酶法水解木质纤维素预处理工艺进展

２００８年第２期石油作为不可再生能源，必定逐渐走向枯竭。

燃料乙醇以代用燃料作为解决能源危机的重要手段之一，通过改善能源结构来减少对石油的依赖，保证能源的可持续发展。

目前燃料乙醇已经在我国初步实现了规模化生产，但其生产主要以糖类或粮食为原料，其产量受到粮食资源的限制，难以长期满足能源需求。

从发展的观点看，必须扩大乙醇燃料的原料来源。

利用含木质纤维素的生物质原料，如农作物秸秆、林业加工废料、锯末、废纸、城市垃圾等可再生资源，酶解发酵制取乙醇是进一步开拓乙醇生产原料的有效途径。

我国的生物质资源相当丰富，每年仅产生的农作物秸秆就有７．２×１０８ｔ。

将农林废弃物等木质生物质原料转化为燃料乙醇，形成产业化利用，不仅可缓解石油资源的枯竭，还可解决废弃木质生物质资源的再利用问题，消除其造成的环境污染和生态危害。

１纤维素类物质的组成结构
常用的植物纤维原料有３类：针叶材、阔叶材、禾本科材，其中针叶材又称软木，如，杉和松；阔叶材又称硬木，如柳、杨和桦等；禾本科材如竹、芦苇、蔗渣、稻草、麦草和高粱秆等；其他韧皮纤维原料，如构皮、桑皮麻类，以及叶部纤维原料，如甘蔗叶、龙须草等。

木质生物质主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等。

纤维素是由β、Ｄ－葡萄糖基通过１，４－糖苷键联结而成的线状高分子化合物，其基本组成单位是纤维二糖。

纤维素分子中的β、Ｄ－葡萄糖基含量即为纤维素分子的聚合度。

草本纤维的聚合度较低。

半纤维素是戊糖（木糖、阿拉伯糖）、己糖（甘露糖、葡萄糖、半乳糖）和糖酸所组成的不均一聚糖，为异质多糖，结构与纤维素不同。

硬木半纤维素中含有较多的木聚糖，但软木半纤维素中则含有较多的葡甘露聚糖。

木质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键、碳—碳键连接而成的芳香族高分子化合物。

纤维素在生长状态下都被半纤维素和木质素包裹着，因此，原料中半纤维素和木质素的含量差异，会影响纤维素的降解程度。

木质纤维原料中的纤维素一般含量为４０％￣６０％
（干基计），半纤维素含量为２０％￣４０％，木质素含量
为１０％￣２５％，还有少量其他化学成分。

目前研究较多的原材料的纤维素组成，如小麦秸秆的纤维素含量为６５％，半纤维素含量为１１．５％，木质素含量为１８．２％；稻草的主要组成为：水７．０６％，纤维素３９．２２％，半纤维素１６．９４％，木质素１０．２５％，灰分
收稿日期：２００８－０１－１４
作者简介：李德莹（１９７３－
），女，湖北人，讲师，研究方向：生物化工。

第２期（总第１２７期）农产品加工・学刊
Ｎｏ．２２００８年２月
ＡｃａｄｅｍｉｃＰｅｒｉｏｄｉｃａｌｏｆＦａｒｍＰｒｏｄｕｃｔｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
Ｆｅｂ．
文章编号：１６７１－９６４６（２００８）０２－００５５－０４
酶法水解木质纤维素预处理工艺进展
李德莹１，龚大春１，
２
（１．三峡大学化学与生命科学学院，湖北宜昌４４３００２；
２．三峡大学艾伦．麦克德尔米德再生能源研究所，湖北宜昌４４３００２）
摘要：预处理工艺是燃料乙醇生产过程成本居高不下的重要原因之一。

