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(1.喀什大學生命與地理科學學院,新疆喀什 844000;2.葉爾羌綠洲生態(tài)與生物資源研究高校重點實驗室,新疆喀什 844000;3.華南理工大學生物科學與工程學院,廣東廣州 510006)

在全球氣候變暖以及環(huán)境污染防控的大環(huán)境下,高污染、高排放的一次能源逐漸受到限制,探索可替代常規(guī)化石能源的新型能源已成為重要解決途徑[1]。生物質能源作為一種可再生能源,在自然界廣泛分布,地球上每年經過光合作用產生的生物質能量是化石能源消耗總量的10～20倍,但生物質能源利用率極低,只有不到3%[2]。我國是農牧業(yè)大國,擁有豐富的生物質資源,具有廣闊的開發(fā)應用前景[3-4]。如農業(yè)廢棄物秸稈、稻殼、枯草、木屑等木質纖維素作為非食用性生物質不僅貯量豐富,而且生長快、易獲得、價格低,極具開發(fā)應用價值[5]。這些木質纖維素生物質不僅可用于制備生物乙醇、生物柴油等清潔能源,還可用于制備各種化工原料及生物基材料,或將木質纖維素糖化水解得到葡萄糖、木糖及阿拉伯糖等糖類用于微生物發(fā)酵培養(yǎng)基質[6-8]。因此,可再生木質纖維素生物質資源的轉化和利用在我國堅持可持續(xù)發(fā)展道路上具有重要意義。

但是,木質纖維素的大規(guī)模開發(fā)利用受到諸多因素限制[9],如木質纖維素本身固有的高結晶度、抑制劑對微生物發(fā)酵的抑制作用、木質纖維素酶解效果較低等嚴重限制了生物質能源的進一步開發(fā)應用,亟待研究解決。同時木質纖維素結構復雜、性質穩(wěn)定,很難被酶解或微生物降解,有研究表明纖維素酶解效率的高低很大程度上取決于木質纖維素的預處理效果[10]。因此木質纖維素的預處理是提高其酶解效率的有效途徑。一方面,在工藝上開發(fā)新型預處理技術,旨在破壞木質纖維素的頑抗特性,提高酶解效率;另一方面,在機理上剖析制約纖維素酶解的頑抗特性,旨在明確關鍵底物特性,以便指導新型預處理技術開發(fā)[11-12]。本文綜述了近年來國內外研究者對木質纖維素預處理技術的最新研究成果,以便為生物質能源的產業(yè)化進程提供有益參考。

1 木質纖維素預處理的目的

木質纖維素包括纖維素、半纖維素和木質素3種主體成分,其作為植物細胞壁的重要組分起著保護細胞的作用[13]。木質素是由苯丙烷及其衍生物為基本組成單位而形成的高分子芳香族化合物,在水解纖維素過程中扮演著屏障作用(見圖1)。因此,木質素的存在使得酶對纖維素和半纖維素的接觸受到阻礙,并且木質素對水解酶的結合不可逆,導致水解速度降低。

表1 傳統(tǒng)的預處理方法Table 1 Traditional pretreatment methods

表2 物理預處理法Table 2 Physical pretreatment

表3 化學預處理法Table 3 Chemical pretreatment

圖1 預處理的作用Fig.1 Role of pretreatment

木質纖維素預處理是指通過一定技術手段,破壞木質纖維素的高結晶度結構,使其容易被進一步降解利用[14-16]。通過預處理可以破壞木質素和半纖維素對纖維素的包裹,脫除木質素,降解半纖維素,改變纖維素的晶體結構,纖維素的可及內表面積及松散程度也隨之增加,增大了酶與底物的反應面積,使后續(xù)酶解效率和糖得率顯著增加[17-20]。目前木質纖維素預處理工藝可分為傳統(tǒng)預處理和新型預處理兩大類,具體方法的選用因材料而定。

