黃 元， 王志敏*， 張宏森， 王風芹， 宋安東*

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學 生命學院農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點實驗室，河南 鄭州 450002；2. 河南農(nóng)業(yè)大學 理學院，河南 鄭州 450002）

木質(zhì)纖維素作為一類可再生資源，其來源廣泛、產(chǎn)量豐富。全球木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)產(chǎn)量每年約為2000億噸，其中農(nóng)作物秸稈是最主要的生物質(zhì)資源，中國的農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量居于世界之首，數(shù)量如此巨大的生物質(zhì)資源為生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用提供了充足的底物來源[1]。隨著目前能源危機的日益突出，生物質(zhì)資源的合理利用顯得尤為重要。農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)資源的合理利用不僅能變廢為寶緩解能源危機，而且解決了農(nóng)業(yè)環(huán)境污染，一舉兩得。

木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復雜，具有天然的抗降解屏障，因此預處理是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換過程中必不可少的環(huán)節(jié)。本文論述了芬頓反應應用于木質(zhì)纖維素預處理的研究現(xiàn)狀及進展，并對其發(fā)展前景進行了展望，旨在為芬頓預處理途徑的進一步優(yōu)化和后續(xù)研究提供借鑒和參考。

1 全球能源現(xiàn)狀及我國生物質(zhì)資源概況

隨著全球化石燃料資源的快速消耗和全球能源需求的不斷增加，迫使人們利用現(xiàn)有的可再生資源來替代日漸枯竭的化石能源，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是地球上最豐富的可再生資源，因此木質(zhì)纖維素資源的深度利用成為人們研究的重點。生物質(zhì)燃料是一種可再生的新能源，開發(fā)利用生物質(zhì)燃料不僅能緩解能源危機，同時也可以減輕環(huán)境污染[2]。而生物質(zhì)能源因其可再生、清潔低碳、易于獲取及利用形式多樣等優(yōu)點被認為是全球繼石油、煤炭、天然氣之后的第四大能源[3]。木質(zhì)纖維素資源取之不盡用之不竭，充分開發(fā)和利用好這些生物質(zhì)資源，是緩解能源危機的重要途徑，因此，開發(fā)生物質(zhì)資源利用技術(shù)成為當前的一大熱點。

我國作為農(nóng)業(yè)大國生物質(zhì)資源豐富, 每年生物質(zhì)廢棄物大約50億噸，是我國石化能源消耗量的4倍左右，而目前將其作為能源利用的約占其總產(chǎn)量的 0.76%[4]。我國各種生物質(zhì)秸稈資源豐富，其開發(fā)利用潛力巨大。然而這些可再生的生物質(zhì)資源長期以來沒有得到重視和充分的利用，大部分的秸稈被遺棄或者直接焚燒，浪費資源的同時也造成了環(huán)境污染。同時我國也是一個能源消耗大國，能源消耗持續(xù)增加，石油消耗量猛增，同時對外依存度也在不斷增長，預計到2020年將會超過60%，到2030年會增至65%以上[5]。我國的生物質(zhì)資源豐富，據(jù)統(tǒng)計，每年我國農(nóng)作物秸稈的收集量約為4.5億噸，折合標準煤1.8億噸。預計到2020年，農(nóng)林廢棄物約折合11.65億噸標煤, 可開發(fā)量約合8.3億噸標準煤[6]。通過開發(fā)和使用生物質(zhì)能替代化石能源，是我國發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的長期目標。我國生物質(zhì)能應用規(guī)模與發(fā)展目標如表1所示。

表1 我國生物質(zhì)能應用規(guī)模與發(fā)展目標

2 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的資源轉(zhuǎn)化

2.1 生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化及其存在的問題

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)是一種結(jié)構(gòu)復雜的天然大分子化合物，由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大組成成分組成，此外還含有少量的蛋白質(zhì)、果膠、蠟質(zhì)和無機化合物[7]。木質(zhì)纖維素的一般組成如圖1所示[8]。

