曹運(yùn)齊，解先利，郭振強(qiáng)，王嚴(yán)嚴(yán)，劉云云，吳藹民，趙于

（1陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710021；2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東廣州510642）

由于化石資源的短缺及其使用過(guò)程引起的環(huán)境問(wèn)題，使得綠色生物能源得到越來(lái)越多的關(guān)注。木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)由于量大、可再生被認(rèn)為是一種很有前景的低成本能源資源，以其轉(zhuǎn)化燃料乙醇可以減少人類對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的依賴[1-3]。通常，木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)主要由纖維素（45%～50%）、半纖維素（10%～30%）和木質(zhì)素（20%～30%）以及少量提取物組成。纖維素和半纖維素是多聚糖，而木質(zhì)素是由苯丙烷異構(gòu)組成的交聯(lián)三維聚合物，與纖維素和半纖維素緊密結(jié)合。這些組分相互作用并通過(guò)化學(xué)鍵鍵合。酶水解是纖維乙醇轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)[4]。木質(zhì)纖維原料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征使其對(duì)微生物降解過(guò)程具有天然抗性，所以，酶水解前需要對(duì)原料進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理以克服這種頑抗性。預(yù)處理是木質(zhì)纖維原料高效轉(zhuǎn)化過(guò)程不可或缺的一部分，預(yù)處理的主要目的是通過(guò)破壞纖維素聚合結(jié)構(gòu)，降低其結(jié)晶度，增加纖維素的孔隙率和比表面積以促進(jìn)酶與底物的有效接觸，從而提高可發(fā)酵糖產(chǎn)率[5]。

目前，木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理過(guò)程已開(kāi)發(fā)了多種方法，其大致可以分為四類：物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)綜合法和生物法。每種預(yù)處理技術(shù)都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，后期發(fā)展的聯(lián)合預(yù)處理方法不僅可以增強(qiáng)酶對(duì)纖維素的可及性，而且還有助于回收相關(guān)的木質(zhì)素和半纖維素成分以將其轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的產(chǎn)品[4-5]。本文在常用預(yù)處理技術(shù)分析基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了微波輔助離子液體、兩階段深度共熔溶劑（DES）和氯化鐵（FeCl3）這3種相對(duì)高效的預(yù)處理技術(shù)，并對(duì)預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展方向作了簡(jiǎn)要展望。

1 木質(zhì)纖維素常用預(yù)處理技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)

木質(zhì)纖維素化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，是其抗微生物和酶攻擊的天然屏障，可直接高效地降解天然植物體的微生物幾乎是不存在的，因此，必須要對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)其高效的轉(zhuǎn)化，提高后續(xù)酶解效率[6]。目前常用的預(yù)處理技術(shù)主要有機(jī)械粉碎、稀酸預(yù)處理、堿預(yù)處理和水熱法等，其作用機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 木質(zhì)纖維素常用預(yù)處理技術(shù)[6]

對(duì)比表1可知，在常用的預(yù)處理技術(shù)中，機(jī)械粉碎、稀酸及堿法預(yù)處理存在能耗多、成本高和不同程度的環(huán)境污染等問(wèn)題。生物預(yù)處理雖然具有能耗低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，效率低、酶和微生物成本較高，難以達(dá)到工業(yè)化要求。蒸汽爆破法相比其他預(yù)處理技術(shù)具有處理時(shí)間短、化學(xué)藥劑用量少、無(wú)污染和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生抑制物。因此，尋找高效經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理技術(shù)對(duì)纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義[6-7]。

2 高效預(yù)處理技術(shù)

理想的預(yù)處理技術(shù)應(yīng)滿足以下條件[6]：①有效分離纖維素、半纖維素和纖維素；②避免生成對(duì)后續(xù)酶解發(fā)酵有害的抑制物；③避免糖類的降解和損失；④預(yù)處理過(guò)程所用的化學(xué)品應(yīng)盡量環(huán)保，無(wú)腐蝕性，不產(chǎn)生有害物質(zhì)；⑤減少纖維素酶量，兼顧下游工藝，盡可能降低能耗和成本。目前，聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)因能夠高效促進(jìn)酶解效果，得到了廣泛研究，在此基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)討論了3種較為高效的預(yù)處理技術(shù)。

