預處理方法提高木質纖維酶解轉化率的研究

楊海濤， 夏 青， 姚 蘭

(湖北工業大學制漿造紙工程學院， 湖北 武漢 430068)

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預處理方法提高木質纖維酶解轉化率的研究

楊海濤， 夏 青， 姚 蘭

(湖北工業大學制漿造紙工程學院， 湖北 武漢 430068)

木質纖維原料中存在的半纖維素和木素會阻礙纖維素的酶解，從而降低纖維原料的酶解轉化率。因此，在纖維素酶解之前，都要經過預處理，以破壞阻礙酶解糖化的生物質內在結構，解除半纖維素和木素對纖維素的保護，提高纖維素酶的可及性，從而提高纖維原料的酶解轉化率。介紹了不同的預處理方法對纖維原料酶解轉化率的影響，以及預處理工藝的研究現狀和發展趨勢。

預處理； 木質纖維素； 酶解； 轉化率

利用生物質原料，通過酶解發酵生產的一種生物質再生能源，可作為替代化石燃料的第二代生物質能源[1]。農業殘留物(如農作物秸稈及甘蔗渣等)有廣泛性、可再生性和低成本等特點，為纖維乙醇燃料的研究提供了良好的原料基礎。木質纖維素生產生物乙醇可分為四個部分，分別是預處理、酶解、發酵和蒸餾。木質纖維素原料主要含纖維素、半纖維素和木質素三種主要成分，占木質纖維原料的80%～95%。纖維素是支撐植物細胞壁的骨架結構，而半纖維素和木質素則是填充在纖維之間和微細纖維之間的“粘合劑”和“填充劑”[2]。半纖維素和木質素的存在會阻礙纖維素與纖維素酶的接觸，從而抑制酶解效果。為了提高同步糖化的得率，必須對原料進行預處理。預處理既可以去除原料中木質素等因可以吸附纖維素酶而使其失活的物質，又可以改變原料的結晶度，使纖維原料更易被纖維素酶降解，提高纖維原料的酶解轉化率[3]。本文總結了目前常用的預處理技術對提高纖維原料酶解轉化率的研究，分析了各種預處理方法的優劣。

1 酸法預處理

1.1 發展歷程及方向

19世紀，法國化學家Braconnot首先提出濃酸可水解纖維素，其原理為在較低溫度下，纖維素可溶解于濃硫酸、濃鹽酸和濃硝酸中，并使纖維素水解，其水解過程為纖維素→質子化中間體→低聚糖→葡萄糖。但濃酸預處理會腐蝕設備，并且難以回收，因此這種方法運用并不廣泛[3]。

水解轉化為糖類的同時，有部分糖會被進一步氧化成糠醛和其他副產物，對后續發酵過程產生抑制作用。預處理旨在水解半纖維素，保留纖維素，提高纖維素酶對纖維素的可及性，提高酶解效率[4]。

近年來，對高溫、低濃度酸以及稀酸加催化的預處理方法有大量的研究。酸預處理可使半纖維素發生降解。升高溫度是在保證預處理效果的前提下，節約了成本；加催化劑(如50%的乙醇等)可有效溶出木素片段，使木素脫除，亦有助于提高后續酶解轉化率。 但是，稀酸水解過程中產生的有害副產品，還未能完全解決。因此，未來酸法預處理的研究方向既要增加可發酵性糖的含量，又要避免在酶解的過程中存在抑制酶解的副產物。

1.2 酸法預處理的研究現狀

稀酸預處理不僅可使半纖維素降解而溶出，還能破壞纖維素的結晶結構，降低木質素的束縛作用，從而提高纖維素酶對原料中纖維素的可及度，并提高后續酶解轉化率[5]。王娜娜等[6]研究以玉米秸稈為原料進行酸預處理，探討合適的溫度、時間和酸濃度條件下能達到最高的糖得率。在固液比為1∶5的條件下，考察反應時間、反應溫度和硫酸濃度三因素, 每個因素考察了四個水平，預處理后進行酶解，測酶解液中葡萄糖濃度。結果表明，稀酸預處理玉米秸稈的三個反應條件中, 對反應影響的顯著性從大到小依次為硫酸濃度>反應溫度>反應時間, 其中硫酸濃度和反應溫度是主要的影響因素。最適反應條件為：硫酸濃度2%，反應時間12 h，反應溫度90℃。

