，竹材纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互交織形成了復(fù)雜的、難以降解的致密結(jié)構(gòu)體系，導(dǎo)致直接提取半纖維素的效率很低。因此，往往需要對(duì)竹材先進(jìn)行處理，再通過(guò)水解得到木糖。目前從木質(zhì)纖維原料中提取半纖維素的處理方法包括堿法、堿性過(guò)氧化氫法、水熱法、有機(jī)溶劑法以及其他方法等[21-24]。

2.1 堿法

堿法是從生物質(zhì)中提取半纖維素最常用的方法，堿中的OH-可以使分子間的鍵發(fā)生皂化，脫去木質(zhì)素，促進(jìn)膨脹，從而將半纖維素從細(xì)胞壁溶解[25]。常用的堿有NaOH、KOH、LiOH 等，堿的種類和濃度以及反應(yīng)時(shí)間和溫度都會(huì)對(duì)半纖維素得率產(chǎn)生影響。García 等[26]將小麥秸稈置于40 ℃氫氧化鈉溶液中反應(yīng)90 min，得到半纖維素的提取率為56.1%。也有研究者采用冷堿提取和乙醇沉淀分離提取半纖維素，取得了較好的效果[27-28]。Li 等[29]采用凍融輔助堿處理從竹子中獲得了高產(chǎn)率、低分子量的半纖維素，半纖維素的提取率高達(dá)64.71%。這是由于凍融過(guò)程會(huì)在生物質(zhì)內(nèi)形成冰晶造成機(jī)械損傷，但超低溫速凍對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。一般用堿液處理，可以脫除聚木糖類半纖維素中的乙酰基和糖醛酸基，從而提高聚木糖的結(jié)晶程度。但在用堿液抽提半纖維素的方法中，半纖維素不可避免的會(huì)發(fā)生堿性剝皮反應(yīng)、脫乙?；饔?，甚至發(fā)生苷鍵斷裂的堿性水解，所以當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)物是聚糖類半纖維素時(shí)應(yīng)力求減少這些反應(yīng)。

2.2 堿性過(guò)氧化氫法

過(guò)氧化氫(H2O2) 在堿性環(huán)境中容易分解成羥基和超氧陰離子自由基，可以氧化木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，形成親水性基團(tuán)，并打破木質(zhì)素分子單元之間的化學(xué)鍵，達(dá)到分離半纖維素的效果。Cengiz 等[30]用不同濃度的NaOH 和H2O2從罌粟和棉花秸稈中提取半纖維素，發(fā)現(xiàn)堿性H2O2是溶解半纖維素的有效溶劑。Brienzo 等[31]研究了堿性H2O2一步法提取甘蔗渣半纖維素的工藝，發(fā)現(xiàn)當(dāng)H2O2濃度為6%、處理4 h，得到的半纖維素產(chǎn)量可達(dá)90%。Xing 等[32]采用蒸汽爆破輔助堿性過(guò)氧化物法，從玉米秸稈中分離出半纖維素，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)蒸汽爆炸所提取的半纖維素組分是阿拉伯木聚糖、木葡聚糖和β-葡聚糖的混合物，再經(jīng)過(guò)堿性H2O2處理后，半纖維素回收率從6.2%提高到12.2%，而且當(dāng)H2O2濃度升高時(shí)，半纖維素聚合物會(huì)顯著降解；經(jīng)酸水解后，在半纖維素組分中以木糖(53.7%) 和葡萄糖(30.5%) 為主要糖成分。

2.3 水熱法

水熱法是成本效益最佳的提取方法之一，用水做試劑，綠色環(huán)保，而且反應(yīng)時(shí)間短、效率高。Santos 等[33]在170 °C、60 min 的條件下從松木中提取到60%的半纖維素，提取的半纖維素主要在液相中以低聚物形式存在，總濃度達(dá)12.7 g/L。Moniz 等[34]利用水熱處理從玉米秸稈中選擇性分離半纖維素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原木聚糖的72.1%被溶解，其中63.2%被回收且為可溶性糖，包括木寡糖、木糖和阿拉伯糖。水熱法是利用水分子中自電離的H＋進(jìn)行自催化水解反應(yīng)，從而將半纖維素溶出，而木質(zhì)素和纖維素幾乎不發(fā)生變化。水熱萃取的機(jī)理與弱酸處理相似，在水解過(guò)程中，半纖維素分子結(jié)構(gòu)中支鏈上的乙酰基斷裂，生成乙酸，乙酸分離出H＋，使反應(yīng)體系的pH 值不斷降低[35]，將多糖降解為單糖，木聚糖解聚的程度取決于自水解的嚴(yán)重程度。因此，通常利用水熱條件可以得到具有較低聚合度的半纖維素。但水熱反應(yīng)通常要在高溫高壓下進(jìn)行，對(duì)設(shè)備要求較高。

