竹材半纤维素提取及其解聚过程研究进展

王美鑫 战雅微 马腾飞 李志强

(国际竹藤中心，国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室 北京 100102)

能源和环境问题日益成为人们关注的焦点。生物质能为中国碳达峰、碳中和的“双碳” 目标实现，以及解决能源、资源与环境问题提供了一个可持续发展的途径[1]。通过利用木质纤维素制备生物基平台化学品一直以来都是国内外学者研究的热点。当前关于木质纤维素制备化学品的研究虽然取得了重大进展，但仍存在目标产物收率低、转化工艺复杂、产物纯化困难、成本高、催化剂易失活等问题[2]。目前，木质纤维素中的纤维素和木质素已有大量研究和应用，而半纤维素由于其复杂和不均一的性质致使其研究和利用受到一定限制。半纤维素是一种高附加值天然高分子材料，具有广阔的发展前景，因此研究半纤维素的提取分离及其下游化学品的制备，被认为是提高生物质全组分利用可行性的关键。

在众多木质纤维素生物质中，玉米芯、秸秆等可降解的生物材料都可用于研究半纤维素，在这其中，竹子具有得天独厚的优势，在中国尤为突出。中国竹资源丰富，种类达39 属837 种[3]，竹林地面积达701.97 万hm2[4]，竹资源居于世界首位。而且竹子具有生长快、再生能力强、产量高、一次种植即可连年持续利用的优势，既不与民争地、争粮，又能避免木材的过度采伐，一直被认为是生物燃料、生物基材料和生物基化学品的潜在原料。随着科技进步与产业创新，竹材在建材、造纸、轻工、食品、家居等行业得到广泛应用[3]。受竹子尖削度大和中空结构等的影响，在竹产业加工利用过程中常常会产生大量的采伐和加工剩余物，这些剩余物都可作为竹化学品开发利用的原料。

然而，由于在竹材细胞结构中，木质素和半纤维素共同紧密地将纤维素包裹在内，而形成复杂的、难以降解的致密结构体系[5]，导致其处理难度高于农业废弃物和部分木材，直接用半纤维素酶处理得到木糖的得率很低，因此如何高效地将竹材的致密结构打散，再水解半纤维素处理得到低聚木糖、木寡糖 (xylo-oligosaccharides，XOS) 和木糖，成为研究的热点和难点。基于此，本文对近年来提取半纤维素及其解聚产物的研究进行综述，简述不同提取半纤维素的预处理方法，并分析一定的降解方法得到半纤维素的解聚产物——木寡糖和木糖；并借鉴其他木质纤维原料的提取方法，可为竹材半纤维素的研究以及开发利用竹材半纤维素降解糖产物提供参考。

1 半纤维素及其解聚产物的应用

半纤维素在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素，在大多数植物材料中约占1/3[6]。与纤维素不同，半纤维素由短小、高度支化的五碳和六碳糖单元聚合组成，如木聚糖、甘露聚糖、β-葡聚糖和木葡聚糖等。此外，半纤维素的含量和结构、主链的长度和类型、侧链的分布和类型随木质纤维素的种类不同而不同。值得注意的是，与纤维素和木质素相比，半纤维素的聚合度很低、反应活性高，半纤维素的高支化和无定形性质使其易于转化[7-8]，在化学处理时木聚糖更容易降解成木寡糖或木糖。因此，研究木质纤维原料中的纤维素、半纤维素和木质素等3 大组分有效分离，再利用半纤维素制备木寡糖和木糖等下游产品，为木质纤维素的工业化利用提供了重要途径。

半纤维素具有许多优良的性能，包括生物降解性、生物相容性、生物活性等[9]，而且主链和侧链含有大量的羟基、羰基、羧基和乙酰基，可以通过醚化、酯化和接枝共聚等方法进行改性，从而制备得到具有良好性能的水凝胶、吸附剂、催化剂、薄膜和生物复合材料等，广泛应用于生物医药、造纸工业、食品包装、化妆品和材料化工等多种领域[10-15](图1)。

