时间：2023-03-15 14:04:07
【关键词】纤维素；水解；化学思想
一、前言
纤维素，英文名称为cellulose，是一种由葡萄糖组成的大分子多糖，属于天然高分子化合物，是植物细胞壁的主要成分。溶解性质表现为不溶于水及一般有机溶剂。纤维素在自然界分布十分广泛，占植物界碳含量的50%以上，大量存在于木材、棉花、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等之中。
纤维素不溶于水和一般的化学试剂，但在特定的条件下可以发生水解生成葡萄糖，这一性质正是高中化学纤维素水解实验的基础。高中化学纤维素水解实验以滤纸为纤维素来源，以硫酸为催化剂，以一定的温度为化学反应条件，以氢氧化铜和银氨溶液为检测手段，组成了一个完整的水解+检测的化学实验。该实验因涉及到浓硫酸的稀释、氢氧化铜的变色和银镜反应的发生，可以极大地激发学生对于化学的学习兴趣，其背后所蕴含的化学思想对于学生今后在化学学科的继续学习发挥了积极地作用。
二、实验内容
1.纤维素的水解
（1）配制成20ml的浓度为70%的硫酸溶液置于50ml的玻璃烧杯中。混合过程中将浓硫酸缓慢倒入水中并且不停地搅拌，完成后，静置使其冷却。
（2）取一小块滤纸，撕碎后向小烧杯中一边加一边用玻璃棒搅拌，溶液将缓慢的变成无色透明状液体，然后将烧杯放入水浴中加热10min，直到溶液显现出棕黄色为止。
（3）将该棕黄色液体倾倒入另一盛有约20ml蒸馏水的烧杯中。取1ml混合液，注入一大试管中，加入适量的固体NaOH，直到溶液的pH值到达3-5之间，再加Na2CO3调节溶液pH值至9。
2.纤维素水解产物的检验
三、结果分析
葡萄糖的分子结构式如下图所示，在整个碳链的端部有一个醛基，使得葡萄糖有了一定的还原性，因此银镜反应和氧化亚铜实验就成了检验葡萄糖的定性试验。
纤维素的水解产物是否就是葡萄糖，这个问题就可以根据其水解产物是否能够在上面两个反应中起到作用。经过上面两个实验的现象，可以断定实验中的来源于滤纸的纤维素经过硫酸的处理发生水解，并且水解产物中存在具有还原性的葡萄糖。
四、实验思想
结构决定性质，这是化学领域的一个最基本的思想。以纤维素为例，它是一种天然的高分子材料。纤维素的形成大多在植物中进行，植物通过光合作用产生碳水化合物的糖类，这些糖类通过彼此间的脱水而形成纤维素。从葡萄糖到纤维素，结构上的变化导致了其性质上的截然不同。比如其溶解性的变化，葡萄糖在水中溶解性良好，而纤维素是不溶于水的。
纤维素的结构与性质的关系体现在下面两个方面：
1.原子排列影响物质化学性质
纤维素由葡萄糖分子间脱水形成，在脱水的过程中，葡萄糖分子中的醛基结构受到破坏，使物质的化学还原性消失，因此，直接用纤维素来还原银离子和铜离子是做不到的。从原子排列的角度来讲，组成醛基的碳氧双键易极化导致碳原子带正电性，碳氢键易断裂从而变现为一定的还原性。一旦经过脱水缩合反应，碳氢键中的氢被另一个氧原子代替，醛基变为糖苷键，而糖苷键是不具备以上还原性的。因此，原子的变化和原子结构排列的变化使得物质失去了还原性，也就是说，原子排列影响物质的化学性质。
2.分子结构影响物理性质
纤维素分子呈丝状，这是葡萄糖分子头-尾结合产生的结果。这些丝状物因为排列整齐而极易结晶，从而形成规则的晶体，往往表现为纤维状晶体，而纤维状晶体的强度较强，从宏观材料的角度来看就是纤维素材料强度较高。纤维素分子由葡萄糖分子脱水缩合而成，其脱水过程中虽然醛基结构遭到破坏，但是纤维素却完整的继承了葡萄糖分子中的羟基。这些羟基中的氢原子们可以被看做一个个的质子。在这种情况下，一个氧原子连接质子很容易和另外一个氧化子相互吸引发生作用从而在分子间形成氢键。同一个纤维素分子上的两个羟基间生成的氢键被称为分子内氢键，分子内氢键使得分子的旋转难度增加，外在表现为材料刚度的较大。
