祝元晨，李瓊梅，楊海艷

(西南林業(yè)大學，西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室，云南 昆明 650224)

在化石資源缺短、能源消耗巨大、環(huán)境問題突出的時代背景下，可再生的木質纖維生物質是生產液體燃料、化學品和材料的優(yōu)良原料。生物資源成為世界各國高度重視的國家戰(zhàn)略資源，其中生物質能的開發(fā)利用受到高度重視。生物質能是指將生物質資源轉化生成的液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)的能源產品，主要包括燃料乙醇、生物柴油、成型顆粒固體燃料、生物天然氣、生物質氣化和生物產氫。其中，燃料乙醇是生產技術最成熟、應用規(guī)模最大和商業(yè)化程度最高的生物燃料，它已成為替代石油、減少溫室氣體排放和促進農村經濟的新的經濟增長點，世界各國先后制定了燃料乙醇的發(fā)展規(guī)劃。眾所周知，一代燃料乙醇主要來自于淀粉類原料，其開發(fā)利用可能引發(fā)糧食危機。因此，來源于木質纖維的二代燃料乙醇成為的研究的焦點。在我國，每年農區(qū)秸桿和果樹修枝產生的木質纖維生物質約5億噸，林區(qū)可收集利用的枝椏材約3～5億噸，有效地將農林剩余物轉化成為生物質能源在維護國家能源安全方面具有重要意義[1]。

1 木質纖維及其預處理技術

1.1 木質纖維

木質纖維素類原料是生產燃料乙醇最主要的潛在原料，木質纖維素類原料主要包括纖維素、半纖維素和木質素三種成份。在植物細胞壁中，這三種物質緊密結合在一起，為植物提供了優(yōu)良的物理性能，并抵抗著外界環(huán)境的侵襲。其中，纖維素是細胞壁中最主要的組成部分，由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4-糖苷鍵相連而形成。在纖維素分子上每個葡萄糖單元含有3個游離羥基，這些羥基能與相鄰葡萄糖基的羥基形成氫鍵，強大的氫鍵網絡使纖維素具有不同的形態(tài)結構、剛性和溶解性。纖維素高度規(guī)則的結構使其難以被酶或化學試劑水解，因此纖維素的利用需要經過有效的預處理技術破壞其規(guī)則的結構、提高其可及度。半纖維素是自然界中含量僅次于纖維素的天然高分子聚合物，大量存在于植物細胞壁中，它不是一種均一聚糖，而是一群復合聚糖的總稱。在細胞壁結構中，半纖維素嵌入纖維素的微纖絲之間，將纖維素微纖絲緊密聯(lián)接在一起為細胞壁的陣列提供機械強度。原子力顯微鏡(AFM)觀測小麥秸桿發(fā)現(xiàn)半纖維素垂直于纖維素微纖絲分布形成網絡結構，尺寸約5～10 nm[2]。此外，半纖維素與木素之間的化學鍵結合對纖維素形成進一步的包裹。木質素在植物組織中具有增強植物體機械強度、輔助輸導組織水分運輸和抵抗不良外界環(huán)境侵襲的作用。它是由高度取代的苯基丙烷單元隨機聚合而成的高分子，與纖維素和半纖維素一起形成植物細胞壁骨架。根據植物原料的不同，木質素芳香核部分主要有三種結構：愈瘡木酚基丙烷(G)、紫丁香基丙烷(S)和對-羥苯基丙烷結構(H)[3]。在木質纖維的后續(xù)利用過程中，木質素將阻礙酶與纖維素的結合，且不同結構的木質素與纖維素酶之間的相互作用力不同。

1.2 預處理技術

纖維素基乙醇的生物制備過程中，可發(fā)酵糖是生產乙醇的物質基礎，而物料中碳水化合物至可發(fā)酵糖的酶解轉化效率受物料成份、結構等因素的影響。木質纖維生物質結構復雜具有天然的抗降解屏障，能夠阻礙微生物和酶的浸入及對其有效組份的降解。因此，木質纖維原料的生物轉化需有效的預處理技術減少原料的抗降解屏障、增加物料比表面積、提高物料可及度，進而提高有效組份的酶解轉化效率。目前，常用的預處理技術有物理法、化學法、生物法等，其中酸性條件預處理能有效去除物料中的半纖維素組份、打破纖維素結晶結構、提高物料可及度促進纖維素的生物轉化。在預處理技術中，處于酸性環(huán)境的處理技術主要包括：稀酸預處理、蒸汽爆破處理和水熱處理。

稀酸處理，常用酸濃為0.1%～2.0%，需在高溫高壓條件下才能獲得較好的處理效率，且處理效率與酸類型、酸濃度、料液比和處理溫度密切相關。目前，在木質纖維生物質酸處理過程中常用的酸為：硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、鹽酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、過氧乙酸(CH3COOOH)和甲酸(HCOOH)等，其中，H2SO4催化效率較高。高溫稀酸處理有利于脫除半纖維素提高纖維素水解效率，但此條件下半纖維素易降解生成木糖、甘露糖、甲酸、半乳糖、葡萄糖等單糖或低聚糖，或進一步降解生成糠酸、5-羥甲基糠醛(HMF)、甲酸和乙酰丙酸等物質[4]。

蒸汽爆破是一種物理-化學處理技術并已得到廣泛應用，典型的蒸汽爆破工藝為通入熱蒸汽將物料加熱至160～260 ℃(相應壓力約0.69～4.83 MPa)并保持數(shù)秒至數(shù)分鐘后將蒸汽迅速釋放降至常壓。蒸汽是有效的熱載體能迅速將物料加熱并滲入物料空隙，經壓力的瞬間釋放可打破細胞壁結構。影響蒸汽爆破處理效率的主要因素有維壓時間、處理溫度、物料尺寸、水分含量和物料種類等。蒸汽爆破處理同樣導致碳水化合物和木質素的降解。此外，為提高蒸汽爆破處理效率還添加酸性催化劑，如SO2、H2SO4和H3PO4等。