2 傳統(tǒng)的預處理方法

傳統(tǒng)的預處理方法主要包含三大類,如表1所示。

2.1 物理法

物理法主要是通過傳統(tǒng)的機械研磨或輻射等作用,直接降低木質纖維素的顆粒大小和結晶度,包括機械粉碎法、高能輻射法和微波處理法等,如表2所示。

機械粉碎作用增加了原材料物質與后面生物酶或酸的反應面積,一定程度提高了酶解或酸解的效果,但機械粉碎作用并不能降解木質素和半纖維素,效果有限[21-22]。高能輻射法則是使用射線照射木質纖維素材料,增大纖維素的松散度,提升酶解或酸解反應的可及度,使后續(xù)處理變得更加容易[23]。而微波處理法在化學反應領域已被廣泛應用[24]。經過微波處理后不僅可以縮短反應時間,而且降低了需酶量,乙醇產量和濃度也顯著提高[25]。

2.2 化學法

通過酸性、堿性、強氧化劑等化學試劑破壞木質纖維素的晶體結構,以便發(fā)生化學反應降解,如表3所示。

酸處理技術中,通常在低于100 ℃條件下用濃度大于10%的酸處理,或在100～240 ℃條件下用濃度5%以下的酸處理。但酸性試劑預處理的方法對木質纖維素降解以及晶體結構的破壞作用不顯著,且反應裝置易被腐蝕等,嚴重制約了其工業(yè)化應用[26]。

表4 生物預處理法Table 4 Biological pretreatment

表5 新型預處理方法Table 5 New pretreatment methods

相比而言,堿性試劑預處理的方法反應條件溫和,得到的不利副產物少,且木質素在特定前提下被大量降解,同時半纖維素也有少量被水解,大大增加可及內表面積[27]。但堿性試劑處理不能有效打破木質纖維素的晶體結構,通過和無定形的纖維素結構對比發(fā)現(xiàn),前者酶解反應依舊需要比較長的時間。蒸汽爆破法與氨氣爆破法不僅能使纖維素內部產生物理性毀壞,而且能使其內部的化學鍵毀壞,顯著脫除了半纖維素和少量的木質素[28]。但蒸汽爆破法需要高性能的設備,成本昂貴,同樣限制了規(guī)?；a[29]。

2.3 生物法

生物法主要通過微生物對底物的反應降解木質素,如表4所示,該方法可以大幅增加纖維素的酶解效果[30]。多使用真菌中的木腐菌降解木質素,如白腐菌、褐腐菌和軟腐菌,尤以白腐菌分解木質素能力最強。生物法預處理工藝條件最溫和,不但能耗低,而且綠色環(huán)保無污染,美中不足的是處理耗時長[31]。

3 新型預處理方法

傳統(tǒng)的預處理方法不僅操作復雜、對設備要求高、能耗大、成本高、周期長,而且酶解效率低,還會造成一定程度的環(huán)境污染。基于此,國內外學者相繼探索了一些新型預處理工藝。這些新型預處理方法處理條件相對溫和、對設備要求低、能耗小,不僅提高了酶解效率,縮短了反應周期，而且環(huán)保綠色?？傮w來說,新型的預處理工藝占有較強優(yōu)勢,如表5所示，大大提高了產業(yè)化應用的生產效率,但目前尚在實驗室階段,規(guī)?；糯蠛吞幚沓杀旧嫌写M一步優(yōu)化。

3.1 物理-化學組合預處理

物理-化學組合預處理包括酒精蒸煮-球磨法、增壓熱水-球磨法、微波-離子液體預處理。酒精蒸煮-球磨法中,首先用酒精蒸煮木質纖維素,以便于后續(xù)反應,通過兩步反應即可使底物的微粒變小,晶體粒度也隨之被破壞。該方法相比常規(guī)的硫酸-乙醇蒸煮法避免了硫酸的使用和設備腐蝕等問題[32]。增壓熱水-球磨法的聯(lián)合預處理,可使少量半纖維素水解,破壞木質纖維素結構,大大縮短了后面球磨的時間,有效減少了預處理時的能量消耗。該方法較單獨使用高壓熱水預處理明顯降低了酶用量(從每克底物40FPU降低到4FPU),具有更高的研究價值[33]。增加纖維素酶解效果的方法還包括微波協(xié)助的組合預處理工藝,該工藝中微波顯著減少了纖維素結晶度,增強其在離子溶液中的溶解性[34]。此外,還包括微波-堿處理以及微波-酸處理等聯(lián)合預處理[35]。

