预处理方法提高木质纤维酶解转化率的研究

杨海涛， 夏 青， 姚 兰

(湖北工业大学制浆造纸工程学院， 湖北 武汉 430068)



预处理方法提高木质纤维酶解转化率的研究

杨海涛， 夏 青， 姚 兰

(湖北工业大学制浆造纸工程学院， 湖北 武汉 430068)

木质纤维原料中存在的半纤维素和木素会阻碍纤维素的酶解，从而降低纤维原料的酶解转化率。因此，在纤维素酶解之前，都要经过预处理，以破坏阻碍酶解糖化的生物质内在结构，解除半纤维素和木素对纤维素的保护，提高纤维素酶的可及性，从而提高纤维原料的酶解转化率。介绍了不同的预处理方法对纤维原料酶解转化率的影响，以及预处理工艺的研究现状和发展趋势。

预处理； 木质纤维素； 酶解； 转化率

利用生物质原料，通过酶解发酵生产的一种生物质再生能源，可作为替代化石燃料的第二代生物质能源[1]。农业残留物(如农作物秸秆及甘蔗渣等)有广泛性、可再生性和低成本等特点，为纤维乙醇燃料的研究提供了良好的原料基础。木质纤维素生产生物乙醇可分为四个部分，分别是预处理、酶解、发酵和蒸馏。木质纤维素原料主要含纤维素、半纤维素和木质素三种主要成分，占木质纤维原料的80%～95%。纤维素是支撑植物细胞壁的骨架结构，而半纤维素和木质素则是填充在纤维之间和微细纤维之间的“粘合剂”和“填充剂”[2]。半纤维素和木质素的存在会阻碍纤维素与纤维素酶的接触，从而抑制酶解效果。为了提高同步糖化的得率，必须对原料进行预处理。预处理既可以去除原料中木质素等因可以吸附纤维素酶而使其失活的物质，又可以改变原料的结晶度，使纤维原料更易被纤维素酶降解，提高纤维原料的酶解转化率[3]。本文总结了目前常用的预处理技术对提高纤维原料酶解转化率的研究，分析了各种预处理方法的优劣。

1 酸法预处理

1.1 发展历程及方向

19世纪，法国化学家Braconnot首先提出浓酸可水解纤维素，其原理为在较低温度下，纤维素可溶解于浓硫酸、浓盐酸和浓硝酸中，并使纤维素水解，其水解过程为纤维素→质子化中间体→低聚糖→葡萄糖。但浓酸预处理会腐蚀设备，并且难以回收，因此这种方法运用并不广泛[3]。

水解转化为糖类的同时，有部分糖会被进一步氧化成糠醛和其他副产物，对后续发酵过程产生抑制作用。预处理旨在水解半纤维素，保留纤维素，提高纤维素酶对纤维素的可及性，提高酶解效率[4]。

近年来，对高温、低浓度酸以及稀酸加催化的预处理方法有大量的研究。酸预处理可使半纤维素发生降解。升高温度是在保证预处理效果的前提下，节约了成本；加催化剂(如50%的乙醇等)可有效溶出木素片段，使木素脱除，亦有助于提高后续酶解转化率。 但是，稀酸水解过程中产生的有害副产品，还未能完全解决。因此，未来酸法预处理的研究方向既要增加可发酵性糖的含量，又要避免在酶解的过程中存在抑制酶解的副产物。

1.2 酸法预处理的研究现状

稀酸预处理不仅可使半纤维素降解而溶出，还能破坏纤维素的结晶结构，降低木质素的束缚作用，从而提高纤维素酶对原料中纤维素的可及度，并提高后续酶解转化率[5]。王娜娜等[6]研究以玉米秸秆为原料进行酸预处理，探讨合适的温度、时间和酸浓度条件下能达到最高的糖得率。在固液比为1∶5的条件下，考察反应时间、反应温度和硫酸浓度三因素, 每个因素考察了四个水平，预处理后进行酶解，测酶解液中葡萄糖浓度。结果表明，稀酸预处理玉米秸秆的三个反应条件中, 对反应影响的显著性从大到小依次为硫酸浓度>反应温度>反应时间, 其中硫酸浓度和反应温度是主要的影响因素。最适反应条件为：硫酸浓度2%，反应时间12 h，反应温度90℃。