師靜等[7]以巨菌草為原料，研究了稀硫酸的固液比、酸濃度、預處理時間和預處理溫度對巨菌草酶解液中還原糖含量的影響。經研究表明，稀酸能有效降解巨菌草中的半纖維素，隨著酸濃度的增加，酶解液中糖含量有較明顯上升，但是，稀酸對木質素的影響較小，說明稀酸并不能有效降解木質素。此外，通過試驗得出稀酸預處理巨菌草的最適條件為：酸濃度2%、固液比1∶20，預處理時間60 min，預處理溫度100℃。

若要有效地破壞木質素的結構，往往需要較高的溫度(160～220℃)，這就對設備有較高的要求，而且能耗也較高，此外產生的抑制物也會明顯增加。為了在中低溫度下進行預處理達到較高的酶解轉化率，可通過加入催化劑。元英進等[8]以稻草秸稈為原料，研究了乙醇的加入對不同濃度的硫酸預處理酶解糖化效率的影響。葡聚糖受酸濃度和乙醇的影響很小，而木聚糖隨著酸濃度的升高有明顯降低，并且乙醇的加入使木質素隨著酸濃度的升高而顯著降低，說明木質素需要通過酸催化使化學鍵斷裂，而乙醇可有效的溶解木質素片段。經研究，預處理稻草秸稈的最適條件為：硫酸濃度2%，乙醇濃度50%，反應時間 60 min，反應溫度120℃。此條件下，后續酶解的轉化率可達到71.5%。

2 堿法預處理

2.1 發展歷程及方向

堿法預處理主要是NaOH預處理和氨水預處理。該方法的原理是利用堿性溶液能夠溶解木質素的特點，用稀NaOH溶液或氨水處理生物質原料，破壞其木質素結構，并使木質素溶出，暴露纖維素，提高纖維素酶的可及性，有助于酶解過程的進行[9]。

與酸法預處理相比，堿法預處理一般條件較為溫和，對設備的要求較酸法預處理低，且木素脫除率較高，但堿對半纖維素的降解作用也很強，導致堿法預處理過程中50%的半纖維素被降解而溶出，半纖維素和纖維素的損失較大。此外，還有可能產生副產物，影響纖維素酶的活性。因此，未來堿法預處理的研究方向要在保證纖維含量的條件下也能達到脫除木素的效果，并且能除掉預處理過程中產生的不利副產物。

2.2 堿法預處理的研究現狀

李輝勇等[10]研究堿預處理稻草秸稈過程中不同堿濃度、溫度和時間對酶解糖化得率的影響。隨著預處理NaOH濃度的增加，稻草秸稈的纖維素的含量升高，而半纖維素和木質素的含量都降低，且半纖維素和木素的損失率增幅明顯，說明濃堿有助于半纖維素的降解和木質素的溶出，以至于預處理后稻草秸稈酶解產糖量及糖化率也增大。但是，半纖維素的過分降解也造成了生物量的流失，因此NaOH濃度不宜過高，以質量分數2.0%為宜。此外，預處理時間以24 h(筆者存疑)，預處理溫度以60℃為佳。

霍丹等[11]研究采用氨水中溫浸漬方法對桉木進行預處理，以提高其后續酶解轉化率，并且對預處理條件進行優化。該研究考察的三因素分別為氨用量、預處理時間和預處理溫度。結果表明，對后續酶解轉化率影響最大的預處理條件為預處理溫度，其次為預處理時間。在一定溫度及預處理時間內，氨用量對后續酶解轉化率的影響不大。而在氨用量較低時，酶解轉化率隨溫度的升高而顯著增加。但是，當溫度為20 ～ 100℃的任一固定值時，酶解轉化率隨氨用量的增加沒有得到明顯提高。經研究表明，氨水浸漬預處理最佳條件為：氨用量80%、時間11 h、溫度90℃。此條件下，后續酶解轉化率可達32.84%。

在不影響纖維素的情況下，氨水浸漬預處理的木質素脫除率可達51%，并有部分木聚糖會降解溶出。木素的脫除，部分半纖維素的降解和纖維素結晶度的下降都有助于提高后續酶解轉化率[12]。