图1 半纤维素的应用Fig.1 The application of hemicellulose

将半纤维素分离解聚为木寡糖和单糖可以进一步扩大其应用领域。木寡糖是由木聚糖水解产生的一种功能性低聚糖，主要含有木二糖、木三糖、木四糖、木五糖、木六糖、木七糖以及少量的木糖等。已研究确认的木寡糖的生理功能如图1 所示。木寡糖的能量值几乎为零，既不会影响血液中的血糖浓度，也不增加血糖中的胰岛素水平[16]，在调节血糖、降低血清和血脂胆固醇、优化肠道菌群、预防癌症以及食品保健等方面发挥了重要作用[17-18]；同时，木寡糖极难被动物消化吸收，在肠道内残存率高，具有双歧杆菌增殖性，是低聚糖类中增殖双歧杆菌功能性最强的一个品种，其功效是其他低聚糖的15～20 倍，故应用前景广阔。半纤维素降解得到的木糖同样也有重要用途，其脱水后可得到糠醛，经氢化还原可制备木糖醇；经硝酸氧化可得三羟基戊二酸，并通过一些特定的微生物发酵可进一步转化为燃料乙醇、2，3-丁二醇和乳酸等，这些都可以广泛应用于生产或是继续制备其他下游化学品[19]。

目前，直接以木糖为原料制备下游化学品的研究较多，但是从木质纤维原料中高效制备木糖和木寡糖的研究则相对偏少。竹材的半纤维素含量与阔叶材相近，明显高于针叶材 (10%～15%)，木聚糖约占半纤维素的90%[5]，因此竹子无疑是一种制备木寡糖或木糖的理想生物质原料。在众多竹子品种中，毛竹是应用最广、经济价值最高的竹种，其半纤维素的结构如图2 所示。其中，毛竹的半纤维素主要是由D-吡喃木糖单元通过β-1，4 糖苷键连接而成的木聚糖构成，且α-D-葡萄糖醛酸基和α-L-阿拉伯糖基以侧链形式分别连接在主链结构单元的C2 和C3 位置上[20]。毛竹半纤维素的主要单糖成分是木糖，因此其半纤维素的解聚产物主要为木寡糖和木糖。

图2 毛竹的半纤维素结构Fig.2 Hemicellulose structure of moso bamboo

2 半纤维素的提取方法

木质纤维生物质中半纤维素的有效利用，包括从原料生物质中选择性溶解提取出半纤维素和转化生成半纤维素衍生物的目标产品2 方面。在植物细胞壁中，半纤维素与木质素以共价键连接，通过氢键与纤维素连接，这些连接键阻碍了半纤维素从细胞壁中的提取。因此，研究有效的半纤维素提取方法对促进半纤维素的高效利用至关重要。对于竹材而言，竹材纤维素、半纤维素和木质素相互交织形成了复杂的、难以降解的致密结构体系，导致直接提取半纤维素的效率很低。因此，往往需要对竹材先进行处理，再通过水解得到木糖。目前从木质纤维原料中提取半纤维素的处理方法包括碱法、碱性过氧化氢法、水热法、有机溶剂法以及其他方法等[21-24]。

2.1 碱法

碱法是从生物质中提取半纤维素最常用的方法，碱中的OH-可以使分子间的键发生皂化，脱去木质素，促进膨胀，从而将半纤维素从细胞壁溶解[25]。常用的碱有NaOH、KOH、LiOH 等，碱的种类和浓度以及反应时间和温度都会对半纤维素得率产生影响。García 等[26]将小麦秸秆置于40 ℃氢氧化钠溶液中反应90 min，得到半纤维素的提取率为56.1%。也有研究者采用冷碱提取和乙醇沉淀分离提取半纤维素，取得了较好的效果[27-28]。Li 等[29]采用冻融辅助碱处理从竹子中获得了高产率、低分子量的半纤维素，半纤维素的提取率高达64.71%。这是由于冻融过程会在生物质内形成冰晶造成机械损伤，但超低温速冻对实验设备要求较高，不易实现工业化生产。一般用碱液处理，可以脱除聚木糖类半纤维素中的乙酰基和糖醛酸基，从而提高聚木糖的结晶程度。但在用碱液抽提半纤维素的方法中，半纤维素不可避免的会发生碱性剥皮反应、脱乙酰基作用，甚至发生苷键断裂的碱性水解，所以当目标产物是聚糖类半纤维素时应力求减少这些反应。