能量决定化学反应能否进行，这是化学领域另一个重要的思想。化学反应与能量的关系如下面描述。
有机物分子通常是各种原子通过共价键的形式结合起来的，比如纤维素和葡萄糖都是碳氢氧三种元素组成。有机分子在反应的时候。化学键的断裂与形成是化学反应的实质。一个反应能否进行，除了物质的分子结构因素以外，一个重要的影响因素就是能量，体现在反应条件中就是反应温度。当然，某些化学反应也可以由激光、磁场、光照等代替加热完成实验。但归根结底都是为了能够达到旧键断裂和新键形成的目的。从实验中可以看到，虽然葡萄糖具有了还原性的醛基，但是在低温下仍然无法还原银离子和铜离子，只有当温度上升，达到旧键断裂的临界点，反应才能发生。了解了各种物质的特性，反应能否发生，什么温度发生，这一临界点是可以通过计算精确地算出来的，这就是化学本质和规律的体现。
五、总结
课堂演示实验对于高中化学学科而言十分重要，他不仅能够提升同学们对于化学的学习兴趣，更有利于学生对于化学思想的掌握。纤维素的水解实验是一个很基础的有机化学实验，通过此实验，不仅可以掌握一定的有机化学知识，更能从深层次了解到物质结构决定性质、化学反应条件的本质等。希望通过本篇论文，可以对广大高中化学老师和学生起到积极地作用。
参考文献：
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关键词：小麦秸秆；糖化发酵；NaOH预处理
中图分类号：TQ353 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）18-4355-04
第二代生物质乙醇是利用不同的原料如木材、农业或者森林废弃物来生产，纤维素乙醇作为一种重要的可再生能源，具有能够支撑全球能源消耗20%～100%的潜力。在纤维素乙醇的生产过程中非常重要的一步就是将半纤维素和纤维素水解为单糖，目前最具发展前景的水解方法为纤维素酶水解。为了使纤维素酶能够与纤维素有效接触，需要在水解之前对木质纤维素材料进行预处理，解除木质素、半纤维素等对纤维素的保护作用，同时破坏纤维素的结晶结构，增加其比表面积[1]，从而提高纤维素的水解糖化效率。
NaOH溶液的润涨处理是发现最早、应用最广的预处理手段之一，其处理温度和压力都低于其他预处理手段[2]。NaOH预处理打开了交联木质素和木聚糖的酯键，能够部分溶解原料中的木质素、半纤维素，降低纤维素的结晶度，同时增大了木质素材料的比表面积，能够得到较高的酶解糖化率，是一种较为有效的预处理方法[3]。
本试验使用NaOH溶液对小麦秸秆进行预处理，分别研究了NaOH质量分数、小麦秸秆固体含量、预处理时间等因素对小麦秸秆纤维素酶水解过程的影响，得到了最佳的NaOH预处理条件，之后对经最佳条件预处理后的小麦秸秆进行了同步糖化发酵试验，并在电子显微镜下观察了预处理前后的秸秆结构变化，进一步明确了NaOH预处理的效果。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 原料 小麦秸秆取自太湖农村，机器收割，不含秸秆根部和麦穗。
1.1.2 酶制剂 纤维素酶购自Sigma公司，为淡黄色液体纤维素酶。
1.1.3 酵母菌 试验所用酵母为酿酒酵母BY4742， 于4 ℃下保存。
1.2 方法
1.2.1 小麦秸秆预处理 小麦秸秆粉碎后过80目筛，烘箱中55 ℃干燥，设置不同质量分数的NaOH、小麦秸秆固体含量及预处理时间，在121 ℃、0.2 MPa的条件下在高压灭菌锅中进行预处理。预处理结束后冷却至室温，加入适量的稀盐酸调节pH至中性，之后使用高速离心机进行离心并清洗3～5次。预处理后的小麦秸秆于105 ℃烘干，保存于干燥皿中备用。