酶法水解木质纤维素的预处理工艺包括物理法、化学法、生物法，主要是回收其中的纤维素，而生物量全利用则指出，预处理过程应将木质纤维素分离成多种组分，并分别加以利用。

关键词：木质纤维素；纤维素酶；预处理中图分类号：ＴＱ０３３
文献标志码：Ａ
ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＰｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＬｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｂｙＥｎｚｙｍｏｌｙｓｉｓ
ＬｉＤｅｙｉｎｇ１，ＧｏｎｇＤａｃｈｕｎ１，２
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅ，ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｃｈａｎｇ，Ｈｕｂｅｉ４４３００２，Ｃｈｉｎａ；
２．ＡｌａｎＭａｃＤｉａｒｍｉｄＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｃｈａｎｇ，Ｈｕｂｅｉ４４３００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓａｒｅａｓｏｎｏｆｈｉｇｈｃｏｓｔｏｆｆｕｅｌｅｔｈａｎｏｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｉｎｖｏｌｖｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ，ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ，ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓ，ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｓｍａｉｎｌｙｒｅｃｌａｉｍｅｄａｎｄｕｔｉｌｉｚｅｄ．Ａｎｅｗｏｒｄｅｒｏｆｂｉｏｍａｓｓｔｏｔａｌｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｓｔｏｍａｋｅｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅｅａｃｈｆｒａｃｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；ｃｅｌｌｕｌａｓｅ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ
农产品加工・学刊２００８年第２期
１２．４１％，其他１４．１２％。

不同原料的木质素含量及组成也不同，软木的木质素含量最高，约３０％（干基）；禾本科的木质素含量较低，约２０％或更低；硬木的木质素含量介于二者之间。

在原材料的选择上，可以考虑以木质纤维素产量和含量高、木质素含量低作为理想选材［１］。

２纤维素的酶水解
将木质生物质生物转化为乙醇，一般包括纤维素预处理、水解糖化和发酵等步骤。

纤维素水解一般分为酸水解和酶水解。

相对而言，酶水解所含有的对发酵的抑制物较少，发酵产乙醇的量要高于酸水解，而后者含有较多的副产物（乙酸、糠醛等），对发酵过程有抑制作用，需要进行脱毒处理，且水解过程需要在高温高压下进行［２］。

因此，目前比较倾向于采用酶水解的方法。

纤维素的酶水解主要是利用纤维素酶将纤维素、半纤维素转化为可被利用的葡萄糖和戊糖［３］。

纤维素酶包括多种水解酶，构成了一个复杂的纤维素酶系。

按其性质可将纤维素酶分为３类：①葡聚糖内切酶（简称ＥＧ），这类酶作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β－１，４糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素。

②葡聚糖外切酶（简称ＣＢＨ），或称微晶纤维素酶、纤维二糖水解酶或Ｃ１酶。

这类酶作用于纤维素分子末端，水解β－１，４糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子。

③β－葡萄糖苷酶（简称ＢＧ），或称纤维素二糖酶。

这类酶将纤维二糖水解成葡萄糖分子，虽然它对纤维素无作用，但它可以消除上述两种酶催化反应的终产物对反应的抑制作用，从而加快反应速度。

Ｎｇｕｙｅｎ［４］通过建立用于评价木材酶水解过程中技术和经济指标的综合模型，指出对燃料乙醇成本影响最大的参数依次为：木材成本、酶成本、纤维素酶解率、木糖发酵乙醇的产率、分馏效率和木质素副产品的售价等。

由此可见，纤维素的酶水解在木质生物质原料转化为燃料乙醇的环节中的重要地位。

酶的成本来自两方面：①酶的培养过程周期长，产酶量低；②酶活低，水解过程中酶的用量大。

水解问题非常复杂，因为该过程要涉及多种纤维素酶，其效率主要取决于底物的预处理。

通过预处理，改变纤维素分子结构，破坏纤维素的结晶结构，解除木质素对于纤维素和半纤维素的缠绕，增加酶与底物的可及性，提高酶解率。

若纤维素酶能有效地把纤维素水解为萄葡糖和其他糖类，则可在一定程度上降低纤维素酶的使用成本，使纤维素酶不再成为生物质乙醇燃料商业化推广的制约因素。

３纤维素的预处理
影响酶解糖化过程中的糖化效率、糖化速度和水解糖成分的重要因素，是木质纤维素中的木质素和半纤维素成分，因此对木质纤维素进行预处理以去除半纤维素和木质素对糖化的影响，是目前纤维质原料生产燃料乙醇的关键技术。