2.2 碱性过氧化氢法

过氧化氢(H2O2) 在碱性环境中容易分解成羟基和超氧阴离子自由基，可以氧化木质素结构，形成亲水性基团，并打破木质素分子单元之间的化学键，达到分离半纤维素的效果。Cengiz 等[30]用不同浓度的NaOH 和H2O2从罂粟和棉花秸秆中提取半纤维素，发现碱性H2O2是溶解半纤维素的有效溶剂。Brienzo 等[31]研究了碱性H2O2一步法提取甘蔗渣半纤维素的工艺，发现当H2O2浓度为6%、处理4 h，得到的半纤维素产量可达90%。Xing 等[32]采用蒸汽爆破辅助碱性过氧化物法，从玉米秸秆中分离出半纤维素，研究发现经蒸汽爆炸所提取的半纤维素组分是阿拉伯木聚糖、木葡聚糖和β-葡聚糖的混合物，再经过碱性H2O2处理后，半纤维素回收率从6.2%提高到12.2%，而且当H2O2浓度升高时，半纤维素聚合物会显著降解；经酸水解后，在半纤维素组分中以木糖(53.7%) 和葡萄糖(30.5%) 为主要糖成分。

2.3 水热法

水热法是成本效益最佳的提取方法之一，用水做试剂，绿色环保，而且反应时间短、效率高。Santos 等[33]在170 °C、60 min 的条件下从松木中提取到60%的半纤维素，提取的半纤维素主要在液相中以低聚物形式存在，总浓度达12.7 g/L。Moniz 等[34]利用水热处理从玉米秸秆中选择性分离半纤维素，结果发现原木聚糖的72.1%被溶解，其中63.2%被回收且为可溶性糖，包括木寡糖、木糖和阿拉伯糖。水热法是利用水分子中自电离的H＋进行自催化水解反应，从而将半纤维素溶出，而木质素和纤维素几乎不发生变化。水热萃取的机理与弱酸处理相似，在水解过程中，半纤维素分子结构中支链上的乙酰基断裂，生成乙酸，乙酸分离出H＋，使反应体系的pH 值不断降低[35]，将多糖降解为单糖，木聚糖解聚的程度取决于自水解的严重程度。因此，通常利用水热条件可以得到具有较低聚合度的半纤维素。但水热反应通常要在高温高压下进行，对设备要求较高。

2.4 有机溶剂法

用有机溶剂法分离得到的半纤维素纯度高，化学活性好，且能够很好地保护半纤维素的原有结构不被破坏，特别是在用二甲亚砜(DMSO)提取半纤维素过程中可以保护乙酰基不受破坏。Zhang 等[36]以1～3 年生慈竹为原料研究DMSO 提取的半纤维素的结构特征，发现在DMSO 处理下，半纤维素的降解程度较低，半纤维素产率为综纤维素的6.53%～9.78%。另一种有机溶剂1，4-二氧六环，也作为半纤维素的提取溶剂，但其提取的半纤维素中会含少量的木质素、阿魏酸和对羟基肉桂酸，且半纤维素得率较低，废液回收困难[37]。此外，利用甲醇、乙醇、丁醇和丙酮等低沸点有机溶剂与NaOH 等碱性催化剂处理木质纤维原料，可以选择性地切断细胞壁基质中半纤维素和木质素的连接，而不会使半纤维素大幅度降解[38]。但由于大多有机溶剂具有腐蚀性、毒性以及挥发性，对环境易造成污染，所以有学者研究使用绿色环保有机溶剂的方法，发现不仅可以降低成本、减少污染，而且在分离半纤维素的同时还可以保留纤维素，并对脱除的木质素加以利用。如γ-戊内酯(GVL) 就是一种来源于生物质的绿色极性非质子有机溶剂，具有良好的热化学稳定性，存储安全且能够大量移动，通过添加NaCl 或液态CO2可以方便回收和重复利用[21]。以往的研究集中于GVL/H2O 体系预处理生成富含纤维素的残基，从而增强后续酶解[39-40]，也有部分研究人员探索了其在木质素方面的应用[41]。而随着半纤维素降解产物(木糖或木寡糖) 的高价值利用受到关注，GVL 在提取半纤维素催化转化为有价值的平台化学品方面也有一定应用[42-43]。有研究以GVL/H2O 为溶剂，在不加酸的情况下对木材进行分馏，结果表明，有79.6%的半纤维素被有选择性地萃取到有机相中，纤维素损失率极低为13%，在GVL/水体系中加入硫酸，可进一步提高半纤维素的分离效果[44]。Oyola-Rivera 等[45]研究了以H2SO4为催化剂、在GVL/H2O 的溶剂中处理甘蔗渣，得到木糖的最高得率为49%，这也为研究制备木糖提供了参考。

