1.3　木質纖維原料的預處理技術

木質纖維素細胞壁多層次的超分子結構以及細胞壁中半纖維素和木質素對纖維素的包裹構成了生物質的“天然抗降解屏障”，并且纖維素高度規則的結晶結構也進一步妨礙了纖維素的降解。因此，木質纖維生物質的利用需要有效的預處理技術將其致密的結構解離。預處理指溶解和分離生物質主要成分纖維素、半纖維素和木質素中的一種或幾種物質，使剩余的固體物質更易被化學或生物方法降解的過程，增加化學或生物試劑對纖維素的可及性。通過預處理，可以脫除木質素對纖維素的保護作用，降低纖維素的結晶度，增加纖維原料的多孔性和化學或生物試劑與底物的接觸面積，從而提高后續的酶糖化效率。一般來說，木質纖維原料未經預處理時酶糖化效率不到20%，經預處理后可達到80%左右[18，19]。主要的預處理方法包括物理法（如粉碎、球磨及研磨等）、化學法（如酸處理、堿處理、氧化處理及有機溶液處理等）、生物法以及以上幾種預處理方法的結合。預處理示意圖見圖1.1。

1.3.1　物理法

物理法[21，22]包括機械碾磨和輻射。機械碾磨可以破壞木質纖維生物質緊密的細胞壁結構，減小生物質顆粒大小，改變其內部的超微結構，降低結晶度，從而提高纖維素的糖化效率。這種方法是通過人工或者機器破壞纖維素的晶體結構，使纖維素和半纖維素的顆粒變小，增加這兩種高聚糖與酶的接觸面積。物料經過粉碎后，結晶度下降，聚合度減小，物料的溶解性能迅速增加；當粒徑在10～30μm之間時，酶解效率將達到80%。經過機械粉碎的物料體積小，無膨脹性，其物理化學性質發生變化的概率最低，能夠得到高濃度的糖化液，但這種方法消耗較多的人力。輻射包括微波和超聲波，其中，微波指300MHz～300GHz范圍的電磁波，微波輻射法的原理是通過微波輻射使木質纖維原料內部的分子碰撞產生熱量，使得纖維素、半纖維素和木質素的軟化溫度達到一致，從而降低纖維素結晶度并提高纖維素的溶解度。微波輻射法的優點是反應的時間較短并且操作非常容易，但該方法必須保持溫度在160℃以上，但又不能高于220℃，否則物料將發生分解，影響預處理效果。

物理方法除了上述的機械粉碎和微波輻射法，還有電子射線、潤濕法和熱水預處理、冷凍處理等。物理方法可以破壞木質纖維原料結構、增大比表面積、降低纖維素結晶度，但是對設備有較高要求，作用不明顯，成本較高，難以實現大規模工業化生產[23，24]。

1.3.2　化學法

化學法預處理主要是利用酸、堿或有機溶劑對木質纖維原料進行處理，除去半纖維素和木質素，破壞纖維素的結晶結構，以及增加纖維素的孔隙度和比表面積。酸處理主要是通過濃酸或稀酸溶解生物質中的半纖維素，尤其是木聚糖來實現破壞其細胞壁的方法。濃酸對設備腐蝕性強，操作和維護成本高，且回收困難，易造成環境污染，同時由于其反應強烈，導致產生的單糖進一步降解，不利于后續的發酵利用，因此濃酸預處理基本上已不被采用。稀酸處理被認為是去除半纖維素較成熟又有效的方法，通常是采用較低濃度的無機酸（H2SO4、HCl和HNO3），在一定時間范圍內，當溫度低于160℃時，半纖維素可被降解為單糖，且單糖不被進一步降解；當溫度高于160℃時，纖維素也將被降解，同時產生較多的單糖降解物和木質素降解物[25]。雖然稀酸預處理技術已取得許多令人鼓舞的結果，但稀酸處理容易造成單糖的進一步降解，生成糠醛、羥甲基糠醛、甲酸、乙酸以及乙酰丙酸等對纖維素酶和發酵菌有抑制作用的物質，并且高溫或酸濃度較高的處理條件會引起木質素的縮合，這些縮合的木質素附著于纖維素表面不僅降低了纖維素的可及度，還會造成木質素對酶的不可逆吸附，進而增加纖維素酶的用量[26]。因此，采用稀酸處理木質纖維生物質時，控制操作條件非常重要。此外，稀酸預處理依然存在著設備腐蝕以及稀酸回收等問題。

堿處理是采用堿溶液[NaOH、KOH、Ca（OH）2和氨水]處理生物質，通過堿的作用削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵，皂化半纖維素和木質素之間的酯鍵，將木質素與碳水化合物分離，并打破木質素之間的酯鍵和醚鍵連接的預處理方法。在相同條件下，與其他預處理方法相比，堿處理去除木質素的效果更好，且更容易斷裂木質素、纖維素和半纖維之間的酯鍵連接[27，28]。此外，堿處理不僅具有較強的脫木質素能力，還能降低纖維素的結晶度，并能將原料潤脹，增加原料多孔性和內部比表面積。由于Ca（OH）2價格便宜，在堿性預處理過程中應用較多，通常將Ca（OH）2與水混合成漿后噴灑在物料表面，一般在室溫下需要幾小時至幾星期的處理時間，升高溫度能夠縮短處理時間。與其他堿法預處理相比，Ca（OH）2處理優點在于成本低，使用安全，且Ca（OH）2能夠通過與CO2形成CaCO3沉淀，再煅燒CaCO3進行回收[29]。堿處理后的生物質需要耗費大量的水進行洗滌，以利于纖維素酶解，并且堿處理液會造成環境污染，需要采取合適的措施降低污染。