纤维素的预处理过程主要从两个方向着手，一是破坏木质纤维素的聚合度，在结构上解除木质素对于纤维素的缠绕；二是降低木质素含量，利用微生物消化木质素，化学法去除半纤维素和木质素，以提高秸秆的糖化效率，加快其糖化进程。

３．１物理法
使用比较多的物理预处理法有以下几种。

３．１．１预冷、预热法
纤维素在水悬浮液中反复冷冻和融化（降至温度－７５℃），可以减少颗粒大小，改变其结晶程度。

但该法能耗太高，大生产规模应用不经济。

Ｋａｒｉｎ将干燥的玉米秸秆使用温度１００℃饱和蒸汽预浸３０ｍｉｎ，然后浸入冷水以降低温度。

试验发现处理过的玉米秸秆的形态与干燥的秸秆形态有所不同，出现了一些坍塌的小孔，并且小孔的大小会影响随后的酶水解效果。

３．１．２机械粉碎法
机械粉碎主要是将原料研磨和粉碎，使原料的尺寸变小，结晶度降低，平均聚合度变小，原料的水溶性组分增加，通过增大纤维素原料的比表面积，使纤维素酶的结合位点增多，从而达到提高酶解产糖率的作用。

该过程的作用与粉碎的程度有关。

有报道［５］指出，机械粉碎可以破坏木质素和半纤维素与纤维素的结合层，降低三者的结晶度，改变纤维素的结晶构造。

实验表明，当将物料粉碎至４００目或更小时，可使直接进行酶解的作用效率大幅度提高，但粉碎的粒度太小，从经济上考虑不可行。

有报道［５］指出，机械粉碎可以破坏木质素和半纤维素与纤维素的结合层，降低三者的结晶度，改变纤维素的结晶构造。

３．１．３微波和超声波处理法
微波是一种频率为３００ＭＨｚ￣３０００ＧＨｚ的具有穿透特性的电磁波，其方向和大小随着时间作周期性变化，具有反应速度快、产率高、价格低廉及对环境友好的特点。

微波处理可以降解木质素和半纤维素，但结晶区尺寸增大，增加纤维素的可及度，其实质是在一个高温下，半纤维素分解出少量的醋酸而催化纤维素原料自水解的过程。

目前微波处理纤维素原料还仅仅停留在实验室阶段，如将红松、蔗渣、稻草、花生壳等放在密闭容器里进行微波处理，维持温度１６０￣１８０℃，糖化效果明显。

超声波是频率大于２０ｋＨｚ以上的声波，由于其频率高，波长短，因而具有方向性好、功率大、穿透力强、可引起空化作用等特点。

实验发现超声波能有效破坏纤维素分子的氢键，降低其结晶度和规整度。

３．１．４蒸汽爆破法
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２００８年第２期
蒸汽爆破目前被认为是最有效的预处理方式，该法的化学试剂消耗和能量消耗较低。

将原料采用高压蒸汽加热，然后突然减压，导致纤维素物理化学性质发生变化；高压蒸汽渗入纤维内部，以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来，使纤维发生一定的机械断裂，同时高温高压加剧纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟基，使纤维素内的有序结构发生变化。