2.4 有機(jī)溶劑法

用有機(jī)溶劑法分離得到的半纖維素純度高，化學(xué)活性好，且能夠很好地保護(hù)半纖維素的原有結(jié)構(gòu)不被破壞，特別是在用二甲亞砜(DMSO)提取半纖維素過(guò)程中可以保護(hù)乙酰基不受破壞。Zhang 等[36]以1～3 年生慈竹為原料研究DMSO 提取的半纖維素的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)在DMSO 處理下，半纖維素的降解程度較低，半纖維素產(chǎn)率為綜纖維素的6.53%～9.78%。另一種有機(jī)溶劑1，4-二氧六環(huán)，也作為半纖維素的提取溶劑，但其提取的半纖維素中會(huì)含少量的木質(zhì)素、阿魏酸和對(duì)羥基肉桂酸，且半纖維素得率較低，廢液回收困難[37]。此外，利用甲醇、乙醇、丁醇和丙酮等低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑與NaOH 等堿性催化劑處理木質(zhì)纖維原料，可以選擇性地切斷細(xì)胞壁基質(zhì)中半纖維素和木質(zhì)素的連接，而不會(huì)使半纖維素大幅度降解[38]。但由于大多有機(jī)溶劑具有腐蝕性、毒性以及揮發(fā)性，對(duì)環(huán)境易造成污染，所以有學(xué)者研究使用綠色環(huán)保有機(jī)溶劑的方法，發(fā)現(xiàn)不僅可以降低成本、減少污染，而且在分離半纖維素的同時(shí)還可以保留纖維素，并對(duì)脫除的木質(zhì)素加以利用。如γ-戊內(nèi)酯(GVL) 就是一種來(lái)源于生物質(zhì)的綠色極性非質(zhì)子有機(jī)溶劑，具有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性，存儲(chǔ)安全且能夠大量移動(dòng)，通過(guò)添加NaCl 或液態(tài)CO2可以方便回收和重復(fù)利用[21]。以往的研究集中于GVL/H2O 體系預(yù)處理生成富含纖維素的殘基，從而增強(qiáng)后續(xù)酶解[39-40]，也有部分研究人員探索了其在木質(zhì)素方面的應(yīng)用[41]。而隨著半纖維素降解產(chǎn)物(木糖或木寡糖) 的高價(jià)值利用受到關(guān)注，GVL 在提取半纖維素催化轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的平臺(tái)化學(xué)品方面也有一定應(yīng)用[42-43]。有研究以GVL/H2O 為溶劑，在不加酸的情況下對(duì)木材進(jìn)行分餾，結(jié)果表明，有79.6%的半纖維素被有選擇性地萃取到有機(jī)相中，纖維素?fù)p失率極低為13%，在GVL/水體系中加入硫酸，可進(jìn)一步提高半纖維素的分離效果[44]。Oyola-Rivera 等[45]研究了以H2SO4為催化劑、在GVL/H2O 的溶劑中處理甘蔗渣，得到木糖的最高得率為49%，這也為研究制備木糖提供了參考。