圖1 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料的一般組成圖

木質(zhì)纖維素中含有大量的纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素成分，其中纖維素和半纖維素是潛在的燃料生產(chǎn)原料。木質(zhì)纖維素水解后產(chǎn)生的葡萄糖，木糖等可用于生產(chǎn)乙醇、丁醇以及生物柴油。

木質(zhì)纖維素復雜的結(jié)構(gòu)保護自身的同時也給生物質(zhì)資源的轉(zhuǎn)化帶來了一些困難。由于植物在進化過程中演變出了復雜的化學結(jié)構(gòu)，形成了多種緊密的保護性屏障，用來抵御外界微生物和不良環(huán)境對其結(jié)構(gòu)的破壞[9]。其中纖維素和半纖維素共同組成碳水化合物聚合物，而木質(zhì)素將碳水化合物包裹在里面，形成木質(zhì)素碳水化合物復合物[10]。纖維素被包裹在里面，使其很難被充分利用。所以需要先破壞木質(zhì)纖維素的這種“保護性”結(jié)構(gòu)。因此預處理是打破木質(zhì)素和半纖維素的包裹作用，破壞纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的必要工藝[11]。

預處理是采用物理、化學的方法對木質(zhì)纖維素進行處理，起到破壞其緊密結(jié)構(gòu)的作用。預處理技術(shù)是制約木質(zhì)纖維素生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化和深度利用的瓶頸之一，是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟，也是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。

2.2 木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的預處理

為了破壞木質(zhì)纖維素的這種抗性屏障，預處理成為提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化和深度利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。預處理過程主要是為了降低生物質(zhì)的酶解抗性屏障，增加原料的孔隙，從而更好的利用底物[12]。根據(jù)處理方式不同，可分為物理預處理、化學預處理、生物預處理和理化結(jié)合預處理[13-14]。

物理預處理主要有機械粉碎、熱解等，其能有效提高酶解效果，但是需要額外的提供大量的能量；化學預處理的方法主要有酸、堿、有機溶劑預處理等。酸法是研究得最早、最深入的化學預處理方法，但是其腐蝕性大，后期中和需消耗大量的堿，因此受到限制[15]。同時化學預處理過程會產(chǎn)生較多的抑制物；物理-化學預處理的方法主要有：蒸汽爆破、氨纖維爆破、CO2爆破、甘油協(xié)同蒸汽爆破、高溫液態(tài)水等，蒸汽爆破預處理在去除半纖維素的同時也會產(chǎn)生很多抑制物，不利于后續(xù)的酶解和微生物發(fā)酵。

生物預處理主要是利用可以分解木質(zhì)素的生物如真菌、細菌、白蟻等，利用它們自身代謝過程來降解木質(zhì)纖維素。但是真菌預處理的缺點是效率比較低，碳水化合物損失比較大以及處理時間較長[16]。目前已知的白腐菌、褐腐菌等很多微生物能降解木質(zhì)素，但是酶活性太低，反應時間太長，很難應用于工業(yè)生產(chǎn)。

3 芬頓反應在生物質(zhì)預處理中的應用

傳統(tǒng)的理化預處理都會產(chǎn)生對后續(xù)酶解和微生物發(fā)酵有抑制作用的呋喃、羥甲基糠醛和甲酸、乙酸等小分子酸類，抑制了微生物的發(fā)酵，同時也降低了生物質(zhì)資源的利用效率[17-18]，而生物預處理由于酶活性太低，反應時間太長很難應用于工業(yè)生產(chǎn)，因此探索出一條處理過程不會產(chǎn)生抑制物，同時綠色環(huán)保、經(jīng)濟、高效的預處理途徑成為擺在人們面前的難題。

