曹秀華，阮奇城，林海紅，胡開輝，孫淑靜，祁建民

（福建農林大學教育部作物遺傳育種與綜合利用重點實驗室，福州 350002）

以目前全球能源開采和消耗速度估算，全世界石油大約僅能維持生產40年，天然氣和煤炭大約可以供應60年及160年。由于資源枯竭和環(huán)境惡化的壓力，迫使人類愈加關注自然和社會的可持續(xù)性發(fā)展，發(fā)展新型的可再生材料、原料和能源已成為全球的共識。尤其是可再生能源的研發(fā)已成為各國重點發(fā)展領域[1]。因此燃料乙醇作為一種最重要的生物質能源得到世界各國的廣泛重視，乙醇汽油在全球范圍內呈現出迅猛的發(fā)展勢頭。2007年全世界乙醇的總產量達到500億L左右，較上年增長近27%，其中巴西和美國占全球乙醇產量的70%以上，是燃料乙醇的主要生產及消費國[2]。目前用于生產燃料乙醇的原料基本上屬于糧食作物和糖料作物，如巴西的主要原料為甘蔗，美國95%的原料來自玉米，歐洲以小麥、甜菜為原料，我國早期生產燃料乙醇的原料主要是陳化糧、玉米、小麥、干薯及糖蜜等。由于這些原料的利用受到耕地和原料成本的限制，以玉米為例，全美國12%以上的玉米產量被用于生產燃料乙醇，對玉米的巨大消耗使美國玉米價格在兩年內上漲近一倍[3]。中國有13億人，糧食安全至關重要。發(fā)展燃料乙醇必須尋求非糧原料之路，必須堅持“不與民爭糧，不與糧爭地”的基本原則。2007年6月7日，國務院可再生能源會議明確指出，中國將停止在建的煤化工項目和糧食乙醇燃料項目，在不得占用耕地，不得消耗糧食，不得破壞生態(tài)環(huán)境的原則下，堅持發(fā)展非糧燃料乙醇。

纖維質是自然界中最為豐富的生物質資源，其能量來自太陽，由植物通過光合作用固定，主要有機成分包括纖維素、半纖維素和木質素等三部分，其中纖維素束鑲嵌在半纖維素和木質素通過共價鍵聯結成的網絡結構中。早在20世紀50年代，美國在尋找可替代林木造紙植物纖維時發(fā)現，紅麻是首選的纖維植物，其生產量是木材的4倍，二氧化碳固化能力是森林的4-5倍，是環(huán)境凈化和符合低碳理念的潛在優(yōu)勢植物，倍受發(fā)達國家的青睞。而采用其他農作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣及城市垃圾等含木質纖維素豐富的生物質廢棄物生產燃料乙醇，也是擴大原料來源和降低燃料乙醇生產成本的極好策略。因此，近年來全球發(fā)達國家都將利用農作物秸稈纖維質轉化成燃料乙醇的研究作為研發(fā)重點。

1 纖維質預處理技術研究現狀與問題

將農作物纖維質轉化成燃料乙醇主要有兩個環(huán)節(jié)，首先是將其纖維質中的纖維素成分水解成可發(fā)酵的還原糖，進而再將還原糖發(fā)酵成乙醇。應用纖維素酶催化可以高效水解纖維質生成單糖。但由于纖維質致密的復雜結構及纖維素結晶的特點，阻礙了纖維素酶對纖維素的水解，因此需要采用合適的方法處理纖維質。去除木質素及半纖維素、降低纖維素的結晶度，以及提高纖維素的酶解接觸面積，從而有效地改善纖維素酶的水解效率[4]。研究人員已對許多預處理方法進行了大量研究，大致可分為物理法、物理-化學法、化學法和生物法四類。

1.1 物理預處理法

1.1.1 機械粉碎法

機械粉碎法是指將秸稈等纖維質切碎碾磨成粉末的預處理方法。本法可減小物料的顆粒大小，增加纖維素與纖維素酶的接觸面積，降低纖維素的結晶度。因生物質種類、碾磨方式及碾磨時間的差異，粉碎法一般可提高水解效率5%-25%[5]。但是Chang等人發(fā)現，物料顆粒小于40目以下時，水解效率并無顯著變化[6]。本法不能去除木質素及半纖維素，且能耗大、成本高，但能提高原料的比表面積、減少結晶區(qū)，操作簡單易行，能起到即時效果，常與其他預處理技術聯用。

1.1.2 熱裂解法

熱裂解是指在300℃以上的高溫條件下，木質纖維物料分解產生氣體產物和固體殘渣，然后將固體殘渣酸化水解，可將纖維素的轉化率提高到85%[7]。但現在基本不用熱裂解法預處理。