3.2 化學組合預處理

木質纖維素單純經過酸反應,多數(shù)木質素并未被去除,顯著影響了后期酶解效率。但是通過酸堿組合共同反應以后,多數(shù)非纖維素類物質被去除,酸反應過程中產生的抑制劑也大大減少,酶解效率大幅增加。如對木質纖維素材料使用強酸-強堿(稀硫酸-氫氧化鈉)或弱酸-弱堿(甲酸-氨水)共同反應后,木質素和半纖維素被有效去除,得到大量纖維素底物[36]。甲酸處理會造成纖維素堆積,因此酶可及表面積顯著減少,降低了酶解效率[37]。但通過后續(xù)平和體系下的氨水浸泡處理,增加酶可及接觸面,水解效率明顯增加。尤其使用酸堿聯(lián)合預處理底物后,由于交聯(lián)度增大,含有少量的非纖維素類材料,在相同條件下黏合度降低,可為后續(xù)的高固反應提供更加有利條件。Teramoto[32]研究小組采用分批補料的方法把固液比從5%～7.5%提高到25%,利用高含量高固液比的底物纖維素進行酶解發(fā)酵,可得到高濃度的燃料酒精,大大減少了下游酒精的蒸餾費用。

有Zhang等[38]報道了一種有機溶劑-纖維素溶劑相結合的新方法,在常壓、50 ℃條件下使用乙醇做有機溶劑,濃磷酸做纖維素溶劑進行處理,可高效破壞木質素的結晶度并脫除半纖維素,在超低酶載量(1 FPU/g 葡聚糖)下也可達到良好的水解效果。該技術最大特點是有效降低了原材料的結晶度,使底物變成無規(guī)則狀態(tài)。與常規(guī)處理方法相比,酶用量大大降低,酶解時間顯著減少,具有良好的應用價值。

3.3 化學/物理-生物聯(lián)合預處理

對水稻殼的處理,首先在溫和條件下用H2O2或超聲波預處理水稻殼,再利用微生物去除木質素。木質纖維素結構經H2O2或超聲波處理后被毀壞,更利于微生物的潛入,明顯提升去除效果。相比單獨使用微生物法,該組合顯著降低了反應時間,糖組分損失也較小,應用空間較大。

Yu等[39]的研究發(fā)現(xiàn),聯(lián)合預處理顯著提高了木質素的降解速率,預處理后的底物經酶解后,總可溶性糖和葡萄糖的凈收率均有顯著提高。用H2O2(2%,48 h)和P. Ostreatus(18 d)聯(lián)合預處理比單獨用P. Ostreatus預處理60 d效果好。Dai等[40]采用細菌與NaOH-尿素相結合的預處理方法,提高了底物的酶解性能。結果表明聯(lián)合預處理使還原糖和葡萄糖產量分別比單獨預處理提高1.396倍和1.372倍。Ma等[41]以水葫蘆為原料,在不同預處理條件下進行酶解和乙醇生產,研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理效果優(yōu)于單一預處理。在相同條件下,聯(lián)合處理水葫蘆的酶解還原糖得率是酸處理的1.13～2.11倍,乙醇產量提高了1.34倍。

化學/物理-生物聯(lián)合預處理,明顯提高了微生物反應的效率,顯著降低了酶解發(fā)酵時間,減少了糖分損失。但是,該技術還不夠成熟,目前處于實驗室階段不能規(guī)?；瘧谩０l(fā)現(xiàn)更多可用于降解的微生物并與化學/物理法相結合可能是今后研究的方向。

3.4 綠色溶劑預處理

研究表明,N-甲基氧化嗎啉(NMO)作為一種工業(yè)纖維素溶劑,可以處理高結晶度的木質纖維素[42]。在高濃度NMO下,不僅纖維素鏈彼此間的氫鍵被全部破壞,而且纖維素鏈彼此間的范德華力也被削弱,此時纖維素結晶度顯著降低。而且,NMO還可以通過生物降解得以回收,綠色環(huán)保,并且處理條件溫和,效率較高,是一種具有一定潛力和應用價值的新型預處理技術。