2.5 其他方法

除以上方法外，还有蒸汽爆破、微波、超声波等辅助碱法、低共熔溶剂、离子液体(ILs) 和酸法等。蒸汽爆破是在高温和高压下利用水蒸气穿透细胞壁，然后再突然释压而爆破使其结构被破坏。Mihiretu 等[46]使用蒸汽爆破预处理甘蔗渣和白杨，在204 ℃处理10 min 得到木聚糖的产量分别为51%和24%。Xie 等[47]以甘蔗渣为原料采用超声辅助碱法提取半纤维素，半纤维素产率较未采用超声辅助的提高了3.24%。Yang 等[48]设计并合成了6 种基于多元醇和天然有机酸的酸性低共熔溶剂用于提取玉米芯的半纤维素，结果表明，乙二醇∶草酸(4 ∶1) 和甘油∶草酸(4 ∶1) 均表现出良好的溶解性能，半纤维素的产率分别达到31.7%和36.3%，而且适宜的酸度和温度可以有效避免半纤维素的过度降解。此外，对甲苯磺酸(p-TsOH) 对木质素有良好的溶解性，且其强酸性会导致半纤维素极易发生降解，所以在提取半纤维素领域也具有一定的应用潜力。p-TsOH 作为有机酸在木质纤维素预处理工艺中具有性能稳定、毒性小、易回收等优点[49]。Feng等[50]以甘蔗渣为研究对象，在80 ℃、3.0%p-TsOH 和120 min 的条件下，得到半纤维素的分离率和提取率分别为73.23%和36.02%，为半纤维素的高效分离和提取提供了有价值的理论依据。Yu 等[51]用p-TsOH 预处理玉米秸秆，发现在100 ℃时水解产物中有85%的木糖，而且预处理温度越高，降解得到的木糖越多，这为分离提取半纤维素中的木糖提供了重要参考，研究竹子半纤维素的提取可以充分借鉴此方法。此外，Lan 等[52]研究了甘蔗渣在1-丁基-3-甲基咪唑氯([C4mim]Cl) 中的溶解情况，用3%NaOH 溶液萃取，得到半纤维素的收率为26.04%。对于离子液体法，虽然其具有分离效率好、溶剂回收利用好、无污染的优点，但离子液体的制备过程复杂，其成本高。而酸法处理，会使半纤维素与纤维素的氢键发生断裂，也会导致一部分半纤维素的溶出，但由于半纤维素在酸性条件下容易水解，因此酸法提取的产率和分子量相对较低。

3 半纤维素的解聚过程

半纤维素常采用酶水解、自水解、催化水解和酸水解等方法由木聚糖解聚而得到木寡糖或木糖[53](表1)。

表1 木聚糖常用水解方法Tab.1 Common hydrolysis methods of xylan

半纤维素是复杂的杂多糖，因此酶解需要多种酶的作用，一般包括内切木聚糖酶、酯酶、内切甘露聚糖酶、β-甘露糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和α-半乳糖苷酶等，而针对木聚糖的完全酶水解则需要多种酶的协调作用。首先，由内切1，4-β-D-木聚糖酶随机断裂聚木糖骨架，产生木寡糖，降低了聚合度；然后由外切酶β-木糖苷酶将木寡糖分解为木糖。目前，由于酶解法环境友好且产生的副产物少，因此是食品工业生产木寡糖的首选方法。王东美等[54]采用酶法降解经蒸汽爆破的玉米芯半纤维素生产木糖，当在加酶量13.05 U/g、水料比13.2 ∶1、酶解时间5 h、酶解温度47.3 ℃条件下，得到木糖的产率为83.24%。但由于酶解法对反应条件要求严格，且随着反应的进行，酶易失活，耗时较长，成本较高，因此限制了其在生产中的大规模使用。