1.2.2 纤维素酶水解 分别取未经预处理以及经NaOH预处理的秸秆各4.0 g，定容至100 mL，根据本课题组前期研究结果[4]，选取纤维素酶投加量为30 FPU/g秸秆，温度40 ℃，柠檬酸盐调节pH为4.8，共水解120 h，每隔24 h取样1次，离心后取上清液进行HPLC分析。
1.2.3 同步糖化发酵 根据本课题组关于同步糖化发酵条件的研究，分别取未经预处理以及最优条件下NaOH预处理后的秸秆各1.6 g，确定固体含量为0.16 g/mL，纤维素酶投加量为35 FPU/g秸秆，酵母菌浓度8 g/L，柠檬酸盐调节pH为4.0，温度设置为38 ℃，同步糖化发酵120 h，每隔24 h取样分析。
1.3 分析方法
1.3.1 小麦秸秆成分分析 小麦秸秆纤维素、半纤维素和木质素含量的测定采用NREL实验室提供的方法[5]。
1.3.2 还原糖及乙醇含量测定 样品中纤维二糖、葡萄糖、木糖、乙醇浓度采用Shimadzu高效液相色谱分析仪检测，检测器为示差折光检测器，色谱柱为Aminex HPX-87P Column。检测条件：柱温65 ℃，检测器温度60 ℃，流动相为超纯水，流速0.8 mL/min，进样量20 μL。
1.3.3 小麦秸秆结构分析 采用电镜扫描观察。样品在室温风干之后平铺于导电胶上，进行离子溅射金处理45 s，用JSM-7401F场发射扫描电子显微镜观察。
1.3.4 计算公式 纤维素水解产生葡萄糖的化学方程式如方程式（1）所示，理论上，100 g纤维素水解可产生111.1 g葡萄糖。葡萄糖发酵产乙醇的化学方程式如方程式（2）所示，理论上，100 g葡萄糖发酵可产生51.1 g乙醇和48.9 g CO2。由此可知，100 g纤维素理论上可产生56.8 g乙醇。
2 结果与分析
2.1 不同NaOH预处理条件对小麦秸秆酶解效果的影响
2.1.1 NaOH对小麦秸秆酶解效果的影响 本试验首先考察了不同质量分数的NaOH预处理条件下，纤维素酶水解小麦秸秆的效果。分别以0.25%、0.50%、1.00%、2.00%和4.00%的NaOH溶液预处理已粉碎干燥的小麦秸秆，之后进行120 h的水解试验，并每隔24 h取样进行还原糖含量分析。经不同NaOH溶液预处理后小麦秸秆水解产物中还原糖情况如图1所示。预处理过的小麦秸秆经过酶解后，主要产生了纤维二糖、葡萄糖、木糖3种还原糖，由图1可以看出，随预处理NaOH质量分数的增加，酶解液的还原糖含量逐渐升高，其产量均在NaOH质量分数为1.00%时达到最高，其中葡萄糖含量在酶水解48 h时达到最高，为14.13 g/L。之后NaOH质量分数继续增大时，还原糖产量开始下降，可能因为在预处理过程中NaOH溶解半纤维素和木质素的同时也水解了部分纤维素，还原糖进入了液相，在进行固液分离时损失[6-8]。
2.1.2 固体含量对小麦秸秆酶解效果的影响 本试验设置预处理时的小麦秸秆固体含量分别为0.025、0.050、0.100、0.150和0.200 g/mL，采用在“2.1.1”方法中确定的NaOH预处理最佳质量分数1.00%对小麦秸秆进行预处理，之后进行120 h的酶解试验，每24 h取样测定其还原糖含量。不同固体含量下NaOH预处理产物中还原糖含量如图2所示。由图2可见，预处理过程中在小麦秸秆固体含量提高到0.050 g/mL时，酶解液中的3种还原糖含量均达到最高。其中葡萄糖在纤维素酶水解48 h时其浓度达到最大值14.13 g/L。之后固体含量继续增大时，其还原糖产量下降。分析其原因可能是预处理过程中固体含量对预处理强度产生影响，固体含量过高时，因NaOH溶液的量相对减少，难以与秸秆充分接触，从而影响了预处理效果[9，10]。