1.1.3 高壓熱水處理法

Mosier和Wyman等把200-300℃的高壓水和生物質混合15min后，40%-60%的生物質可被溶解，其中包括4%-22%的纖維素、35%-60%的木質素以及所有的半纖維素，再對得到的液體用稀酸處理后，90%的半纖維素都能以單糖的形式回收。熱水處理中，半纖維素生成的乙酸和其他有機酸有助于寡糖的生成和寡糖的進一步水解為單糖，但生成的單糖也會在酸催化下轉化為醛，從而對微生物發(fā)酵產生抑制作用[8]。本法預處理中不需要減小原料的粒徑，也不需外加酸或堿，減少了后續(xù)處理的成本，也無污染問題；而且半纖維素轉化為糖的效率很高，可達到88%-98%，故近年來很受重視，但是它對秸稈的效果較好，對軟木的效果較差，目前該工藝的發(fā)展仍處于實驗室研究階段。

1.2 化學預處理法

化學法處理包括稀酸處理，堿處理及臭氧處理等。

1.2.1 酸處理法

酸預處理是最早被研究也是研究得最深入的化學法之一。既可用硫酸、硝酸、鹽酸或磷酸等無機酸，還可使用乙酸、丙酸等有機酸[9]。

酸預處理過程中主要是半纖維素的水解，有稀酸水解和濃酸水解兩種，效果最好、研究應用最廣泛的是稀硫酸法。稀硫酸（0.5%-1.0%）預處理通常是在較溫和的條件下進行的。將纖維質粉碎成粒徑1mm左右的顆粒，向物料顆粒中加入濃度為0.7%的稀硫酸，使酸與物料顆?；旌暇鶆颍缓蟀鸦旌衔锛訜岬?90℃，時間從幾秒鐘到幾分鐘[10]。通常稀酸預處理后形成的木糖在高溫和高壓下會進一步降解成糠醛，己糖降解形成5-羥甲基糠醛，當糠醛和5-羥甲基糠醛降解時可形成甲酸。木糖的繼續(xù)降解不僅降低了糖的得率，并且糠醛、甲酸和其他副產物還會對后續(xù)的發(fā)酵過程產生抑制作用。通常需要采用離子交換、過量石灰中和等措施脫毒，或選育和使用能抗毒性物質的酒精發(fā)酵菌。盡管目前的稀硫酸預處理技術和設備需要使用非常昂貴的耐腐蝕材料，以及中和脫毒需耗用大量化學品，并在處理反應中會產生的大量石膏或其他鹽類，增加了成本，但目前仍被認為是最接近實用化的預處理技術[11]。濃酸預處理比稀酸預處理效果明顯，但在濃酸預處理過程中會產生抑制劑，發(fā)生副反應，應用價值不大。

1.2.2 堿處理法

使用較多的堿有NaOH、KOH、Ca（OH）2和氨水等。氫氧化鈉稀溶液預處理可以引起纖維素明顯潤脹，增加內表面積，降低纖維素結晶性，使木質素與碳水化合物間的結構鏈分離，破壞木質素結構，是目前應用最廣、備受關注的有效方法[12]。Millet等發(fā)現，硬木經氫氧化鈉稀溶液處理后，木質素含量從24%-55%降低到20%左右，酶解效率從14%提高到55%，但是堿處理對木質素含量高于26%的軟木沒有顯著效果[13]。de Vrije等用氫氧化鈉溶液在70℃條件下處理芒屬纖維再進行酶水解，木質素去除率達77%、纖維素水解率超過95%、半纖維素水解率44%[14]。

氨水也常用于去除木質素，Iyer等人采用氨循環(huán)滲濾工藝對玉米芯和柳枝稷進行處理（溫度：170℃，氨水濃度：2.5%-20%，處理時間：1h），對玉米芯的木質素去除率達到60%-80%，對柳枝稷的木質素去除率達到65%-85%[15]。Kim等將玉米秸稈用氨預處理后，可以除去70%-85%的木質素。在酶用量足夠多的條件下，幾乎所有的纖維素都可被水解，而未處理時僅7.8%可水解[16]。該工藝對農作物秸稈特別有效。

Holtzapple等發(fā)現將石灰漿噴灑到生物質上，將原料放置幾個小時到幾個星期，高溫可以縮短預處理時間，把氧氣（空氣）通入到石灰和生物質的混合物中，可顯著加快對木質素的脫除[17]。該法對高度木質化的生物質十分有效。