Lee等[43]的研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)的預處理工藝相比,使用NMO預處理的再生纖維素在第1 h反應中的糖化率有顯著提高(約2.7～4.6倍),72 h后再生纖維素的糖化率為87%～96%,而未處理的纖維素糖化率僅為23%左右。Yin等[44]采用再循環(huán)離子液體(IL)、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽([Emim]Ac)預處理木粕,通過酶糖化促進葡萄糖的釋放,而不溶解纖維素和木質素。結果表明,預處理顯著降低了纖維素的結晶度,從50.9%降至28.4%～37.1%,酶解糖化后的葡萄糖得率是未處理的3～16倍。Uju等[45]使用Avicel和Bagasse在80 ℃或100 ℃下研究了1-hexylpyridinium chloride([Hpy][Cl])預處理纖維素原料的潛力。結果表明,經過預處理的甘蔗渣葡萄糖轉化率達95%以上,是未經過預處理的1～3倍。預處理主要是通過改變纖維素的結晶結構或部分降解來提高酶糖化中的初始反應速率,從而提高葡萄糖得率。

綠色溶劑預處理,顯著降低了纖維素的結晶度,反應條件溫和、效率較高、綠色環(huán)保。但是,該技術規(guī)?；糯蠛彤a業(yè)化生產的效率和成本尚不明確,無法大量應用。發(fā)現(xiàn)更多新型綠色的預處理溶劑和擴大規(guī)?；a可能是今后研究者所要解決的問題。

3.5 電化學預處理

電化學是研究兩類導體形成的帶電界面現(xiàn)象及其所發(fā)生的變化的科學。在制漿工藝中,采用電化學處理方法進行漂白,能較好維持紙張的機械強度,因為纖維素和半纖維素得以保留,而木質素被明顯降解[46]。此工藝反應條件平和,無需加化學藥品,可大范圍運用,是一種綠色無污染的預處理工藝。

Soloman等[46]發(fā)現(xiàn),漂白紙漿的得率、木質素和聚合度隨著堿負荷從2%增加到6%而降低,在368 K條件下,隨著堿用量的增加,紙漿的強度和白度增加,而在383 K條件下,4%的堿可獲得最佳強度。

崔曉敏等[47]，Cui等[48]為了開發(fā)一種經濟有效、環(huán)境友好的木質素降解技術,提出了電化學氧化(ECO)與生物降解(BD)相結合的協(xié)同降解木質素技術。結果表明,經ECO處理后,木質素的生物降解性由0.20～0.25提高到0.31～0.37。因此,降低了后續(xù)的生物降解時間。

電化學預處理,可以破壞木質素的難降解鍵合結構,生成可降解的中間體。是一種經濟有效、環(huán)境友好的木質素降解方法。但是,該技術還不夠成熟,目前處于實驗室階段。建立健全可用于產業(yè)化生產的電化學預處理技術可能是該技術今后研究的重點。

3.6 低溫預處理

多數(shù)木質纖維素預處理在常溫或高溫環(huán)境下反應,而文獻[49-52]報道,在低溫下使用NaoH/尿素混合溶液處理木質纖維素,相比中高溫條件可進一步促進纖維素降解效率。因低溫(<15 ℃)毀壞了NaOH溶液中的木質纖維素結晶度,使木質纖維素的顆粒疏松度顯著增加。同時利用液體凝固時體積膨脹,使酶可及內表面積增大,進一步損壞了纖維素的內部結構,提高轉化率。因低溫預處理所需的環(huán)境比較獨特,所以在冬天或寒冷地帶,可直接在戶外進行,不消耗其他能源,環(huán)保無污染,具有很大潛力。