师静等[7]以巨菌草为原料，研究了稀硫酸的固液比、酸浓度、预处理时间和预处理温度对巨菌草酶解液中还原糖含量的影响。经研究表明，稀酸能有效降解巨菌草中的半纤维素，随着酸浓度的增加，酶解液中糖含量有较明显上升，但是，稀酸对木质素的影响较小，说明稀酸并不能有效降解木质素。此外，通过试验得出稀酸预处理巨菌草的最适条件为：酸浓度2%、固液比1∶20，预处理时间60 min，预处理温度100℃。

若要有效地破坏木质素的结构，往往需要较高的温度(160～220℃)，这就对设备有较高的要求，而且能耗也较高，此外产生的抑制物也会明显增加。为了在中低温度下进行预处理达到较高的酶解转化率，可通过加入催化剂。元英进等[8]以稻草秸秆为原料，研究了乙醇的加入对不同浓度的硫酸预处理酶解糖化效率的影响。葡聚糖受酸浓度和乙醇的影响很小，而木聚糖随着酸浓度的升高有明显降低，并且乙醇的加入使木质素随着酸浓度的升高而显著降低，说明木质素需要通过酸催化使化学键断裂，而乙醇可有效的溶解木质素片段。经研究，预处理稻草秸秆的最适条件为：硫酸浓度2%，乙醇浓度50%，反应时间 60 min，反应温度120℃。此条件下，后续酶解的转化率可达到71.5%。

2 碱法预处理

2.1 发展历程及方向

碱法预处理主要是NaOH预处理和氨水预处理。该方法的原理是利用碱性溶液能够溶解木质素的特点，用稀NaOH溶液或氨水处理生物质原料，破坏其木质素结构，并使木质素溶出，暴露纤维素，提高纤维素酶的可及性，有助于酶解过程的进行[9]。

与酸法预处理相比，碱法预处理一般条件较为温和，对设备的要求较酸法预处理低，且木素脱除率较高，但碱对半纤维素的降解作用也很强，导致碱法预处理过程中50%的半纤维素被降解而溶出，半纤维素和纤维素的损失较大。此外，还有可能产生副产物，影响纤维素酶的活性。因此，未来碱法预处理的研究方向要在保证纤维含量的条件下也能达到脱除木素的效果，并且能除掉预处理过程中产生的不利副产物。

2.2 碱法预处理的研究现状

李辉勇等[10]研究碱预处理稻草秸秆过程中不同碱浓度、温度和时间对酶解糖化得率的影响。随着预处理NaOH浓度的增加，稻草秸秆的纤维素的含量升高，而半纤维素和木质素的含量都降低，且半纤维素和木素的损失率增幅明显，说明浓碱有助于半纤维素的降解和木质素的溶出，以至于预处理后稻草秸秆酶解产糖量及糖化率也增大。但是，半纤维素的过分降解也造成了生物量的流失，因此NaOH浓度不宜过高，以质量分数2.0%为宜。此外，预处理时间以24 h(笔者存疑)，预处理温度以60℃为佳。

霍丹等[11]研究采用氨水中温浸渍方法对桉木进行预处理，以提高其后续酶解转化率，并且对预处理条件进行优化。该研究考察的三因素分别为氨用量、预处理时间和预处理温度。结果表明，对后续酶解转化率影响最大的预处理条件为预处理温度，其次为预处理时间。在一定温度及预处理时间内，氨用量对后续酶解转化率的影响不大。而在氨用量较低时，酶解转化率随温度的升高而显著增加。但是，当温度为20 ～ 100℃的任一固定值时，酶解转化率随氨用量的增加没有得到明显提高。经研究表明，氨水浸渍预处理最佳条件为：氨用量80%、时间11 h、温度90℃。此条件下，后续酶解转化率可达32.84%。

在不影响纤维素的情况下，氨水浸渍预处理的木质素脱除率可达51%，并有部分木聚糖会降解溶出。木素的脱除，部分半纤维素的降解和纤维素结晶度的下降都有助于提高后续酶解转化率[12]。