2.1.3 预处理时间对小麦秸秆酶解效果的影响 本试验设置预处理时间分别为15、30、50、60和90 min，采用“2.1.1”方法得到的预处理最佳NaOH质量分数1.00%和“2.1.2”方法得到的最佳固体含量0.050 g/mL对小麦秸秆进行预处理，之后进行120 h酶解，每隔24 h取样测定其还原糖产量。不同预处理时间下3种还原糖的产量如图3所示。
由图3可见，随着预处理时间的增加，小麦秸秆酶解液3种还原糖含量在60 min时达到最大。其中葡萄糖浓度在酶水解24 h后达到最大值15.30 g/L。预处理50 min以上时，NaOH溶液对木质素和半纤维素的溶解基本完成，纤维素充分暴露出来，预处理时间增加到60、90 min时，酶解产生还原糖的浓度变化不大，考虑到增加预处理时间会显著增加能耗，故将60 min确定为最佳预处理时间。
2.2 NaOH预处理对小麦秸秆酶解效果的影响
通过上述试验可以得到NaOH预处理小麦秸秆的最佳条件为NaOH质量分数1.00%，小麦秸秆固体含量0.050 g/mL，预处理时间60 min。将经过预处理的小麦秸秆残渣酶解120 h，其反应进程见图4。
由图4可知，在最佳预处理条件下，酶解24 h时，酶解液总还原糖产量达到最大，为34.65 g/L，其产率为86.61%。而未经预处理的小麦秸秆在酶解刚开始时总还原糖产量便开始下降，最高仅为4.80 g/L，其产率仅为12.01%。最佳预处理条件下的总还原糖产率也明显高于常规的稀碱预处理的总还原糖产率[3]。这是因为NaOH预处理对半纤维素和木质素均有较好的去除效果，解除了木质素和半纤维素对纤维素的保护作用，同时破坏纤维素大分子之间的结晶结构，增大了小麦秸秆的比表面积，改善了底物与纤维素酶的接触效果，同时也有效减少了木质素对纤维素酶的特异性吸附，使纤维素酶可以充分作用于底物，有效提高了小麦秸秆的酶解效果[11，12]。
2.3 小麦秸秆成分分析
使用NREL实验室的方法分别测定未经NaOH预处理的小麦秸秆与经过最优条件预处理过的小麦秸秆成分，结果如表1所示。由表1可见，小麦秸秆在经过了最优条件预处理后，木质素的含量由25.73%降低至11.75%，同时纤维素的含量由39.31%升高至58.84%。表明NaOH能够提高纤维素在底物中所占比例，同时降低木质素等所占比例[13]，有利于后续酶解进程。
2.4 同步糖化发酵结果
未经NaOH预处理的小麦秸秆与经过最佳条件预处理的小麦秸秆经同步糖化发酵后上清液成分如表2所示。
由表2可见，未经NaOH预处理的小麦秸秆由于结晶以及木质结构的保护，酶解过程受到抑制，进而影响了酵母菌对还原糖的发酵。而经过最佳NaOH预处理条件处理后，乙醇的产量大幅上升，由处理前的7.98 g/L上升到38.32 g/L，乙醇产率由22.40%上升至71.70%，无法被酵母菌利用的木糖含量也由处理前的0.80 g/L上升到了12.94 g/L。
由此可见，NaOH预处理不仅能够有效去除木质素，而且基本不影响纤维素[14]，纤维素可以进一步水解并发酵产生乙醇，NaOH预处理是一种高效的木质纤维素产乙醇的预处理方法。
2.5 NaOH预处理前后小麦秸秆结构分析
小麦秸秆粉末在NaOH溶液质量分数为1.00%、固体含量0.050 g/mL、121 ℃、0.2 MPa的条件下预处理60 min，恢复至室温干燥后备用。同时准备一份未经预处理的小麦秸秆粉末，干燥后备用。样品平铺在导电胶上，喷金45 s后用扫描电镜观察，其SEM结果如图5所示。
由图5可见，未经NaOH预处理的小麦秸秆表面光滑，纤维排列比较整齐，没有明显的破损和孔隙，结构致密。经过NaOH预处理后的小麦秸秆的半纤维素、纤维素和木质素的部分结构遭到破坏、分离，纤维和纤维束出现卷曲和折叠，变得柔软疏松，排列凌乱；秸秆表面由预处理前的致密变得疏松，有序排列变得杂乱无章；原来光滑的表面上出现了片状的物质，这可能是溶出的半纤维素和木质素[15]。经过预处理的小麦秸秆的比表面积大大增加，这更有利于纤维素酶的吸附，有利于水解，从而提高了酶水解液中还原糖的得率。