2.1 微波輔助離子液體預(yù)處理

離子液體具有化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和不可燃性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在常溫下以液體狀態(tài)存在，被稱為綠色溶劑[7-8]。離子液體是由有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)陰離子組成的，能夠在相對(duì)較低溫度下實(shí)現(xiàn)對(duì)生物質(zhì)原料的降解過(guò)程。木質(zhì)纖維素中纖維素的有序結(jié)構(gòu)及其分子內(nèi)、分子間的氫鍵作用，使得纖維素很難被酶降解，而離子液體中陰陽(yáng)離子與纖維素羥基的相互作用可顯著提高其溶解纖維素的能力[9]。由于離子液體的獨(dú)特屬性，其在生物質(zhì)尤其是纖維素含量較高的生物質(zhì)原料（如柳枝稷、棉纖維和甘蔗渣等）預(yù)處理過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用[8]。Li 等[10]對(duì)柳枝稷的稀酸和離子液體預(yù)處理過(guò)程進(jìn)行了比較研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子液體[C2MIM][OAc]預(yù)處理后，柳枝稷的酶解效率顯著提高。然而，常規(guī)的咪唑陽(yáng)離子成本高、黏度大，對(duì)纖維素酶和微生物都有毒性作用，同時(shí)咪唑陽(yáng)離子不可降解，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[11-12]。Parthasarathi 等[13]發(fā)現(xiàn)了一種新型的水性離子液體四丁基氫氧化銨（[TBA][OH]），其具有經(jīng)濟(jì)和生物毒性方面的優(yōu)勢(shì)，用其處理柳枝稷并在溫和條件下表現(xiàn)出高的酶解效率。

另一方面，高溫環(huán)境有利于促進(jìn)預(yù)處理過(guò)程。與傳統(tǒng)加熱方式（水浴加熱）相比，微波加熱具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括減少反應(yīng)時(shí)間、熱量分布均勻和節(jié)約能源等[14]。此外，微波依靠每秒上萬(wàn)次的微波場(chǎng)深入到原料內(nèi)部，使物料內(nèi)部升溫而發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，其預(yù)處理的原理是在高溫下的酸催化自水解反應(yīng)，具有高效、易操作、無(wú)污染等特點(diǎn)。因此，將微波與離子液體聯(lián)合后的新預(yù)處理策略被認(rèn)為能夠高效地促進(jìn)木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化[11]。

Ha 等[15]采用微波輔助離子液體（[EMIM][OAc]和[BMIM][Cl]）預(yù)處理棉桿纖維素，發(fā)現(xiàn)微波不僅提高了纖維素的溶解度，而且還顯著降低了再生纖維素的聚合度。Hou等[11]首次利用微波輔助離子液體[TBA][OH]預(yù)處理桉樹(shù)原料，酶解48h 后獲得41.1%的最佳糖產(chǎn)率。此外，Hou 等[11]對(duì)比了水浴和微波輔助離子液體[TBA][OH]預(yù)處理桉樹(shù)的酶解效果，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，水浴輔助得到的最佳糖產(chǎn)率為34.5%，明顯低于微波輔助預(yù)處理后的效果。

微波輔助離子液體預(yù)處理作為一種新型綠色、相對(duì)便宜和高效的預(yù)處理技術(shù)，在生物煉制領(lǐng)域具有巨大的潛力。但是，微波加熱的高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致離子液體的分解和底物部分碳化，從而減弱預(yù)處理的效果。微波功率的增加有利于增強(qiáng)酶解效率，而功率過(guò)大會(huì)影響酶和微生物的活性[16]。因此，微波功率對(duì)不同預(yù)處理過(guò)程的影響需做進(jìn)一步研究。

2.2 兩階段深度共熔溶劑（DES）預(yù)處理

離子液體具有破壞纖維素晶體結(jié)構(gòu)、去除半纖維素或木質(zhì)素的優(yōu)異能力，其預(yù)處理生物質(zhì)的最大優(yōu)勢(shì)在于各組成成分幾乎不被降解即被完整分離，而它的缺點(diǎn)在于離子液體本身具有毒性，生物降解性差和成本高，且不利于后續(xù)酶解和發(fā)酵[17-19]。深度共熔溶劑（DES）是一種新發(fā)現(xiàn)的綠色離子液體的有效替代品，它是由一定物質(zhì)的量比的氫鍵受體（如季銨鹽、季磷鹽）和氫鍵供體（如羧酸、多元醇）組成的二或三組分低溫共熔混合物[20]。DES是兩種成分的特殊混合物：氫鍵供體（HBD）和氫鍵受體（HBA），由于HBD 和HBA 之間的強(qiáng)氫鍵作用，使DES的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于其組分的熔點(diǎn)，DES具有易于制備、成本低、毒性低、生物降解性高等優(yōu)點(diǎn)[17,20]。