孙宪迅等[13]以稻草秸秆为原料，采用氨水预处理，研究稻草秸秆粉粒度、氨水质量分数、预处理时间、预处理温度、液固比对稻草秸秆酶解转化率的影响。随着原料粉碎度增加，酶解转化率逐渐升高，但增加到60目以后，酶解转化率涨幅变小；随着氨水质量分数的增大，酶解转化率先升高后降低，氨水质量分数为14%时最大；随预处理时间的延长，酶解转化率也是先升后降，35 h时最高；随预处理温度的升高，酶解转化率亦是先升后降，50℃时达到最大值；随着固液比的增大，酶解转化率有显著提高，当固液比大于9∶1之后，糖化率基本保持稳定。因此，氨水预处理稻草秸秆的最适条件为：过60目筛，固液比9∶1，氨水质量分数14%，预处理温度50℃，预处理时间35 h，此条件下，酶解转化率可达61.42%。

3 有机溶剂预处理

3.1 发展历程及方向

有机溶剂预处理是采用有机溶剂或其水溶液对木质纤维素原料进行预处理，而为了增强预处理效果，有些情况下会加入适当的催化剂。有机溶剂预处理，能脱除木质素、降解半纤维素，使原料的孔隙率和表面积增加，从而增大了纤维素酶与纤维素的可接触面积[14]。

与稀酸预处理相比，有机溶剂预处理过程中能脱除大部分木素，而稀酸预处理虽然能降解大部分半纤维素，但是大部分木素还残留在原料中，且会在酶解过程中吸附到纤维素酶上，导致有效酶浓度下降，从而降低酶解转化率[15]。因此，与传统稀酸预处理相比，有机溶剂预处理是比较有优势的方法。

3.2 有机溶剂预处理的研究现状

赵雪冰等[16]研究用乙酸脱木素结合碱脱乙酰基的方法对甘蔗渣进行预处理，考察了催化剂硫酸浓度、乙酸浓度和预处理时间等因素对预处理后原料酶解转化率的影响。随着硫酸浓度和乙酸浓度的增加，木素的脱除率有明显增加；而随着预处理时间的增加，只在1 h内木素的脱除率有所增加。 但随着乙酸浓度的增加，纤维素发生乙酰化的程度增加，过高乙酸浓度会降低纤维含量，不利于酶解。乙酸预处理相比于乙醇预处理的缺点就在于乙酸预处理过程中会产生乙酰基，乙酰基会抑制纤维素酶与纤维素之间的氢键形成，阻碍纤维素酶与纤维素的结合，且增加了酶解反应的空间位阻。因此，需要在乙酸预处理后进行脱乙酰基作用。碱处理可以有效脱除乙酰基。研究表明，用乙酸预处理甘蔗渣的最适条件为：固液比1∶10，乙酸质量分数80%，硫酸质量分数0.3%，在常压沸点下预处理2 h，然后采用4%的NaOH在120℃下处理1 h。该条件下，可达到接近80%的酶解转化率。

Bon-Wook Koo等[17]以鹅掌楸为原料，采用乙醇预处理加硫酸作为催化剂。该预处理方法可脱除大量木素，并且保证葡聚糖的含量。在120 ～130℃之间，随着温度的升高，纤维素的酶解转化率会提高。由于该预处理条件下，增大了生物质的孔隙率和表面积，使初始阶段酶的吸附量增加，从而增加了纤维酶解转化率。

陈红梅等[18]研究硫酸催化和自催化乙醇法对麦草秸秆进行预处理，比较两种预处理方法纤维素酶解转化率的大小。酸催化乙醇预处理的样品比自催化乙醇预处理的样品中葡聚糖含量高，而木聚糖和木素的含量低，说明添加了外源酸有助于半纤维素的降解和木素的溶出，即较高的酸浓度有助于木素与半纤维素之间以及木素分子之间的连接键断裂。酸催化处理的葡聚糖回收率为91. 0%，自催化乙醇处理的葡聚糖回收率为95. 4%，主要是由于硫酸导致半纤维素降解。结果，酸催化乙醇预处理的酶解转化率可达70%，而自催化乙醇预处理的酶解转化率可达80%。因此，对于麦草秸秆来说，乙醇预处理比加硫酸催化的乙醇预处理更有优势。