3 结论
1）NaOH预处理小麦秸秆的最佳条件为：NaOH质量分数1.00%，小麦秸秆固体含量0.050 g/mL，预处理时间60 min。
2）经过NaOH预处理的小麦秸秆水解液还原糖得率可提升74.60个百分点。
3）通过SEM观察发现，经过NaOH预处理后，秸秆表面变得粗糙，有利于纤维素酶的吸附及进一步水解。
4）经过最佳条件NaOH预处理的小麦秸秆进行同步糖化发酵其乙醇产率提高了49.30个百分点。
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关键词：木质纤维素水解液；抑制物；酿酒酵母
引言
我国每年产生数量庞大的固体废弃物，焚烧已成为最常见的固废处置方式，该方式不仅浪费资源，还严重影响空气质量。报道显示微生物可将生物质转化为液态、气态的燃料，具有能耗低、转化效率高和不产生二次污染等优点，因此，以生物质材料作为原材料开发新能源已受到世界范围的关注[1]。
农作物秸秆和木材废弃物在固体废弃物中占重要地位，其主要成分是木质纤维素。木质纤维素是一种典型的生物质，利用微生物代谢木质纤维素产生清洁能源已成为研究热点之一。目前，酿酒酵母产乙醇被广泛应用于木质纤维素的资源化处理工艺，其具有成本低、原料丰富等优点。在酿酒酵母利用木质纤维素发酵之前，需对木质纤维素进行预处理和糖化，此时木质纤维素中的纤维素与半纤维素等转化为可发酵糖，在纤维素与半纤维素等大分子物质的分解过程中，引入了一些小分子化合物，这些物质对发酵有抑制作用，统称为抑制物。
1 抑制物的种类及抑制作用
木质纤维素水解液中的抑制物大致分为三类：弱酸类、呋喃类和酚类化合物。弱酸类主要包括甲酸、乙酸和乙酰丙酸，弱酸会破坏细胞内外的渗透压平衡，并进入细胞内部，这部分弱酸在细胞内部进一步解离，使得细胞内环境酸化，影响细胞内部的酶促反应，最终抑制细胞的生长[2]。呋喃类抑制物主要是糠醛和HMF，这类物质对微生物中的乙醇脱氢酶、丙酮酸脱氢酶和醛脱氢酶产生抑制，减缓酿酒酵母的生长；醛类抑制物会产生细胞内活性氧，导致DNA分解，进而阻碍RNA和蛋白质的合成[3、4]。相对于其他类型抑制物，酚类抑制物的毒性更强，低浓度的酚类就可以抑制酿酒酵母的生长，研究表明，低分子量的酚类化合物对酿酒酵母生长具有更高的抑制作用[5]。
2 降低抑制物对酿酒酵母抑制作用的措施
2.1 木质纤维素水解液脱毒
发酵前对木质纤维素水解液进行脱毒是降低抑制物抑制作用的有效途径。脱毒方法主要分为物理法、化学法和生物法，物理方法包括真空干燥浓缩、蒸煮、活性炭吸附、离子交换吸附和溶剂萃取等，这些方法可将水解液中的有毒物质在不改变分子结构的前提下去除，不同处理方法的去除效率具有差异[6]。化学方法是利用各种碱性物质（如NH4OH、NaOH、Ca（OH）2等）及过量石灰法对水解液进行处理，通过化学反应改变水解液中的成分以降低抑制物毒性[7]。生物方法是利用特定酶或微生物脱毒，其中，漆酶是一种常用的脱毒酶，通过氧化聚合反应将毒性较高的小分子量酚类化合物转化为毒性较低的大分子量酚类化合物[8]。
2.2 提高酿酒酵母对抑制物的耐受性