研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)DES 特別是酸性DES[如氯化膽堿（ChCl）/乳酸等]對(duì)木質(zhì)纖維素中纖維素和半纖維素組分的溶解能力較差，但卻具有優(yōu)異的木質(zhì)素提取能力，可有效移除木質(zhì)纖維素中的木質(zhì)素，進(jìn)而破壞木質(zhì)素和半纖維素之間的鍵連方式，使纖維素更好地暴露出來(lái)，增強(qiáng)木質(zhì)纖維素原料酶解效果[21-22]。通常，含有機(jī)酸的DES，例如ChCl/乳酸[23]和ChCl/甲酸[24]，在用于玉米芯、稻草和木材的預(yù)處理時(shí)表現(xiàn)良好，而其他DES，如弱堿性ChCl/尿素（CU）和中性ChCl/甘油預(yù)處理，其多糖產(chǎn)率和酶解效率都較低[25-26]。

采用單一的DES 預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料雖然在一定程度上會(huì)提高糖產(chǎn)率，改善酶解效果。然而，具有高效預(yù)處理能力的DES 種類是有限的，因此限制了DES 的應(yīng)用。Hou 等[27]選擇了3 種典型的DES：弱堿性ChCl/尿素（CU），蘋(píng)果酸/脯氨酸（MP）和ChCl/草酸（CO），研究評(píng)估了它們?nèi)芙饽举|(zhì)纖維素底物主要組分的能力，結(jié)果見(jiàn)表2。CU對(duì)3種組分均表現(xiàn)出較高的溶解性能，這是因?yàn)閾饺肽蛩氐腄ES 體系能夠高效打破各組分之間的結(jié)合鍵而不會(huì)進(jìn)一步降解底物，MP 對(duì)3 種組分的溶解性能相對(duì)較低，而具有強(qiáng)酸性的CO 不僅會(huì)優(yōu)先溶解半纖維素，還可將其水解成木糖，甚至將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為糠醛[27]。此外，纖維素在CO 中的溶解會(huì)最終導(dǎo)致葡萄糖和糠醛的形成，糠醛在一定程度上會(huì)影響后續(xù)的酶解過(guò)程[26,28]。

在此基礎(chǔ)上，Hou 等[27]選用上述3 種DES 分別研究了單一DES 預(yù)處理和兩階段DES 預(yù)處理對(duì)稻草秸稈組分及其后續(xù)酶解過(guò)程的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。稻草秸稈用一種DES（如MP或CU）預(yù)處理12h后木質(zhì)素含量有輕微降低，在隨后的酶解中葡萄糖和木糖的產(chǎn)率有顯著增加。而CU 預(yù)處理后所得底物中纖維素和半纖維素含量小于MP預(yù)處理樣品中的含量，這表明CU 具有更強(qiáng)的底物解構(gòu)能力。當(dāng)?shù)静萁斩捰脙煞NDES 分兩階段協(xié)同預(yù)處理時(shí)，與單一CU或MP預(yù)處理相比，其預(yù)處理效率明顯改善。例如，MP-CU 預(yù)處理后底物中木質(zhì)素含量顯著降至10.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），纖維素含量增至54.6%。除此之外，兩階段DES 預(yù)處理中兩種DES的處理順序也會(huì)影響酶解效果。例如，MP-CU 協(xié)同預(yù)處理的效率（纖維素54.6%，木質(zhì)素10.8%）比CU-MP 預(yù)處理的效率（纖維素49.8%，木質(zhì)素14.3%）要高。在酶解方面，MP-CU預(yù)處理的稻草秸稈酶解后葡萄糖產(chǎn)率為52.6%，高于CU-MP 預(yù)處理（葡萄糖產(chǎn)率為47.7%），這歸因于前者底物中較低的木質(zhì)素含量（10.8%）和半纖維素含量（18.1%）[25,27,29]。

表2 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在3種典型DES中溶解度[27]

表3 單一DES和兩階段DES預(yù)處理稻草秸稈對(duì)其組成及酶解的影響[27]