我國工業(yè)化進程不斷加強，2016年年底，全國發(fā)電裝機容量為1.645 75×109kW，其中，火電裝機容量1.053 88×109kW，占據(jù)主導地位。2005年起，為貫徹《中華人民共和國大氣污染防治法》，防止環(huán)境污染，以HJ 2001—2010《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范》[1]為標準進行煙囪設計。目前,我國多數(shù)煙囪都根據(jù)脫硫要求采用脫硫裝置[2]，便于符合環(huán)保要求。多管式或套筒式煙囪可以滿足磚煙囪達不到的脫硫高度限值和防腐蝕要求，國內(nèi)大型火電廠也大多趨向于采用這類煙囪。但多管式或套筒式煙囪設計較復雜，需要加強煙囪精細化設計、優(yōu)化設計，同時能批量完成工程設計提高效率。

白腐菌是目前已知的自然界中可以將木質(zhì)素徹底的化為水和二氧化碳的一類微生物[19]。白腐菌具有特殊的胞外酶系統(tǒng)和獨特的降解機制，能夠有效的降解和破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，降低木質(zhì)纖維素的酶解抗性屏障，提高酶的利用效率以及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，因此成為生物預處理的研究熱點。雖然白腐菌環(huán)境友好、低能耗的生物預處理技術(shù)可以降解和破壞生物質(zhì)原料的保護性屏障，提高木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化效率，但同時其預處理效率相對較低仍有待提高，白腐菌等生物預處理過程如何促進酶解增效的作用機制也有待進一步的研究和探索，因此很多的研究人員將目光投向生物質(zhì)預處理及其酶解增效機制的研究上，期待以生物預處理為基礎發(fā)展和探索出一條更經(jīng)濟、更高效的預處理方法。

受啟發(fā)于白腐菌生物降解木質(zhì)纖維素的反應，研究人員發(fā)現(xiàn)微生物降解木質(zhì)纖維素的過程與芬頓反應相似。芬頓反應可以在室溫下進行，不存在環(huán)境污染問題，同時具有能耗小、反應條件溫和、不會產(chǎn)生影響酶解和發(fā)酵的抑制物等優(yōu)點，逐漸被加以重視和應用。

3.1 芬頓化學的起源及其反應原理

芬頓化學起源于1894年，法國科學家Fenton發(fā)現(xiàn)在H2O2氧化酒石酸的實驗中，加入Fe2+能有效促進反應的進行，將酒石酸氧化[20]，如式（1）所示。

由H2O2/Fe2+組成的體系稱作芬頓試劑，將芬頓試劑參與的反應稱為芬頓反應。隨著后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)這種催化作用是由于芬頓反應產(chǎn)生了具有強氧化性的羥自由基（·OH），從而引起了酒石酸的迅速氧化。芬頓反應是一種溫和的無機反應過程，過氧化氫與二價鐵離子混合組成的芬頓試劑能將很多已知的有機化合物如羧酸、醇、酯類等無選擇的氧化為無機態(tài)，氧化效果特別顯著，具有去除難以降解的有機污染物的能力。同時芬頓氧化技術(shù)具有反映快速、設備簡單、高效、成本低廉、技術(shù)要求低等優(yōu)點，被廣泛的應用于工業(yè)廢水處理的研究中[21-23]。例如在印染廢水、含酚、含油廢水、二苯胺廢水、含硝基苯廢水等的處理中被廣泛應用。芬頓反應在 pH＝3～5時反應如式（2）、（3）所示[24]。

此反應生成的·OH具有很高的氧化還原電位（2.8 V），能奪取纖維素等有機物中的氫原子，從而導致有機物降解。Fenton反應是一種常用的高級氧化技術(shù)，具有操作簡單、運行成本低且對環(huán)境友好等優(yōu)點，目前主要應用于污水和有機物的處理中，由于芬頓試劑中Fe2+的存在，pH＝2時，由于溶液中的H+濃度過高，三價鐵難以還原為二價鐵，從而減緩了催化反應過程，降低了芬頓試劑的氧化能力；pH＝8～10時，溶液為堿性，此時部分Fe2+被氧化為Fe(OH)3形成沉淀，而且溫度越高該反應進行的越迅速和徹底，而Fe3+的催化效果遠不如Fe2+[25]。芬頓反應中主要的限制因素是Fe2+濃度的不斷降低，從而導致無法繼續(xù)產(chǎn)生高濃度的羥自由基，因此催化反應受限。