2.5 其他方法

除以上方法外，還有蒸汽爆破、微波、超聲波等輔助堿法、低共熔溶劑、離子液體(ILs) 和酸法等。蒸汽爆破是在高溫和高壓下利用水蒸氣穿透細(xì)胞壁，然后再突然釋壓而爆破使其結(jié)構(gòu)被破壞。Mihiretu 等[46]使用蒸汽爆破預(yù)處理甘蔗渣和白楊，在204 ℃處理10 min 得到木聚糖的產(chǎn)量分別為51%和24%。Xie 等[47]以甘蔗渣為原料采用超聲輔助堿法提取半纖維素，半纖維素產(chǎn)率較未采用超聲輔助的提高了3.24%。Yang 等[48]設(shè)計(jì)并合成了6 種基于多元醇和天然有機(jī)酸的酸性低共熔溶劑用于提取玉米芯的半纖維素，結(jié)果表明，乙二醇∶草酸(4 ∶1) 和甘油∶草酸(4 ∶1) 均表現(xiàn)出良好的溶解性能，半纖維素的產(chǎn)率分別達(dá)到31.7%和36.3%，而且適宜的酸度和溫度可以有效避免半纖維素的過(guò)度降解。此外，對(duì)甲苯磺酸(p-TsOH) 對(duì)木質(zhì)素有良好的溶解性，且其強(qiáng)酸性會(huì)導(dǎo)致半纖維素極易發(fā)生降解，所以在提取半纖維素領(lǐng)域也具有一定的應(yīng)用潛力。p-TsOH 作為有機(jī)酸在木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝中具有性能穩(wěn)定、毒性小、易回收等優(yōu)點(diǎn)[49]。Feng等[50]以甘蔗渣為研究對(duì)象，在80 ℃、3.0%p-TsOH 和120 min 的條件下，得到半纖維素的分離率和提取率分別為73.23%和36.02%，為半纖維素的高效分離和提取提供了有價(jià)值的理論依據(jù)。Yu 等[51]用p-TsOH 預(yù)處理玉米秸稈，發(fā)現(xiàn)在100 ℃時(shí)水解產(chǎn)物中有85%的木糖，而且預(yù)處理溫度越高，降解得到的木糖越多，這為分離提取半纖維素中的木糖提供了重要參考，研究竹子半纖維素的提取可以充分借鑒此方法。此外，Lan 等[52]研究了甘蔗渣在1-丁基-3-甲基咪唑氯([C4mim]Cl) 中的溶解情況，用3%NaOH 溶液萃取，得到半纖維素的收率為26.04%。對(duì)于離子液體法，雖然其具有分離效率好、溶劑回收利用好、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，但離子液體的制備過(guò)程復(fù)雜，其成本高。而酸法處理，會(huì)使半纖維素與纖維素的氫鍵發(fā)生斷裂，也會(huì)導(dǎo)致一部分半纖維素的溶出，但由于半纖維素在酸性條件下容易水解，因此酸法提取的產(chǎn)率和分子量相對(duì)較低。

3 半纖維素的解聚過(guò)程

半纖維素常采用酶水解、自水解、催化水解和酸水解等方法由木聚糖解聚而得到木寡糖或木糖[53](表1)。

表1 木聚糖常用水解方法Tab.1 Common hydrolysis methods of xylan

半纖維素是復(fù)雜的雜多糖，因此酶解需要多種酶的作用，一般包括內(nèi)切木聚糖酶、酯酶、內(nèi)切甘露聚糖酶、β-甘露糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和α-半乳糖苷酶等，而針對(duì)木聚糖的完全酶水解則需要多種酶的協(xié)調(diào)作用。首先，由內(nèi)切1，4-β-D-木聚糖酶隨機(jī)斷裂聚木糖骨架，產(chǎn)生木寡糖，降低了聚合度；然后由外切酶β-木糖苷酶將木寡糖分解為木糖。目前，由于酶解法環(huán)境友好且產(chǎn)生的副產(chǎn)物少，因此是食品工業(yè)生產(chǎn)木寡糖的首選方法。王東美等[54]采用酶法降解經(jīng)蒸汽爆破的玉米芯半纖維素生產(chǎn)木糖，當(dāng)在加酶量13.05 U/g、水料比13.2 ∶1、酶解時(shí)間5 h、酶解溫度47.3 ℃條件下，得到木糖的產(chǎn)率為83.24%。但由于酶解法對(duì)反應(yīng)條件要求嚴(yán)格，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，酶易失活，耗時(shí)較長(zhǎng)，成本較高，因此限制了其在生產(chǎn)中的大規(guī)模使用。