孫憲迅等[13]以稻草秸稈為原料，采用氨水預處理，研究稻草秸稈粉粒度、氨水質量分數、預處理時間、預處理溫度、液固比對稻草秸稈酶解轉化率的影響。隨著原料粉碎度增加，酶解轉化率逐漸升高，但增加到60目以后，酶解轉化率漲幅變小；隨著氨水質量分數的增大，酶解轉化率先升高后降低，氨水質量分數為14%時最大；隨預處理時間的延長，酶解轉化率也是先升后降，35 h時最高；隨預處理溫度的升高，酶解轉化率亦是先升后降，50℃時達到最大值；隨著固液比的增大，酶解轉化率有顯著提高，當固液比大于9∶1之后，糖化率基本保持穩定。因此，氨水預處理稻草秸稈的最適條件為：過60目篩，固液比9∶1，氨水質量分數14%，預處理溫度50℃，預處理時間35 h，此條件下，酶解轉化率可達61.42%。

3 有機溶劑預處理

3.1 發展歷程及方向

有機溶劑預處理是采用有機溶劑或其水溶液對木質纖維素原料進行預處理，而為了增強預處理效果，有些情況下會加入適當的催化劑。有機溶劑預處理，能脫除木質素、降解半纖維素，使原料的孔隙率和表面積增加，從而增大了纖維素酶與纖維素的可接觸面積[14]。

與稀酸預處理相比，有機溶劑預處理過程中能脫除大部分木素，而稀酸預處理雖然能降解大部分半纖維素，但是大部分木素還殘留在原料中，且會在酶解過程中吸附到纖維素酶上，導致有效酶濃度下降，從而降低酶解轉化率[15]。因此，與傳統稀酸預處理相比，有機溶劑預處理是比較有優勢的方法。

3.2 有機溶劑預處理的研究現狀

趙雪冰等[16]研究用乙酸脫木素結合堿脫乙酰基的方法對甘蔗渣進行預處理，考察了催化劑硫酸濃度、乙酸濃度和預處理時間等因素對預處理后原料酶解轉化率的影響。隨著硫酸濃度和乙酸濃度的增加，木素的脫除率有明顯增加；而隨著預處理時間的增加，只在1 h內木素的脫除率有所增加。 但隨著乙酸濃度的增加，纖維素發生乙酰化的程度增加，過高乙酸濃度會降低纖維含量，不利于酶解。乙酸預處理相比于乙醇預處理的缺點就在于乙酸預處理過程中會產生乙酰基，乙酰基會抑制纖維素酶與纖維素之間的氫鍵形成，阻礙纖維素酶與纖維素的結合，且增加了酶解反應的空間位阻。因此，需要在乙酸預處理后進行脫乙酰基作用。堿處理可以有效脫除乙酰基。研究表明，用乙酸預處理甘蔗渣的最適條件為：固液比1∶10，乙酸質量分數80%，硫酸質量分數0.3%，在常壓沸點下預處理2 h，然后采用4%的NaOH在120℃下處理1 h。該條件下，可達到接近80%的酶解轉化率。

Bon-Wook Koo等[17]以鵝掌楸為原料，采用乙醇預處理加硫酸作為催化劑。該預處理方法可脫除大量木素，并且保證葡聚糖的含量。在120 ～130℃之間，隨著溫度的升高，纖維素的酶解轉化率會提高。由于該預處理條件下，增大了生物質的孔隙率和表面積，使初始階段酶的吸附量增加，從而增加了纖維酶解轉化率。

陳紅梅等[18]研究硫酸催化和自催化乙醇法對麥草秸稈進行預處理，比較兩種預處理方法纖維素酶解轉化率的大小。酸催化乙醇預處理的樣品比自催化乙醇預處理的樣品中葡聚糖含量高，而木聚糖和木素的含量低，說明添加了外源酸有助于半纖維素的降解和木素的溶出，即較高的酸濃度有助于木素與半纖維素之間以及木素分子之間的連接鍵斷裂。酸催化處理的葡聚糖回收率為91. 0%，自催化乙醇處理的葡聚糖回收率為95. 4%，主要是由于硫酸導致半纖維素降解。結果，酸催化乙醇預處理的酶解轉化率可達70%，而自催化乙醇預處理的酶解轉化率可達80%。因此，對于麥草秸稈來說，乙醇預處理比加硫酸催化的乙醇預處理更有優勢。