3.2 芬頓反應用于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預處理

研究人員通過對生物預處理及其酶解增效機制的深入研究和探索發(fā)現(xiàn)微生物降解木質(zhì)纖維素的過程與芬頓反應相似，便開始逐漸的將芬頓反應應用于木質(zhì)纖維素的降解中，并不斷的對其進行優(yōu)化和補充，希望能探索出一條更經(jīng)濟、更高效的生物質(zhì)預處理方法。

20世紀60年代HaliWar等[26]發(fā)現(xiàn)由芬頓反應產(chǎn)生的·OH降解木質(zhì)纖維素與微生物降解相似。已經(jīng)被揭露的白腐真菌，如黃孢原毛平革菌、褐腐真菌、密褐腐菌，它們是芬頓（鐵/過氧化物）化學法在體內(nèi)化學預處理中應用的一個例子[27]。人們研究褐腐菌降解木質(zhì)纖維素時發(fā)現(xiàn)其能產(chǎn)生過氧化物酶，其中有鐵作為催化中心，它通過過氧化氫催化分解亞鐵離子，生成羥基自由基緩慢降解木質(zhì)素，類似于芬頓反應[28]。

Prateek Jain等[31]用濃度為0.5 mM Fe2+和2.0% H2O2的優(yōu)化后的芬頓試劑反應48 h處理短絨棉，評價以芬頓反應作為棉花纖維素預處理方法的有效性，結(jié)果顯示酶活達到了 0.717，這表明芬頓試劑氧化了各種纖維素材料表面的保護性物質(zhì)，增加了纖維素的可及度，從而增強了纖維素酶的酶解效果；Jung等[32]利用芬頓反應來模擬自然界中真菌降解木材等木質(zhì)纖維素原料，使其腐朽的過程，在這項研究中，芬頓反應是自然界中真菌降解木質(zhì)素，使木材腐朽的反應過程，其采用優(yōu)化后的芬頓試劑（H2O2/Fe2+）配比，在25℃常溫下，以稻草為實驗原料選擇相對較高的負載量[即10%（w/V）]進行預處理，采用芬頓預處理體系提高酶解得率，然后用于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的糖化，實驗結(jié)果表明芬頓處理后酶解得率達到了理論葡萄糖產(chǎn)率的93.2%，說明芬頓反應過程是一個經(jīng)濟、高效的預處理過程，可以通過取代傳統(tǒng)的預處理來實現(xiàn)纖維素燃料和化學產(chǎn)品的實質(zhì)性改進和產(chǎn)量的提高。

Kato等[33]以柳枝稷、開關(guān)草、玉米秸稈、小麥秸稈為原料模擬白腐菌和褐腐菌體內(nèi)發(fā)生的降解木質(zhì)纖維素的反應，對以上四種不同生活環(huán)境的生物質(zhì)材料進行了溶液相芬頓處理，首先配制了 12.5 mol/L的FeCl2和1.76 mol/L的H2O2溶液，處理條件為：10 g生物質(zhì)原料中加入100 mL上述FeCl2溶液和100 mL上述 H2O2溶液，處理時間為 120 h，后續(xù)結(jié)果表明四種生物質(zhì)材料經(jīng)芬頓預處理后酶解效率平均提高了212%，其中柳枝稷的預處理效果最明顯，酶解液糖含量提高了414%，玉米秸稈提高效率最低僅提高了80%；實驗結(jié)果表明溶液相芬頓化學是一種可行的預處理方法，使纖維素更可被利用，同時提高生物乙醇轉(zhuǎn)化效率。其推測是由于去木質(zhì)化引起的酶解效果增強，但隨后的結(jié)果表明芬頓處理前后四種實驗原料的木質(zhì)素含量變化不大，該推測不成立，芬頓預處理生物質(zhì)的作用機制有待進一步的探索。