自水解法和稀酸水解法是降解半纤维素的传统处理方法。自水解是在高温或高压下用水蒸气或液态水进行热处理，由水的自电离作用产生水合氢离子，从而触发半纤维素的解聚产生木寡糖。Zhang 等[55]研究乙酰基辅助自水解处理甘蔗渣生产木寡糖，在200 ℃下自水解10 min 后木寡糖得率为50.35%。在温度较高的反应条件下，乙酰基辅助自水解增加了木二糖和木三糖的含量，同时也增加了纤维素的酶降解效率。Xu 等[56]研究了杨木半纤维素在160～180 ℃时的自水解过程，将半纤维素以超高的水解速率转化为相应的单糖。酸法是处理半纤维素水解应用最广的一种手段，稀酸处理能够破坏木质素与纤维素和半纤维素之间的连接，促进半纤维素降解[57]，通过控制酸解的时间、温度和浓度，可有效提取半纤维素中的大部分木糖成分，此法适用性广、成本低。常用的酸有盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、甲酸、马来酸和草酸等。Zhang 等[58]采用苹果酸(MA) 处理油茶壳，探究了酸浓度、反应温度和反应时间对木寡糖的浓度和产率的影响，发现在使用2 mol/L的MA、120 ℃、30 min 的条件下，DP2-4 的木寡糖的最高产率为48.78%。也有研究从芒草中提取木糖，用0.3%的硫酸在180 ℃条件下处理10 min后，得到木糖产率最高为74.75%，半纤维素(主要是木聚糖) 的降解率为86.41%[59]。何文强等[60]用甲酸法预处理南荻，结果表明在反应3 h、温度100 ℃、料液比1 ∶10 的条件下半纤维素回收率为80.2%，半纤维素提取液中主要成分为木糖，且木糖提取率为89.8%。

此外，对催化水解法的研究也较多，Shatalov等[61]以新型钼钒磷酸盐杂多酸作为酸催化剂将半纤维素水解转化为可溶性单糖和低聚糖，研究发现木聚糖的水解转化率为98.5%。Zhang 等[62]以0.05 mol/L 的FeCl2和0.05 mol/L 的MgCl2共催化甘蔗渣生产木寡糖，产率达54.68% (29.34%木二糖和20.94%木三糖)。与酸性水解相比，酸性绿色离子液体表现出类似的半纤维素水解机制。Lopes 等[63]利用酸性1-乙基-3-甲基咪唑硫酸氢离子液体水溶液，选择性高效水解麦草半纤维素为戊糖(木糖和阿拉伯糖)，反应液中戊糖的收率为80.5%，离子液体的回收率高达92.6%。

研究竹材半纤维素的解聚，可以充分借鉴以上其他木质纤维原料分离半纤维素的预处理方法，以破坏原料的致密结构，第2 步再通过酶水解、自水解、催化水解和酸水解木聚糖来得到木寡糖或木糖。半纤维素的解聚过程经历了从长链到短链的多级降解过程，然后是更小范围的可溶性低聚物和单体，在这个过程中，不仅要促进木聚糖的解聚，也要避免单糖的降解或损失。尤其是木糖在高温和酸性环境中高度不稳定，因此会生成一些糖降解产物如有机酸(如甲酸和乙酸)、呋喃(如5-羟甲基糠醛和糠醛)、不溶性腐殖质等[64-65]，所以在制备过程中要考虑减少抑制物的生成。

4 结束语

以竹材为原料的半纤维素提取和利用研究还处于起步阶段，竹材半纤维素的提取和解聚过程应结合竹材自身的结构特性来开展研究。同时，要考虑到利用半纤维素的同时，兼顾纤维素和木质素的同步开发利用，以期达到全组分高效利用的目的。根据目标产物的不同，可设计开发各组分分步、分级利用的综合工艺途径。在未来的应用中，还应考虑使用绿色溶剂和反应物进行半纤维素衍生化的绿色途径。