4 蒸汽預處理

4.1 發展歷程及方向

20世紀20年代，Mason首次提出蒸汽爆破法技術。由于蒸汽壓力很大，爆破對設備的要求較高，導致該技術無法推廣[19]。隨后幾十年，蒸汽爆破朝著低壓的方向發展，因而汽爆技術才得以應用。蒸汽預處理過程中，利用高壓水蒸氣對原料進行蒸煮，高壓條件下，水蒸氣擴散進入木質纖維細胞壁，使部分纖維素的乙酰基水解，產生有機酸，從而導致半纖維素被降解。此外，瞬間釋放壓力，產生的爆破效果，可使原料粉碎，變成顆粒很小的粉末，使其內部結構變疏松，增大了比表面積，提高了纖維素酶對纖維素的可及性，有助于提高酶解轉化率[20]。

與傳統化學預處理方法相比，蒸汽預處理不添加任何化學物質，對環境親和性更佳，但預處理效果不如化學法預處理。近年來，有很多研究工作者將蒸汽預處理與化學預處理結合，以期結合兩者的優勢，達到更好的預處理效果。研究表明，蒸汽爆破與化學法預處理相結合確實能提高酶解轉化率，但更優化的預處理方案還有待研究。

4.2 蒸汽預處理的研究現狀

彭錦星等[21]研究了蒸汽預處理竹子的酶解規律，考察了預處理時間、預處理溫度和纖維素酶用量對酶解轉化率的影響。蒸汽預處理對酶解轉化率的提升有顯著作用，在170～210℃范圍內，隨著溫度的升高，葡聚糖的酶解轉化率有明顯提高，但木聚糖會大量降解。超過210℃時會全部降解。此外，增加纖維素酶的添加量，對蒸汽預處理后的原料更有促進作用，由于蒸汽作用使得纖維素膨脹，提高了纖維素和纖維素酶的可及性。

Linoj Kumar等[22]對北美黃木杉進行蒸汽預處理，研究了木素和酶的加入量對酶解效率的影響。木素通過吸附纖維素酶和阻礙纖維素對纖維素酶的可及性，從而抑制纖維素的酶解，該抑制作用取決于酶的加入量。當纖維素酶的加入量低于10 U/g纖維素時，木素對纖維素酶的吸附和對可及性的限制，導致此條件下酶解很難產生作用；而增大酶的加入量，可以適當克服這種限制，但隨著酶的增加，木素的抑制作用亦會增強，這就導致了纖維素無法完全水解。然而，在蒸汽預處理過程中，木素無法抑制纖維素的膨脹，那么纖維素酶就更易與纖維素接觸，從而降低對水解過程的抑制作用。隨著纖維素酶可及性的增強，即使木素濃度較高，也可以達到較高的酶解轉化率。

劉黎陽等[23]采取蒸汽爆破聯用化學法預處理玉米秸稈，并研究其酶解性能。蒸汽爆破預處理對傳統的稀酸預處理、堿法預處理、有機溶劑預處理等有顯著促進作用。其中，以蒸汽爆破與堿法聯用的方法預處理玉米秸稈的酶解轉化率最高，能達到77.54%。蒸汽爆破過程中不僅會降低纖維素的結晶度，還能降解部分半纖維素，而加入堿液后，能有效溶解木素片段，并使之脫除，從而降低了木素對纖維素酶的無效吸附，提高了酶解的轉化率。此外，蒸汽爆破會使原料顆粒變小，內部結構更疏松，比表面積更大，更有利于提高酶解效率。

5 微波預處理

5.1 發展歷程及方向

微波預處理通過使原料中的極性分子發生振動，相互碰撞和摩擦產生熱量，導致原料中木素的結構被破壞，并且破壞纖維素晶體結構，降低纖維素的結晶度，有助于纖維素的酶解。但單一的微波預處理提高酶解的效果有限，微波與化學預處理結合能更好地提高酶解效率。