1.2.3 氧化處理

氧化處理就是利用過氧化氫、臭氧或氧氣在堿性條件下，使木質素分解、半纖維素溶解，以使物料更容易發(fā)生酶解和發(fā)酵的方法。Azzam等[18]采用過氧化氫處理甘蔗渣，在30℃、2%的雙氧水催化下處理8h，大約50%的木質素和大部分的半纖維素被溶解，且在后續(xù)水解工藝中，95%的纖維素能夠被轉化為葡萄糖。此外，還可采用濕氧化法，在加溫加壓條件下，水、氧氣和堿共同作用使木質素和半纖維素溶解于堿液中，而與纖維素分離。匈牙利Eniko[19]等人采用濕氧化法在195℃，15min，1.2MPa O2、2 g/LNa2CO3對60g/L玉米秸稈進行預處理，其中60%半纖維素、30%木質素被溶解，90%纖維素呈固態(tài)分離出來，纖維素酶解轉化率達85%左右。Klinke等[20]采用濕氧化法對麥秸進行預處理，反應條件為195℃、10min、1.2MPa O2、6.5g/LNa2CO3，處理后纖維素得率為96%，酶解后葡萄糖的產量也到達67%，取得了較好的效果。

1.2.4 有機溶劑處理[21]

有機溶劑包括甲醇、乙醇、丙酮、乙烯基乙二醇、三甘醇及四氫化糠基乙醇。有機酸如草酸、乙酰水楊酸和水楊酸均可作為有機溶劑法的催化劑。高溫條件下無需添加催化劑，有機溶劑也可以完全地溶解木質素，對纖維素生物量預處理效果好。有機溶劑處理可降低成本，避免阻礙微生物生長、酶法水解和發(fā)酵的化合物生成。但同時存在腐蝕和毒性等問題的限制，容易造成壞境污染。

1.3 物理-化學處理法

物理化學法主要包括蒸汽爆破、氨纖維爆裂、CO2爆裂等。

1.3.1 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法是使高溫蒸汽與生物質混合，經一定時間后迅速開閥降壓。水蒸氣提供了一個有效的熱載體，使原料迅速升溫而不使生成的糖過分稀釋，該處理過程中，高溫蒸汽滲入纖維內部，以氣流的方式從封閉的空隙中釋放出來，使纖維發(fā)生一定的機械斷裂；同時高溫高壓加劇了纖維素內部氫鍵的破壞和有序結構的變化，游離出新的羥基，增加了纖維素的吸附能力，也促進了半纖維素的水解和木質素的轉化[22]。

一般情況下，蒸汽爆破的條件是：原料用蒸汽加熱至溫度180～200℃，維持5～30 min，或者加熱到溫度245℃，維持0.5～2min。處理時間隨加熱溫度和壓力的增大而減少，如對白楊木，可在溫度214℃下處理6min[23]。李步海等[24]用蒸汽爆破法預處理甘蔗渣，酶解率提高4倍之多。徐勇等[25]將玉米秸稈蒸汽爆破后，纖維素幾乎不損失，木質素損失14.6%，酶解得率可達70.0%。廖雙泉等[26]用蒸汽爆破法處理椰衣纖維，結果使纖維素含量比未處理樣品提高17.05%，同時木質素含量降低6.63%，其他成分含量降低了10.42%，實現了原料雜質組分的有效降低。韓曉芳[27]用蒸汽爆破法處理棉稈，結果表明可增加棉稈的生物可利用性。

蒸汽爆破技術經常用添加不同的化學藥品來預浸原料，然后再用蒸汽爆破處理，可提高預處理過程中原料的利用率。Robert Eklund等[28]采用質量分數為1%的SO2，在100kPa下將柳樹枝預浸15min，然后在溫度206℃下蒸汽處理10min，處理后的干基物料中含纖維素55%。酶解后基于原料中葡聚糖的量，葡萄糖的得率可達95%。

蒸氣爆裂法的優(yōu)點是能耗低，可間歇也可連續(xù)操作，主要適合于硬木原料和農作物秸稈。缺點是木糖損失多，對軟木的效果較差，且產生對發(fā)酵有害的物質。預處理強度越大，纖維素酶水解越容易，但由半纖維素得到的糖也越少，而產生的發(fā)酵有害物質越多。

蒸汽爆破過程中添加H2SO4（或SO2）和CO2或者用乙酸、甲酸等有機酸溶液預先浸漬原料木片，可使半纖維素的水解程度顯著提高。以蒸汽爆破法在通入無水SO2對美國花旗松木片進行預處理，水解得己糖且發(fā)酵后乙醇濃度為17g/L，纖維素轉化率90%[29]。用稀硫酸在室溫下浸漬木片10h，然后進行蒸汽爆破預處理，半纖維素的回收率最高[30]。