自水解法和稀酸水解法是降解半纖維素的傳統(tǒng)處理方法。自水解是在高溫或高壓下用水蒸氣或液態(tài)水進(jìn)行熱處理，由水的自電離作用產(chǎn)生水合氫離子，從而觸發(fā)半纖維素的解聚產(chǎn)生木寡糖。Zhang 等[55]研究乙?；o助自水解處理甘蔗渣生產(chǎn)木寡糖，在200 ℃下自水解10 min 后木寡糖得率為50.35%。在溫度較高的反應(yīng)條件下，乙?；o助自水解增加了木二糖和木三糖的含量，同時(shí)也增加了纖維素的酶降解效率。Xu 等[56]研究了楊木半纖維素在160～180 ℃時(shí)的自水解過(guò)程，將半纖維素以超高的水解速率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的單糖。酸法是處理半纖維素水解應(yīng)用最廣的一種手段，稀酸處理能夠破壞木質(zhì)素與纖維素和半纖維素之間的連接，促進(jìn)半纖維素降解[57]，通過(guò)控制酸解的時(shí)間、溫度和濃度，可有效提取半纖維素中的大部分木糖成分，此法適用性廣、成本低。常用的酸有鹽酸、硫酸、磷酸、硝酸、甲酸、馬來(lái)酸和草酸等。Zhang 等[58]采用蘋(píng)果酸(MA) 處理油茶殼，探究了酸濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)木寡糖的濃度和產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)在使用2 mol/L的MA、120 ℃、30 min 的條件下，DP2-4 的木寡糖的最高產(chǎn)率為48.78%。也有研究從芒草中提取木糖，用0.3%的硫酸在180 ℃條件下處理10 min后，得到木糖產(chǎn)率最高為74.75%，半纖維素(主要是木聚糖) 的降解率為86.41%[59]。何文強(qiáng)等[60]用甲酸法預(yù)處理南荻，結(jié)果表明在反應(yīng)3 h、溫度100 ℃、料液比1 ∶10 的條件下半纖維素回收率為80.2%，半纖維素提取液中主要成分為木糖，且木糖提取率為89.8%。

此外，對(duì)催化水解法的研究也較多，Shatalov等[61]以新型鉬釩磷酸鹽雜多酸作為酸催化劑將半纖維素水解轉(zhuǎn)化為可溶性單糖和低聚糖，研究發(fā)現(xiàn)木聚糖的水解轉(zhuǎn)化率為98.5%。Zhang 等[62]以0.05 mol/L 的FeCl2和0.05 mol/L 的MgCl2共催化甘蔗渣生產(chǎn)木寡糖，產(chǎn)率達(dá)54.68% (29.34%木二糖和20.94%木三糖)。與酸性水解相比，酸性綠色離子液體表現(xiàn)出類似的半纖維素水解機(jī)制。Lopes 等[63]利用酸性1-乙基-3-甲基咪唑硫酸氫離子液體水溶液，選擇性高效水解麥草半纖維素為戊糖(木糖和阿拉伯糖)，反應(yīng)液中戊糖的收率為80.5%，離子液體的回收率高達(dá)92.6%。

研究竹材半纖維素的解聚，可以充分借鑒以上其他木質(zhì)纖維原料分離半纖維素的預(yù)處理方法，以破壞原料的致密結(jié)構(gòu)，第2 步再通過(guò)酶水解、自水解、催化水解和酸水解木聚糖來(lái)得到木寡糖或木糖。半纖維素的解聚過(guò)程經(jīng)歷了從長(zhǎng)鏈到短鏈的多級(jí)降解過(guò)程，然后是更小范圍的可溶性低聚物和單體，在這個(gè)過(guò)程中，不僅要促進(jìn)木聚糖的解聚，也要避免單糖的降解或損失。尤其是木糖在高溫和酸性環(huán)境中高度不穩(wěn)定，因此會(huì)生成一些糖降解產(chǎn)物如有機(jī)酸(如甲酸和乙酸)、呋喃(如5-羥甲基糠醛和糠醛)、不溶性腐殖質(zhì)等[64-65]，所以在制備過(guò)程中要考慮減少抑制物的生成。

4 結(jié)束語(yǔ)

以竹材為原料的半纖維素提取和利用研究還處于起步階段，竹材半纖維素的提取和解聚過(guò)程應(yīng)結(jié)合竹材自身的結(jié)構(gòu)特性來(lái)開(kāi)展研究。同時(shí)，要考慮到利用半纖維素的同時(shí)，兼顧纖維素和木質(zhì)素的同步開(kāi)發(fā)利用，以期達(dá)到全組分高效利用的目的。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的不同，可設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)各組分分步、分級(jí)利用的綜合工藝途徑。在未來(lái)的應(yīng)用中，還應(yīng)考慮使用綠色溶劑和反應(yīng)物進(jìn)行半纖維素衍生化的綠色途徑。