有機溶劑處理是采用多種有機溶劑（乙醇、甲醇、丙酮、有機酸、過氧有機酸和乙二醇等），在高溫條件下，添加或不添加催化劑的條件下，單獨或聯合處理生物質的過程。生物質經過有機溶劑處理后，大部分的木質素和半纖維素被去除，纖維素幾乎被全部保留。與其他化學處理相比，有機溶劑處理具有溶劑易于回收、環境污染小、回收的木質素品質高等優點；回收的高品質木質素可進一步用于生產抗氧化劑、分散劑、聚氨酯材料及環氧樹脂等高附加值產品。但有機溶劑成本及回收成本均高，并且有機溶劑處理需要在完全密封的裝置中進行[30]。

1.3.3　生物法

生物法預處理是利用微生物或微生物產生的酶來分解木質纖維原料中的木質素和半纖維素，增加木質纖維原料對酶的可及性。微生物主要包括褐腐菌、白腐菌和軟腐菌；酶主要是指白腐菌分解植物纖維原料中的木質素時產生的漆酶、木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶[31]。盡管白腐菌具有較強的分解木質素能力，但其除分解木質素外，還產生分解纖維素和半纖維素的纖維素酶、半纖維素酶，造成纖維素和半纖維素的部分損失。Taniguchi[32]采用白腐菌（pleurotus ostreatus）處理稻稈60d，發現與未處理稻稈相比較，樣品中酸不溶木質素和綜纖維素減少了41%和65%；經白腐菌處理的稻稈中52%的綜纖維素可被酶水解，而未處理稻稈中僅有33%的綜纖維素發生了酶降解。生物法具有作用條件溫和、專一性強、環境污染小、處理成本低等優點，但也存在木質素降解微生物種類少，木質素分解酶類的酶活低，處理時間長等技術問題，這些都需要進一步研究，才能拓展生物法預處理的實際應用空間。

1.3.4　聯合法

聯合法預處理主要是采用物理和化學相結合的方法，包括高溫液態水預處理、蒸汽爆破預處理、氨纖維爆破預處理、CO2爆破預處理和濕氧化預處理。高溫液態水預處理是在高壓水飽和蒸氣壓下，使水在160～240℃范圍內保持液體狀態，水自發電離出來的水合氫離子可作為催化劑，參與生物質的降解反應。生物質經過高溫液態水處理后，幾乎全部的半纖維素和部分木質素被去除，纖維素幾乎被全部保留，但整個過程耗水量大，能量消耗大，不利于工業化生產。蒸汽爆破預處理是目前認為最有潛力的預處理方式，主要是用加壓蒸汽處理生物質數秒至數分鐘后突然卸壓，使滲入到生物質內部的水分瞬間變為蒸汽，破壞生物質結構，降解半纖維素和木質素，分離出纖維素，處理效果與溫度、處理時間和物料顆粒大小等因素相關。蒸汽爆破處理生物質可比較完整地回收生物質的各種組分，具有更好的節能前景，并且成本投入低；其缺點在于半纖維素的降解物會對后續酶解和發酵產生不利影響[33]。為了使蒸汽爆破的效果更好，在較溫和條件下（通常是常溫）把生物質置于酸液、堿液或有機溶劑中浸泡一段時間后，再進行蒸汽爆破，其效果要明顯好于單純的水蒸氣爆破，如今各國研究者熱衷于氨纖維爆破處理和CO2爆破處理[34]。濕氧化預處理是在一定時間內，溫度高于120℃的條件下，以氧氣或空氣作為加壓氣體，對浸沒在水中的生物質進行處理的過程。濕氧化對某些生物質的處理效率很高，可以破壞纖維素的結晶結構，且在濕氧處理條件下，脂肪族醛和飽和C—C鍵的反應很強烈，糖類降解產物會進一步分解生成CO2、糠醛和5-羥甲基糠醛等，但其濃度很低，不會對后續發酵造成不利影響[35]。木質素會被分解成CO2、H2O和一些簡單的有機氧化物，主要是小分子量的羧酸；但是氧氣的成本高，不利于工業化生產。

如何提高預處理的效率和降低預處理成本已成為木質纖維生物制備糖平臺化合物研究的核心目標。預處理技術的研究應結合原料的結構特點和組分性質，聯合使用不同預處理方法，盡可能采用成本低、處理效果好、環境污染少、對后續工藝無毒等特點的多元化集成預處理技術；同時，通過科學技術創新來尋求新型的預處理技術，完善和開發更加高效、無污染且成本低的預處理技術，將是今后生物質預處理技術的發展趨勢。