4 蒸汽预处理

4.1 发展历程及方向

20世纪20年代，Mason首次提出蒸汽爆破法技术。由于蒸汽压力很大，爆破对设备的要求较高，导致该技术无法推广[19]。随后几十年，蒸汽爆破朝着低压的方向发展，因而汽爆技术才得以应用。蒸汽预处理过程中，利用高压水蒸气对原料进行蒸煮，高压条件下，水蒸气扩散进入木质纤维细胞壁，使部分纤维素的乙酰基水解，产生有机酸，从而导致半纤维素被降解。此外，瞬间释放压力，产生的爆破效果，可使原料粉碎，变成颗粒很小的粉末，使其内部结构变疏松，增大了比表面积，提高了纤维素酶对纤维素的可及性，有助于提高酶解转化率[20]。

与传统化学预处理方法相比，蒸汽预处理不添加任何化学物质，对环境亲和性更佳，但预处理效果不如化学法预处理。近年来，有很多研究工作者将蒸汽预处理与化学预处理结合，以期结合两者的优势，达到更好的预处理效果。研究表明，蒸汽爆破与化学法预处理相结合确实能提高酶解转化率，但更优化的预处理方案还有待研究。

4.2 蒸汽预处理的研究现状

彭锦星等[21]研究了蒸汽预处理竹子的酶解规律，考察了预处理时间、预处理温度和纤维素酶用量对酶解转化率的影响。蒸汽预处理对酶解转化率的提升有显著作用，在170～210℃范围内，随着温度的升高，葡聚糖的酶解转化率有明显提高，但木聚糖会大量降解。超过210℃时会全部降解。此外，增加纤维素酶的添加量，对蒸汽预处理后的原料更有促进作用，由于蒸汽作用使得纤维素膨胀，提高了纤维素和纤维素酶的可及性。

Linoj Kumar等[22]对北美黄木杉进行蒸汽预处理，研究了木素和酶的加入量对酶解效率的影响。木素通过吸附纤维素酶和阻碍纤维素对纤维素酶的可及性，从而抑制纤维素的酶解，该抑制作用取决于酶的加入量。当纤维素酶的加入量低于10 U/g纤维素时，木素对纤维素酶的吸附和对可及性的限制，导致此条件下酶解很难产生作用；而增大酶的加入量，可以适当克服这种限制，但随着酶的增加，木素的抑制作用亦会增强，这就导致了纤维素无法完全水解。然而，在蒸汽预处理过程中，木素无法抑制纤维素的膨胀，那么纤维素酶就更易与纤维素接触，从而降低对水解过程的抑制作用。随着纤维素酶可及性的增强，即使木素浓度较高，也可以达到较高的酶解转化率。

刘黎阳等[23]采取蒸汽爆破联用化学法预处理玉米秸秆，并研究其酶解性能。蒸汽爆破预处理对传统的稀酸预处理、碱法预处理、有机溶剂预处理等有显著促进作用。其中，以蒸汽爆破与碱法联用的方法预处理玉米秸秆的酶解转化率最高，能达到77.54%。蒸汽爆破过程中不仅会降低纤维素的结晶度，还能降解部分半纤维素，而加入碱液后，能有效溶解木素片段，并使之脱除，从而降低了木素对纤维素酶的无效吸附，提高了酶解的转化率。此外，蒸汽爆破会使原料颗粒变小，内部结构更疏松，比表面积更大，更有利于提高酶解效率。

5 微波预处理

5.1 发展历程及方向

微波预处理通过使原料中的极性分子发生振动，相互碰撞和摩擦产生热量，导致原料中木素的结构被破坏，并且破坏纤维素晶体结构，降低纤维素的结晶度，有助于纤维素的酶解。但单一的微波预处理提高酶解的效果有限，微波与化学预处理结合能更好地提高酶解效率。

5.2 微波预处理的研究现状

李荣斌等[24]用微波辅助氢氧化钠对油菜秸秆进行预处理，并对预处理条件进行了优化。与普通碱性预处理相比，微波辅助的碱性预处理的酶解率有明显提高，极可能是因为在微波预处理的过程中，微波产生的高热破坏了木素和半纤维素的结构，使其在后续的碱性预处理中，半纤维素和木素更容易被碱液溶出。此外，纤维素结晶度的下降，增加了纤维素酶的可及性，从而提高了酶解效率。研究表明，微波辅助氢氧化钠预处理油菜秸秆的最佳条件为：微波功率600 W，时间5 min，NaOH 0.1mol/L，温度80℃。