在CO-CU 兩階段預(yù)處理過(guò)程中，大量的半纖維素去除和較少的纖維素?fù)p失顯著提高了多糖消化率和葡萄糖產(chǎn)率（89.8%），產(chǎn)糖率高于單一CO 預(yù)處理效果（72.9%）。

兩階段DES 相比傳統(tǒng)預(yù)處理技術(shù)具有更高的處理效果，可有效改善后續(xù)的酶解過(guò)程，從而提高葡萄糖產(chǎn)率。采用兩階段DES 預(yù)處理可以打破一些具有預(yù)處理缺陷的DES 的應(yīng)用限制，提高DES的利用率。然而，底物中DES 的殘留可能會(huì)對(duì)后續(xù)纖維素酶和微生物產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而降低糖產(chǎn)率和隨后的發(fā)酵效率[30-31]。預(yù)處理后底物洗劑雖然在一定程度上可緩解這種不足，但洗滌步驟耗時(shí)且有大量廢水生成，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題[32]。因此，高效的兩階段DES預(yù)處理過(guò)程還需要做進(jìn)一步的研究。

2.3 FeCl3預(yù)處理

FeCl3具有來(lái)源廣、低成本和無(wú)毒性等優(yōu)良特性，可參與木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預(yù)處理過(guò)程來(lái)提高預(yù)處理和酶解效率[33]。FeCl3預(yù)處理技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)[34]：①可降解底物中的半纖維素，打斷部分木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體中木質(zhì)素和聚糖之間的連接，提高纖維素在后續(xù)酶解中對(duì)纖維素酶的可及性；②FeCl3溶液可回收利用，從而可減少環(huán)境污染問(wèn)題。Liu 等[35]在160℃下用FeCl3預(yù)處理玉米秸稈20min 后，玉米秸稈的酶解效率從22.8%提高至98.0%。Chen等[36]也研究比較了用FeCl3和稀酸預(yù)處理稻草秸稈后的葡萄糖產(chǎn)率，前者的葡萄糖產(chǎn)率約為后者的兩倍。

Zhang等[37]在不同預(yù)處理溫度（130～170℃）和時(shí)間（0～40min）下用FeCl3預(yù)處理甘蔗渣，研究了其對(duì)甘蔗渣化學(xué)組分及隨后酶解的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。隨著預(yù)處理溫度或時(shí)間的增加，固體回收率降低，這是由于半纖維素和/或纖維素的降解所致。在FeCl3預(yù)處理過(guò)程中，來(lái)自Fe3+的水合氫離子通過(guò)選擇性水解糖苷鍵形成乙酸和糖醛酸，導(dǎo)致半纖維素解聚[38-39]。由于半纖維素的降解，固體組分中木聚糖含量下降，在170℃基本全部降解，因此在合理溫度下FeCl3預(yù)處理可完全降解半纖維素。對(duì)于底物中的葡聚糖，隨著預(yù)處理溫度和時(shí)間增加，葡聚糖含量呈先增加后減少趨勢(shì)，由于半纖維素的無(wú)定形結(jié)構(gòu)，半纖維素比纖維素更易降解。因此，選擇最佳的反應(yīng)溫度和時(shí)間，使得半纖維素降解同時(shí)最大程度保留纖維素，可促進(jìn)后續(xù)的酶解，提高葡萄糖產(chǎn)率[40]。

表4 FeCl3預(yù)處理?xiàng)l件及預(yù)處理甘蔗渣組分含量[37]

除了用FeCl3進(jìn)行預(yù)處理外，研究者們還評(píng)估了FeCl3和其他化學(xué)物質(zhì)聯(lián)合預(yù)處理效果。Zhang等[37]提出了FeCl3和離子液體聯(lián)合預(yù)處理玉米秸稈，在130℃預(yù)處理玉米秸稈30min 得到葡萄糖產(chǎn)率為81.9%，明顯高于只用FeCl3預(yù)處理的葡萄糖得率（28.7%）。Gao 等[38]利用FeCl3和H2O2組合預(yù)處理水葫蘆30min，總糖產(chǎn)率增加126.5%。由此可見(jiàn)，在FeCl3預(yù)處理的基礎(chǔ)上，加入一些其他化學(xué)物質(zhì)與其聯(lián)合預(yù)處理木質(zhì)纖維素可進(jìn)一步增強(qiáng)預(yù)處理效果，提高后續(xù)酶解效率。