溶液相芬頓化學是一種可行的生物質(zhì)預處理方法，然而，單一的芬頓處理不能達到與稀酸處理同樣的效果。與單一芬頓氧化相比，芬頓結(jié)合其它預處理工藝能顯著提高預處理效果縮短反應時間。近年來芬頓協(xié)同其它預處理工藝的組合預處理方法得到了研究人員的關(guān)注。

最近，一些研究人員使用了芬頓氧化與化學預處理（稀酸或堿渣）相結(jié)合的預處理方法在玉米秸稈、麥秸等農(nóng)業(yè)廢棄物上應用[34-35]。Jeong等[36]所做的Fenton結(jié)合水熱預處理混合硬木的實驗中對照組生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化率為 64.41%～67.92%，實驗組為芬頓反應在 210℃下處理 10分鐘，其生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率最高時為79.54%，與稀酸預處理的效果相似；Ninomiya等[37]利用芬頓和聲催化反應預處理木質(zhì)纖維素原料并對其進行后續(xù)的酶解實驗，證明了聲催化-芬頓反應增強了·OH自由基生成并將其應用在木質(zhì)素降解中；Zhang Mei-Fang等[38]將芬頓與超聲波聯(lián)合應用于微晶纖維素的預處理，設置了幾組對照實驗：未處理、芬頓處理、超聲處理以及芬頓協(xié)調(diào)超聲處理，并對處理后的微晶纖維素的后續(xù)酶水解進行了研究，通過形態(tài)分析表明預處理后微晶纖維素的縱橫比大大降低，X-射線衍射分析表明，芬頓試劑能更有效地降低微晶纖維素的結(jié)晶度。芬頓和超聲協(xié)同作用時，結(jié)晶度和聚合度在四個實驗組中均最低，分別為（84.8%±0.2%）和（124.7±0.6），最后酶解實驗結(jié)果表明，未處理樣品的還原糖產(chǎn)率為32.38 g/100 g；而Fenton、超聲、超聲/Fenton處理后樣品還原糖產(chǎn)率分別為44.39、39.18和47.41 g/100 g，實驗結(jié)果表明經(jīng)處理后原料還原糖得率有較大程度提升，其中芬頓協(xié)同超聲預處理效果最好。

芬頓協(xié)同其它預處理方法共同處理木質(zhì)纖維素是一種很好的預處理途徑，能顯著提高木質(zhì)纖維素的預處理效果，同時能縮短處理的時間，組合預處理工藝比任何單一工藝都能獲得更好的效果，上述芬頓協(xié)同超聲以及芬頓協(xié)同化學預處理的研究就是一個很好的例子，因此芬頓協(xié)同其它方法的組合預處理工藝也越來越受人們關(guān)注。

芬頓反應發(fā)生在溫和條件下，因此被認為是一種對環(huán)境友好、低能耗過程[39,32]。同時芬頓反應過程中不會產(chǎn)生抑制后續(xù)酶解和微生物發(fā)酵的有毒物質(zhì)，還具有反應快、易于操作、成本低等優(yōu)點，因此逐漸的被越來越多的研究人員所重視并加以探索。然而芬頓預處理生物質(zhì)也存在著一些問題，例如需要不斷的投入過氧化氫和亞鐵鹽試劑，用以啟動芬頓反應產(chǎn)生羥自由基，因此會使用大量的過氧化氫和亞鐵鹽。標準芬頓氧化方法操作簡單，方便快捷，但亞鐵離子和過氧化氫不能被回收繼續(xù)使用，而且處理成本相對較高、有機物的降解也不夠充分。鑒于芬頓處理技術(shù)在實際應用中的一些缺點，研究人員在芬頓反應的基礎上開發(fā)出了許多類芬頓反應技術(shù)[40]。這些類芬頓技術(shù)可以有針對性的克服常規(guī)芬頓法存在的一些問題，降低鐵鹽和過氧化氫的用量，達到更有效、更經(jīng)濟的處理效果[41]。隨著芬頓氧化技術(shù)的不斷發(fā)展，芬頓試劑法已發(fā)展出了許多分支，如光-Fenton 試劑法、電-Fenton法等[42]，隨著類芬頓技術(shù)的不斷優(yōu)化和成熟，期待類芬頓技術(shù)能應用于木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的預處理上。