5.2 微波預處理的研究現狀

李榮斌等[24]用微波輔助氫氧化鈉對油菜秸稈進行預處理，并對預處理條件進行了優化。與普通堿性預處理相比，微波輔助的堿性預處理的酶解率有明顯提高，極可能是因為在微波預處理的過程中，微波產生的高熱破壞了木素和半纖維素的結構，使其在后續的堿性預處理中，半纖維素和木素更容易被堿液溶出。此外，纖維素結晶度的下降，增加了纖維素酶的可及性，從而提高了酶解效率。研究表明，微波輔助氫氧化鈉預處理油菜秸稈的最佳條件為：微波功率600 W，時間5 min，NaOH 0.1mol/L，溫度80℃。

李靜等[25]研究微波強化酸預處理玉米秸稈的條件，考察了預處理時間、預處理溫度、硫酸濃度、基質濃度和粒徑等因素對酶解效果的影響。以上五因素對玉米秸稈酶解得率的影響大小依次為：預處理時間>預處理溫度>硫酸濃度>基質濃度>粒徑。研究表明，酸預處理的最佳條件為：預處理時間2 h，預處理溫度13℃，硫酸濃度3%，基質濃度35 g/L，粒徑0.5 mm。此外，僅用微波預處理時，酶解得率很低，而微波與硫酸預處理結合時，酶解得率明顯提高，可達39.82%。當微波功率較低，預處理時間較短時，預處理效果并不明顯，而當微波功率較高，預處理時間較長時，還原糖有可能會分解。微波強化酸預處理的最佳條件為：微波功率255 W，作用時間6 min。經微波強化后，酶解得率較酸預處理提高了8倍。

6 超聲波處理

6.1 發展歷程及方向

超聲波可以在液體介質中傳播時，產生空化現象，空化時會產生高溫高壓，使大分子降解。利用超聲波對纖維原料進行預處理能使催化部位微環境及酶分子構象發生變化，提高纖維素酶對纖維素的酶解效率[26]。

有研究表明, 超聲波預處理能使纖維素分子中的氫鍵被破壞, 使其結晶度下降, 還能有效脫除部分半纖維素和木質素。此外，對超聲波與堿法結合的預處理方法研究結果表明，超聲波能提高堿液對木素的脫除。

6.2超聲波預處理的研究現狀

胡斌等[27]研究超聲波預處理玉米秸稈的優化條件，探究了預處理時間、功率、溫度等因素對酶解得率的影響。研究表明，超聲波預處理玉米秸稈的最佳條件為：預處理時間10 min,預處理溫度45℃，功率140 W，固液比1∶30。

胡華佳等[28]用超聲波聯合稀堿液預處理稻草秸稈，研究超聲波預處理對酶解效率的影響。結果表明，有超聲波協同預處理的酶解轉化率明顯高于僅用堿液預處理的酶解轉化率。這可能是在超聲波過程中，破壞了木素的結構，有助于堿液溶出木素，從而提高酶解轉化率。

7 展望

近幾十年來，不少科學工作者致力于生物質能源領域的研究，可再生的生物質能源作為未來最有發展潛力的領域之一，目前已經取得了不小的進步，生產生物質能源的原料越來越多元化，預處理方法也越來越多元化，雖然目前木質纖維素生產乙醇還不能取代石油，但這是廣大研究者的目標。

在纖維乙醇生產的4個環節中，還有很多方面是有待改進和發展的，就預處理這個階段而言，不論是酸法預處理、堿法預處理還是有機溶劑預處理，都各有優缺點和還未解決的問題，如：①如何改進預處理方法來提高纖維素轉化率，并且降低成本；②如何在提高纖維含量的前提下，盡可能地脫除木素和木聚糖等阻礙纖維素酶解的物質；③如何避免預處理過程中產生的抑制酶解效果的副產物等。

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[責任編校： 張 眾]

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

楊海濤(1979-)， 男， 湖北隨州人，湖北工業大學副教授，研究方向為生物質能源化工及廢水深度處理

姚 蘭(1982-)，女，四川南充人，湖北工業大學講師，研究方向為生物質能源化工

1003-4684(2015)01-0085-05

TS71

A