Zhao等[49]研究發(fā)現(xiàn),用7% NaOH和12%尿素溶液在低溫(-15 ℃)下處理云杉,獲得葡萄糖產率高達70%,但在23 ℃和60 ℃的溫度下,其他條件不變時,僅獲得20%和24%的葡萄糖產率。李明飛等[50]在20 ℃乙醇溶液中對竹子進行超聲處理,然后用7% NaOH和12%尿素溶液在12 ℃溶出樣品,再用Dioxane,乙醇 和 Dimethyl sulfoxide(DMSO)連續(xù)萃取,所得的纖維素含量在75.1%～77.7%之間。經處理樣品的化學結構和形態(tài)的變化表明,低溫下氫氧化鈉/尿素預處理有效地破壞了竹子的頑固性,產生了高活性的纖維素材料,用于酶水解生成生物乙醇。Chang等[51]研究了冷凍預處理對木質纖維素酶促轉化的影響。結果表明,冷凍預處理能顯著提高稻草的酶消化率,從48%提高到84%,未經預處理的稻草經150 U纖維素酶和100 U木聚糖酶酶解48 h后,得到的還原糖分別為226.77、93.84 g/kg。而相同條件下冷凍預處理的還原糖產量分別為417.27、138.77 g/kg。此外,水解產物分析表明,經預處理后,本研究酶解步驟中獲得的最高葡萄糖產量為371.91 g/kg干稻草。Cabrera等[52]采用堿和堿性過氧化物在低溫下預處理木質纖維素。研究發(fā)現(xiàn),使用堿性過氧化物(4%,24 h)和堿(1%,48 h)處理稻殼和秸稈,得到水解還原糖的最大轉化率分別為77.5%和92.6%。而對于預處理得到的殘留物,將酶用量減少到原來的一半,就可以獲得超過94%的還原糖。

低溫預處理,促進了纖維素的降解效率,增大了可及內表面積,環(huán)保無污染。但是,該技術尚不成熟,還處于實驗室階段,不能規(guī)模化生產。

3.7 等離子體預處理

等離子體預處理主要利用電能的作用形成高活性的離子化氣體來破壞木質纖維素的復雜結構。根據介質性質的不同,可分成空氣(氮氣)、臭氧和氬等離子體預處理法。與其他處理工藝相比,該方法操作簡單、綠色環(huán)保無污染,并且還可以提高后續(xù)酶處理效率。

Bundaleska等[53]研究發(fā)現(xiàn),對甘蔗渣樣品進行標準大氣壓、2.45 GHz的空氣等離子體方法處理后,多種木質纖維素被有效降解。通過球磨和NTAP結合的大氣等離子體處理,可以大規(guī)模解開非結晶結構的纖維,葡萄糖產量達到58%,這將是從非食用纖維中獲取葡萄糖的一種新型生產途徑[54]。Travaini等[55]通過臭氧等離子體使松木刨花達到60%以上的消化率。利用臭氧分解預處理玉米秸稈,結果在自由水與結合水比例3/5條件下,3/4的木質纖維素被降解,葡萄糖產量從不到1/5增加到4/5[56]。對小麥秸稈的木質素結構采用臭氧化處理,結果表明在秸稈微粒小于60目,水分比例90%下處理2 h,可以得到最大氧化量的木質纖維素,糖回收率達1/2以上[57]。采用大氣氬射頻微等離子體射流法,將甘蔗渣木質素樣品處理4 h后,嚴重破壞了木質素結構中的C=O鍵和C=C鍵,木質素降解效率明顯增加[58]。

4 結論與展望

近年來,有關纖維素生物質能源的研究得到了學者的高度重視和廣泛關注,并進行了系列利用開發(fā)。由于木質纖維素資源的結構緊密、組成復雜,導致其全面轉化利用也變得相當復雜,而預處理方法直接影響著木質纖維素的降解率。傳統(tǒng)的木質纖維素預處理技術,方法單一、效率低、成本昂貴、且不環(huán)保,無法應用于規(guī)?；a。而新型的預處理技術條件溫和、能耗低,綠色環(huán)保,不僅降低了使用成本,而且擴大了應用范圍。然而目前大部分新型預處理技術還不成熟,多處在實驗室階段,無法大量應用于產業(yè)化生產。新型預處理工藝在定量擴大后的處理效率和成本費用都尚不明確,是否能實現(xiàn)高效與低成本的平衡有待進一步評價。

未來研究要基于不同的原料特點,集中在新型預處理工藝的開發(fā)及其規(guī)?；蟮南到y(tǒng)評價上。另外,還需進一步增強對木質纖維素化學組成成分以及酶解的底物抗性特征等理論體系的研究,針對性地剖析影響木質纖維素降解的反應機理,為繼續(xù)探尋新穎木質纖維素預處理技術提供信息支撐。只有理論與實踐相結合,才能更好地推進低品位木質纖維素生物精煉的產業(yè)化進程。