经蒸汽爆破后，半纤维素被水解为低分子物质，部分木质素被溶解，木质素与纤维素分离，纤维疏松，形成多孔性，使纤维素酶与纤维素的可及性大大增加。

但是水解物中除了可发酵糖外，还有一些弱酸、呋喃、酚类衍生物等对纤维素酶有抑制作用或对酵母有毒害的物质［６￣８］。

一般情况下，蒸汽爆破的条件是，原料用蒸汽加热至温度１８０￣２００℃，维持５￣３０ｍｉｎ，或者加热到温度２４５℃，维持０．５￣２ｍｉｎ。

处理时间随加热温度和压力的增大而减小，如对白杨木，可在温度２１４℃下处理６ｍｉｎ［９］。

蒸汽爆破技术经常用添加不同的化学药品来预浸原料，然后再用蒸汽爆破处理，可提高预处理过程中原料的利用率。

ＲｏｂｅｒｔＥｋｌｕｎｄ［１０］采用质量分数为１％的ＳＯ２，在１００ｋＰａ下将柳树枝预浸１５ｍｉｎ，然后在温度２０６℃下蒸汽处理１０ｍｉｎ，处理后的干基物料中含纤维素５５％。

酶解后基于原料中葡聚糖的量，葡萄糖的得率可达９５％。

３．２化学法
化学预处理法主要是用酸、碱、有机溶剂等除去半纤维素和木质素。

３．２．１酸法
通常采用稀酸（硫酸、磷酸等）处理。

高温下的稀酸处理可将半纤维素处理成可溶性糖（木糖、阿拉伯糖和其他糖），剩余物包括纤维素和其他木质素［１１］。

张继泉［１２］认为，在中等温度（１４０￣１９０℃）下，采用体积分数为０．５％￣１．０％的稀硫酸可以有效地将部分半纤维素水解溶于水中，并除去部分可溶性杂质，使处理过的样品中纤维素的比例上升。

半纤维素去除得越多，葡萄糖的得率越高。

同样使用稀酸处理稻草秸秆，发现当部分半纤维素水解后，稻草秸秆内部会产生一些孔穴，使酶反应的结合点数量增加，达到提高酶解产糖率的作用。

禾本科植物纤维的半纤维素绝大部分是木糖，因此稀酸处理后，水解液中的木糖可以被充分利用。

如同样用发酵法制取乙醇，但目前利用木糖产乙醇的菌株还需要深入进行研究；或者可用来生产低聚木糖和木糖醇等。

３．２．２碱法
纤维素被碱水溶液浸渍后，其木质素被裂解，纤维素则由于水化作用而发生膨胀，碱的浓度、反应温度及碱的洗脱方法在一定程度上影响了预处理的效率。

纤维素原料的碱处理一般采用稀ＮａＯＨ水溶液。

ＮａＯＨ有较强的脱木质素作用，通过皂化作用使纤维素、木质素和半纤维素之间的紧密结构遭到破坏，降低纤维素原料的结晶度，使酶水解糖化率显著提高。

李稳宏等人［１３］采用质量分数为１％的ＮａＯＨ溶液，在室温浸泡后进行纤维素酶解，可以获得较好的还原糖浓度。

鲁杰［１４］通过红外光谱分析，了解到物料在质量分数为１８％的ＮａＯＨ溶液中，以１０∶１的液固比，在温度１００℃微沸条件下作用３０ｍｉｎ，可使纤维素结晶区受到破坏，并且使其化学成分发生较大改变，物料半纤维素和木质素大部分被脱除，物料中纤维素明显得到润胀，所以使得纤维素酶易于渗透入纤维细胞，使得纤维易于酶解，然而其大分子结构并未发生改变。

碱法处理应避免激烈的作用条件，如高温（１２５℃）蒸煮可使麦秸纤维素分子中的某些空间构象发生了变化，破坏了纤维素酶和麦秸纤维素分子之间的结合点，从而阻碍了酶解过程的进行；而在比较温和的处理条件下，麦秸纤维素分子的空间构象不变，只是分子之间的结合紧密程度相对降低，因此达到了预处理的效果［１３］。

然而使用ＮａＯＨ存在一些问题，如价格较贵，难以回收和循环使用，这在一定程度上影响了其可行性。

液氨因具有挥发性易于回收而占有优势，其应用条件是质量分数为１０％￣１５％，温度为１５０￣１７０℃。

ＴａｅＨｙｕｎＫｉｍ［１５］用质量分数为１５％的液氨在温度１７０℃下处理玉米秸秆，木质素的脱除率可以达到７０％￣８５％，并且木质素的脱除速率很迅速，在１０ｍｉｎ内可以完成７０％，约４０％￣６０％的半纤维素也降解成为小分子，纤维素可保留９５％。