李静等[25]研究微波强化酸预处理玉米秸秆的条件，考察了预处理时间、预处理温度、硫酸浓度、基质浓度和粒径等因素对酶解效果的影响。以上五因素对玉米秸秆酶解得率的影响大小依次为：预处理时间>预处理温度>硫酸浓度>基质浓度>粒径。研究表明，酸预处理的最佳条件为：预处理时间2 h，预处理温度13℃，硫酸浓度3%，基质浓度35 g/L，粒径0.5 mm。此外，仅用微波预处理时，酶解得率很低，而微波与硫酸预处理结合时，酶解得率明显提高，可达39.82%。当微波功率较低，预处理时间较短时，预处理效果并不明显，而当微波功率较高，预处理时间较长时，还原糖有可能会分解。微波强化酸预处理的最佳条件为：微波功率255 W，作用时间6 min。经微波强化后，酶解得率较酸预处理提高了8倍。

6 超声波处理

6.1 发展历程及方向

超声波可以在液体介质中传播时，产生空化现象，空化时会产生高温高压，使大分子降解。利用超声波对纤维原料进行预处理能使催化部位微环境及酶分子构象发生变化，提高纤维素酶对纤维素的酶解效率[26]。

有研究表明, 超声波预处理能使纤维素分子中的氢键被破坏, 使其结晶度下降, 还能有效脱除部分半纤维素和木质素。此外，对超声波与碱法结合的预处理方法研究结果表明，超声波能提高碱液对木素的脱除。

6.2超声波预处理的研究现状

胡斌等[27]研究超声波预处理玉米秸秆的优化条件，探究了预处理时间、功率、温度等因素对酶解得率的影响。研究表明，超声波预处理玉米秸秆的最佳条件为：预处理时间10 min,预处理温度45℃，功率140 W，固液比1∶30。

胡华佳等[28]用超声波联合稀碱液预处理稻草秸秆，研究超声波预处理对酶解效率的影响。结果表明，有超声波协同预处理的酶解转化率明显高于仅用碱液预处理的酶解转化率。这可能是在超声波过程中，破坏了木素的结构，有助于碱液溶出木素，从而提高酶解转化率。

7 展望

近几十年来，不少科学工作者致力于生物质能源领域的研究，可再生的生物质能源作为未来最有发展潜力的领域之一，目前已经取得了不小的进步，生产生物质能源的原料越来越多元化，预处理方法也越来越多元化，虽然目前木质纤维素生产乙醇还不能取代石油，但这是广大研究者的目标。

在纤维乙醇生产的4个环节中，还有很多方面是有待改进和发展的，就预处理这个阶段而言，不论是酸法预处理、碱法预处理还是有机溶剂预处理，都各有优缺点和还未解决的问题，如：①如何改进预处理方法来提高纤维素转化率，并且降低成本；②如何在提高纤维含量的前提下，尽可能地脱除木素和木聚糖等阻碍纤维素酶解的物质；③如何避免预处理过程中产生的抑制酶解效果的副产物等。

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[责任编校： 张 众]

The Effect of Pretreatment on Enzymatic Hydrolysis of Lignocellulose

YANG Haitao， Xia Qing， YAO Lan

(SchoolofPulpandPapermakingEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The enzymatic hydrolysis of lignocellulose will be restrained by the hemicellulose and lignin existed in the raw material. It results in the decrease of conversion rate of enzymatic hydrolysis. Therefore, pretreatments are necessary before enzymatic hydrolysis. It can destroy the structure inside the biomass which can hinder the enzymatic saccharification, remove the protection of hemicellulose and lignin and improve the accessibility of cellulose. Therefore, the conversion rate of enzymatic hydrolysis will be increased. The effect of pretreatment on enzymatic hydrolysis of lignocellulose and the development of pretreatments are introduced in this paper.

pretreatment; lignocelluloses; enzymatic hydrolysis; conversion rate

2014-11-11

杨海涛(1979-)， 男， 湖北随州人，湖北工业大学副教授，研究方向为生物质能源化工及废水深度处理

姚 兰(1982-)，女，四川南充人，湖北工业大学讲师，研究方向为生物质能源化工

1003-4684(2015)01-0085-05

TS71

A