最近一些研究人員報道了通過芬頓催化劑（Fe3+，H2O2）模擬自然條件下木質(zhì)素的降解系統(tǒng)，在超臨界條件（7 MPa，250℃）下芬頓試劑能有效的促進木質(zhì)素的解聚，木質(zhì)素降解得到由單一芳烴和低聚芳烴組成的油狀液體，還有一些酚類、二羧酸及其衍生物，其產(chǎn)率高達（66±8.5）%。后續(xù)通過氣質(zhì)、31P核磁共振波譜和X-射線光電子能譜對芬頓試劑處理前后的木質(zhì)素材料的化學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)進行了研究，結(jié)果表明芬頓試劑主要是通過斷裂木質(zhì)素殘基間的β-O，促進木質(zhì)素解聚，降低木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中木質(zhì)素的分子量，破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的同時促進了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的酶解糖化[43]。

近幾年關(guān)于芬頓反應應用于生物質(zhì)預處理的報道越來越多，但是目前應用芬頓反應本身預處理木質(zhì)纖維素材料隨后進行酶解的報道有限[44]，芬頓反應預處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的作用機理尚不明確，有待進一步的探索和研究。目前已經(jīng)證實芬頓反應是一種綠色、高效的預處理途徑，而且發(fā)展出了很多形式多樣的芬頓預處理體系，但是針對于芬頓預處理過程中亞鐵鹽的大量使用，期待找到一種亞鐵鹽的替代品，減少亞鐵鹽使用的同時實現(xiàn)綠色、經(jīng)濟、高效的預處理效果。

4 展望

受啟發(fā)于白腐菌生物降解木質(zhì)纖維素的反應，F(xiàn)enton反應被應用于生物質(zhì)的預處理中，F(xiàn)enton反應具有反應條件溫和、綠色、不會產(chǎn)生影響后續(xù)酶解和發(fā)酵的抑制物等優(yōu)點，逐漸被加以重視和應用。本文分析了芬頓預處理應用于生物質(zhì)預處理的優(yōu)缺點以及目前急需解決的問題，指出了芬頓反應預處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的發(fā)展方向，并對其發(fā)展前景進行以下幾點展望：

1）研究發(fā)現(xiàn)Fenton預處理木質(zhì)纖維素，不僅能增強其酶解效果，同時能促進木質(zhì)素和半纖維素溫和、高效分離，然而其作用機制尚不明確，期待隨著研究的深入能夠探索出芬頓降解木質(zhì)纖維素促進酶解增效和木質(zhì)素、半纖維素高效分離的作用機制；

2）纖維素解聚的組合預處理工藝被認為是一種很有前途的方法，能克服單一預處理的缺點，同時提高產(chǎn)糖效率，減少抑制物的形成、縮短處理時間[8]，因此期望可以探索出一條以芬頓反應為基礎協(xié)同其它預處理方法的更高效、簡便、經(jīng)濟無污染的組合預處理途徑；

3）類芬頓技術(shù)的出現(xiàn)克服了常規(guī)芬頓法存在的一些問題例如鐵鹽的大量使用等，期待隨著類芬頓技術(shù)的不斷優(yōu)化和成熟，有朝一日類芬頓技術(shù)能應用于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預處理中，探索出一條更高效、經(jīng)濟的類芬頓預處理生物質(zhì)途徑。