1.3.2 氨纖維爆裂法

氨纖維爆破（AFEX）的原理類似于蒸氣爆裂，是在高溫和高壓下使固體原料和液態(tài)的氨反應，同樣經一定時間后突然開閥減壓，造成纖維素晶體的爆裂。典型的AFEX工藝中，處理溫度在90～95℃，維持時間20～30 min，每公斤干固體原料用氨1～2 kg。該法可去除部分半纖維素與木質素，降低纖維素的結晶性，提高纖維素酶的可及度，不產生對微生物有抑制作用的物質。氨纖維爆破法需要對氨水回收利用，投資成本較高。該法適合于草本作物及其農業(yè)廢棄物，而不適合于有高木質素含量的原料[31]。

1.4 生物預處理法

自然界參與降解木質素的微生物種類有真菌、放線菌和細菌，而真菌是最重要的一類。研究表明，若干種擔子菌類的白腐菌能夠有效地和有選擇性地降解植物纖維原料中的木質素，也是已知唯一的在純培養(yǎng)條件下能夠將木質素最終礦化的微生物。目前國際上研究最多并表現出有效降解能力的白腐真菌是黃孢原毛平革菌。Jian Shi和Ratna R等人用黃孢原毛平革菌處理棉花秸稈14d，液態(tài)培養(yǎng)和固態(tài)培養(yǎng)的木質素去除率分別達到19.38%及35.53%[32]。潘亞杰[33]等利用白腐菌對玉米秸稈進行生物降解預處理，在固液比例為1∶9，降解周期為14d，在添加營養(yǎng)物質的情況下，玉米秸稈的木質素降解率為55%-65%。

生物法預處理具有條件溫和、專一性強、能耗低、不會對環(huán)境產生污染等優(yōu)點。但是，目前存在木質素降解微生物種類少、木質素分解酶類的酶活力低、處理時間長、對白腐菌進行遺傳改良等技術問題，這些都需要進一步研究，才能有助于拓展生物法預處理的實際應用空間。

2 展望

2.1 高效預處理方法應滿足的條件

在整個纖維素乙醇的生產工藝中，預處理是關鍵的第一步。理想的預處理技術應滿足以下幾個必要條件：①有利于酶水解過程的糖化，減少糖化過程酶的用量；②避免碳水化合物的降解或損失；③避免生成對后續(xù)水解或發(fā)酵過程起抑制作用的副產品，如乙酸和糠醛；④經濟可行，盡可能地降低預處理本身的成本。

2.2 目前預處理方法的弊端

纖維質預處理方法雖然很多，但都存在一定的弊端。物理法對環(huán)境污染較小，但能耗過大；化學方法中，酸預處理雖然可以提高反應速度，但稀酸對酶解有抑制作用，需要進行脫毒處理，氫氧化鈉的成本較高且易產生環(huán)境污染，石灰的成本較低，但是需要的石灰量較大，且容易產生沉積；蒸汽爆破法和生物處理法是今后纖維質預處理的發(fā)展方向，但目前蒸汽爆破法的成本還比較高，難于在當前實現工業(yè)化要求，生物處理的周期較長，仍需加強對菌種的選育和改進，提高降解效率，縮短作用時間。

2.3 預處理方法的改進

單一處理方法對纖維質進行預處理時，難以達到預期效果，往往需要采用不同方法的組合。常見的聯合法是先采用機械破碎，然后用化學、物理或生物的方法進行處理。聯合法能針對不同的纖維質，綜合幾種單一預處理方法的優(yōu)點，可顯著提高酶水解效率。因此在研究中需要了解與不同材料相適應的預處理工藝的一般規(guī)律，以期獲得較高的處理效率，降低處理成本。

另外，傳統(tǒng)的預處理思路局限于可轉化為乙醇的纖維素的獲得，對半纖維素、木質素的處理未予重視。生物量全利用的觀念[34]提出，應該將纖維質看作是由纖維素、半纖維素和木質素構成的混合物，預處理是將這3種組分分離、純化，進而相應充分利用的過程。從全局考慮，來自于原材料的成本就可以進一步有效降低。

2.4 預處理的發(fā)展方向

預處理的效果不僅影響最終酒精的產率，還直接影響下游的工藝成本。今后對預處理的研究方向是：在結合糖化、發(fā)酵整個完整工藝的基礎上，對現有的預處理方法進行優(yōu)化、改進，同時進一步了解纖維素結構對酶解的影響，深入研究預處理過程的物理化學反應機理，構建出合理的預處理模型，找出最佳的工藝條件，設計出相匹配的反應器，從而找到更為經濟有效、低污染的預處理技術，才能推動纖維素乙醇實現工業(yè)化發(fā)展。

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