水熱處理以水為介質，不添加化學試劑在高溫(130～240 ℃)下以密閉條件保持相應的壓力對物料處理。高壓高溫條件下，水發(fā)生離子化并催化降解半纖維素和部分木質素。當溫度升高至150 ℃以上時，半纖維素開始溶出，乙?；ф溍撀湫纬梢宜崾贵w系pH值下降，進一步催化半纖維素的降解。相比于酸性處理，水熱處理過程中生成的降解產物含量較少，其類型和含量取決于處理條件和木質纖維生物質類型。此外，水熱處理可打破纖維素分子間氫鍵、切斷半纖維素和木質素部分官能團，從而提高纖維素酶水解效率。但隨著處理溫度的升高，碳水化合物和木質素可進一步降解并縮合。

2 假木質素及其對纖維素酶的影響

2.1 降解產物類型

在木質纖維預處理過程中半纖維素和木質素的降解不可避免，根據原料種類、預處理技術的差異，木質纖維降解產物主要分為：碳水化合物降解產物、木質素降解產物和抽出物。酸性條件下，碳水化合物降解產物主要有糖類(木糖、葡萄糖、甘露糖、低聚糖)、有機酸(甲酸、乙酸、乙酰丙酸)和呋喃類化學(糠醛和五羥甲基糠醛)等[5]；木質素降解產物有：4-羥基苯甲酸、4-羥基苯甲醛、香草醛、松柏醛、紫丁香醛、紫丁香酸、對香豆酸等。水解液中還檢測到對苯二酚和鄰苯二酚，這類物質可進一步氧化生成苯醌[6]。

2.2 假木質素

糖類在高溫酸性條件下的反應產物分析發(fā)現(xiàn)，五碳糖和六碳糖降解后分別生成糠醛和五羥甲基糠醛[7]。在持續(xù)的高溫酸性條件下，木糖的部分降解產物可進一步反應，生成具有芳環(huán)結構的3,8-二羥基-2-甲基色酮(3,8-dihydroxy-2-methylchromone，DMC)。六碳糖降解形成的五羥甲基糠醛呋喃環(huán)可開環(huán)再閉合可形成更為穩(wěn)定的苯環(huán)結構1,2,4-苯三醇(1,2,4-benzenetriol，BTO)?，F(xiàn)已查明，DMC和BTO是木質纖維預處理過程中形成假木質素最重要的中間產物。DMC具有羥基、酮基及苯環(huán)活性官能團可與體系中降解物質進一步反應形成大分子。BTO在H+催化作用下其芳環(huán)可迅速發(fā)生親核取代反應，繼而形成具有三維立體結構的物質；當體系中含有氧氣時，BTO還可氧化聚合形成類似于聚苯結構的物質。當體系中存在二甲亞砜時可影響五羥甲基糠醛與水之間的相互作用，避免糊化生成聚苯結構的物質[8-9]。在高溫酸性條件下碳水化合物降解再聚合形成的這類物質具有三維立體結構，官能團類型與木質素相似，通常稱為假木質素。

高溫/酸性條件的預處理技術的降解產物產量隨著處理強度的加劇而增加。這類化合物在酸性高溫條件下可進一步縮合生成酸不溶的化合物附著于物料表面。楊木經1% H2SO4于160 ℃處理30 min后物料表面木糖含量降低，物料中酸不溶木質素含量增加[10]。即使采用不含木質素的綜纖維素為原料，稀酸處理后物料中的克拉森木質素含量依然增加[11-12]。這一現(xiàn)象說明，增加的克拉森木質素主要來源于碳水化合物。假木質素的形成也與預處理條件相關，楊木水熱170 ℃處理1 h后在高溫條件下進行固液分離時固體物料中幾乎不含假木質素；而在降溫后再進行固液分離時假木質素得率為1.96%[12]。X-射線電子能譜顯示，綠竹綜纖維素經水熱處理后生成的假木質素比綠竹酶木質素具有更多的環(huán)狀結構和羥基結構[13]。

2.3 假木質素對纖維酶的抑制作用

纖維素生物轉化過程中纖維素酶的催化效率受物組成、料表面形態(tài)、纖維素結晶度、木質素含量和抑制物含量等諸多因素的影響。在抑制物中假木質素對纖維素酶具有抑制作用，含有假木質素的綜纖維素酶水解效率低于綜纖維素本身的酶水解效率，當假木質素含量達到40%時，纖維素酶水解效率下降了37.8%[14]。與木質素的抑制作用相比，假木質素的存在將使纖維素的最終轉化效率降低[15]。對比研究假木質素和稀酸處理后的殘余結構發(fā)現(xiàn)，假木質素具有較低的表面電荷、疏水性、結合能，因此假木質素對纖維素酶的抑制作用小于稀酸處理后殘余木質素[16]。玉米桿經水熱處理后，在物料表面形成尺寸約1 μm至100 nm圓球形固體顆粒附著于物料表面，這些圓形顆粒將阻礙酶與纖維素的結合[17]。因此，假木質素對纖維素酶的抑制作用是多種作用的結合。

3 結 語

假木質素是預處理過程中降解產物縮合而成的產物，對后續(xù)酶水解具有抑制性效應。假木質素的形成與預處理條件相關，假木質素結構將影響其對纖維素酶的抑制效應。因此，優(yōu)化預處理條件減少假木質素的形成或調控假木質素結構緩解其纖維素酶抑制效應將有效提高木質纖維生物質轉化效率，有助力于纖維素乙醇工業(yè)的發(fā)展。