液氨处理可提高酶解速率的主要原因是增加了纤维素的表面积，以及纤维素多孔结构的形成，提高了其反应性能，且葡聚糖的晶体结构并未发生改变。

使用液氨进行预处理还具有一个优势，即处理所需设备可与发酵设备兼容，并且样品中残留的氨在发酵过程中可作为营养物质被利用。

为了避免大量溶剂和能量消耗，液氨预处理也可在相对温和的条件下进行，如温度２５￣６０℃，压力１０１ｋＰａ。

但这样处理后大部分半纤维素仍保留在固体样品中，因为去除了酶解过程主要的障碍——
—木质素，若随后的酶解过程使用的纤维素酶具有较高的木聚糖酶活力，也能得到较好效果。

木质纤维素的预处理过程实际是一个高聚物降解的过程，主要是水解过程。

考虑到微波可以加速水解反应过程，近年来有使用微波辅助碱处理［１６］的，如将稻草在质量分数为１％的ＮａＯＨ溶液中，经７００Ｗ微波处理６ｍｉｎ，还原糖得率最高。

３．３生物法
生物预处理法主要是采用白腐真菌或木质素降解酶等对纤维素原料进行预处理，降解纤维素原料中的木质素，从而提高纤维素的酶解效率［１７￣１８］。

采用由中
李德莹，等：酶法水解木质纤维素预处理工艺进展・５７・
农产品加工・学刊２００８年第２期
国农业科学院麻类加工与环保研究室选育并保藏的麻类脱胶高效菌株Ｋ５Ｌ菌株，对苎麻韧皮进行预处理，即利用微生物酶催化，分解、降解生苎麻中的非纤维素物质。

按２０％（对苎麻韧皮）的菌种接种量，将培养５￣６ｈ的高效菌株接种到生苎麻上，在温度３５℃左右条件下，静置湿润发酵６￣８ｈ即可。

白腐菌处理法作用条件温和、能耗低，但处理时间长，造成生产周期长，目前仍处在实验室阶段。

人们正在研究探讨使用基因工程技术对白腐菌进行改良，筛选不含纤维素酶、半纤维素酶的木质素降解菌，并有望实现工业化生产。

４结束语
在众多化学、物理、生物法预处理木质纤维素的方法中，对于预处理效果而言，以脱除半纤维素、木质素为目的的方法比较有效，而且其成本也较为合理。

稀硫酸、氨、ＮａＯＨ是人们比较倾向选择的预处理化学试剂；酸和蒸汽爆破预处理，主要是引起半纤维素的水解，可显著提高纤维的多孔性，而其多孔性产生主要取决于半纤维素的去除率［１９］，因此，纤维素的比表面积主要与半纤维素的去除率密切相关；碱处理主要是脱除木质素，前者的纤维素显微结构变化较小。

相比较而言，碱处理对于纤维结构破坏较大，这样有利于纤维素酶分子的作用。

即便是相同的预处理方法，因为原材料中的纤维素、半纤维素和木质素含量的差异，处理效果也会不同。

如液氨预处理一般对于硬木和农作物废弃物有较好的去木质素作用，但对于软木材料则效果较差。

因此在研究中需要了解与不同材料相适应的预处理工艺的一般规律，以期获得较高的处理效率，降低处理成本。

另外，传统的预处理思路局限于可转化为乙醇的纤维素的获得，对半纤维素、木质素的处理未予重视。

生物量全利用的观念［２０］提出，应该将木质素原料看作是由纤维素、半纤维素和木质素构成的混合物，预处理过程是将这３种组分分离、纯化，进而相应充分利用的过程，这样，从全局考虑，来自于原材料的成本就可以进一步有效降低。

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