FeCl3預(yù)處理能有效地破壞木質(zhì)素與碳水化合物間的醚鍵和部分酯鍵，脫除木質(zhì)纖維素原料中的半纖維素（高達(dá)95%）成分，而對(duì)原料中的木質(zhì)素、纖維素影響較少。因此，針對(duì)秸稈類木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（如玉米秸稈、稻稈等），F(xiàn)eCl3預(yù)處理相比一般預(yù)處理方法具有更好的效果[37,41]。而且，由于該預(yù)處理技術(shù)對(duì)脫木質(zhì)素幾乎沒(méi)有影響，因此還可以生產(chǎn)多種木質(zhì)素化學(xué)品，如燃料分散劑、采油用表面活性劑、橡膠補(bǔ)水劑及樹(shù)脂膠黏劑等[6]。

微波輔助離子液體預(yù)處理作為一種在離子液體預(yù)處理基礎(chǔ)上發(fā)展的綠色聯(lián)合技術(shù)，具有酶解糖化效率高、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，但微波加熱的高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致離子液體的分解和底物部分碳化，從而減弱預(yù)處理的效果。因此，針對(duì)不同的預(yù)處理材料選定合適的微波功率將是今后需進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。兩階段DES 預(yù)處理在改善酶解效率的同時(shí)還可以打破一些具有預(yù)處理缺陷的DES 的應(yīng)用限制，提高DES的利用率。但是，為解決底物DES殘留所帶來(lái)的底物洗滌耗時(shí)和廢水問(wèn)題，需開(kāi)發(fā)可高效應(yīng)用的洗滌劑，提高底物洗滌效率，并盡可能地實(shí)現(xiàn)回收利用。FeCl3預(yù)處理的最大特點(diǎn)是可高效脫除半纖維素（高達(dá)95%）成分，而對(duì)脫木質(zhì)素幾乎沒(méi)有影響，可生產(chǎn)多種木質(zhì)素化學(xué)品。隨著聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展，利用FeCl3和其他化學(xué)物質(zhì)（如離子液體、H2O2等）的協(xié)同作用而開(kāi)發(fā)的聯(lián)合FeCl3預(yù)處理將是下一階段的重點(diǎn)研究方向。

此外，從工業(yè)應(yīng)用角度來(lái)看，離子液體的危險(xiǎn)毒性、生物難降解、價(jià)格高、工業(yè)純度要求高以及合成過(guò)程非綠色阻礙了其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。FeCl3雖然具有來(lái)源廣、低成本和無(wú)毒性的優(yōu)點(diǎn)，但化學(xué)試劑的大量應(yīng)用也會(huì)帶來(lái)工業(yè)環(huán)保與可持續(xù)性問(wèn)題；而且，開(kāi)發(fā)聯(lián)合FeCl3預(yù)處理技術(shù)，需要尋找和研發(fā)一些更加環(huán)保的化學(xué)物質(zhì)，這也進(jìn)一步增加了工業(yè)成本。DES 作為第三代離子液體的一種，具有和離子液體近似的物化性質(zhì)，如低揮發(fā)性、不可燃性、生物相容性和生物可降解性等。相比于離子液體，DES的優(yōu)點(diǎn)在于原料低廉、易于制備、毒性低，近年來(lái)其在電化學(xué)、生物轉(zhuǎn)化、聚合、萃取和納米材料等領(lǐng)域有了新的應(yīng)用。因此，利用DES 的聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)將是預(yù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用最具前景的一個(gè)發(fā)展方向[21,41-43]。

3 結(jié)語(yǔ)

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的天然頑固性是限制其酶解效率的主要因素，要想盡可能地克服這種限制因素，就需要研究開(kāi)發(fā)各種預(yù)處理技術(shù)。高效的預(yù)處理技術(shù)不僅能大大改善木質(zhì)纖維素原料的酶解效果，而且也有利于木質(zhì)素和半纖維素的回收利用。

本文重點(diǎn)討論的微波輔助離子液體、兩階段DES 和FeCl3預(yù)處理技術(shù)，對(duì)木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的酶解過(guò)程均具有促進(jìn)作用，但都有各自的缺點(diǎn)。而相比于常用的單一預(yù)處理技術(shù)，聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)（如微波輔助離子液體、兩階段DES）能更有效地提高酶解糖化率。因此，為實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素原料高效酶水解發(fā)酵過(guò)程，獲得更高的糖醇產(chǎn)率，低成本、環(huán)?？沙掷m(xù)的聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)是未來(lái)研究的重點(diǎn)。