除了减少木质纤维素水解液中的有毒物质，还可提高酿酒酵母对抑制物的耐受性，目前比较常用的方法是基因工程方法、诱变方法和驯化育种方法。基因工程方法是通过添加、敲除或高表达某一种或几种与抑制物代谢相关的基因以提高酿酒酵母对抑制物的耐受性的方法。改造基因可以直接、快速地使酿酒酵母表现出我们所期望的特性，但木质纤维素水解液中的抑制物种类繁多，基因工程方法难以使得酿酒酵母同时具有多种抑制物耐受性，且酿酒酵母的新陈代谢途径复杂，改造基因可能使得酿酒酵母失去原本的优良特性[9]。诱变方法以自然突变为依据，利用诱变剂加快酿酒酵母细胞基因突变的速度，在短时间内产生大量突型酿酒酵母，经过进一步的筛选，可获得具有抑制物耐受性的酿酒酵母，而诱变方法具有不确定性和诱变范围广等缺陷，因此需大量的诱变型细胞增加获得目标菌株的几率，且诱变剂可能损坏出发菌株原始基因，丢失优良特性。驯化育种是一种模拟自然选择的过程，根据生物和环境共同进化的规律，对微生物施与一定的选择压力，使得微生物在自然突变的基础上定向进化。驯化方法中存在的环境压力使得微生物突变具有明确方向，可在短时间内富集突变子，在长期的驯化过程中，菌株的优良性质可以在代际之间传递，增加了优良性质的稳定性[10]；驯化育种的不足之处在于菌株的突变机理尚未明确，难以通过其他手段获得该菌株。
3 结束语
木质纤维素水解液中的抑制物会影响酿酒酵母的发酵效率，降低代谢产物乙醇的浓度，因此需采取措施降低抑制物对酿酒酵母的抑制作用。将水解液脱毒与酿酒酵母改进进行对比，水解液的脱毒成本较高，不利于木质纤维素资源化利用的工业化发展，因此有必要提高酿酒酵母对抑制物的耐受性。木质纤维素水解液中抑制物的组分与原材料种类和预处理方式密切相关，不同改良酿酒酵母的方法各有其优缺点，在实际应用中可将多种方式有效结合，有利于获得具有较高耐受性的酿酒酵母。
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摘 要：玉米是一种高产作物，受到全世界范围内人们的喜爱，在种植中产生了大量的玉米秸秆。玉米秸秆资源丰富，可以再生，所以属于绿色资源。本文从玉米秸秆制备酒精的几个环节入手，对预处理、水解和接下来的发酵和蒸馏展开了具体的探讨。
关键词：玉米秸秆；酒精发酵；预处理
目前世界范围内工业产业发展迅速，对各种能源的需求量在不断增加，以酒精来替代石油这个话题由来已久，近年来在国内外成为了一个非常热门的话题。当前，玉米和淀粉等原料都可以作为燃料酒精，这些技术已经成熟了，并且已经开始大规模生产，但是从长远看来，因为玉米属于一种食物，能够极大缓解粮食问题，所以不应该大量使用玉米来进行燃料酒精的生产，但是为了缓解对能源紧张问题，全世界都在对可再生资源生产液体燃料的解决办法。玉米秸秆资源丰富，并且可再生，用这种资源生产酒精已经引起了越来越多的关注。但是目前技术尚不成熟，在科研能力和经济实力上都还存在着一定的困难。当前的情况是，玉米秸秆的利用率极低，大多数都被堆积起来，或者进行焚烧了，这对环境造成污染的同时也形成了浪费，这是在我们国家极为普遍的一种状况。直接进行焚烧，获得的热效率很低，大概只有十分之一，如果能将玉米秸秆进行提纯，转化成真正的燃料，那么热效率就会大大提升，一来能够对能源危机有所缓解，二来也可以对一定程度上解决环境污染的问题，给人类带来了可持续发展的保证。玉米秸秆在成分上主要有以下几种，纤维素、半纤维素以及木质素，如果对其经过水解，其中的纤维素和半纤维素都可以分解成糖分，糖分经过发酵就可以酿制成酒精。本文主要介绍这些具体的工艺流程。
1 原料预处理
玉米秸秆的结构较为复杂，纤维素、半纤维素被木质素包围，严重影响纤维素等的降解效率，水解之前应进行预处理。经预处理，纤维素和半纤维素及木质素分离开，聚合度较低，从而提高了玉米秸秆纤维素的水解糖化效率。目前普遍采用的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法、生物法四种。物理法主要采用机械粉碎、超声波处理和蒸汽爆破等物理方法，该方法预处理污染小，操作简单，但是能耗大，成本较高。化学法主要采用酸、碱或者有机溶剂等对玉米秸秆进行预处理，破坏纤维素与木质素之间的晶体结构，打破木质素对纤维素的包裹。该方法成本较低，但易产生化学污染。物理化学法是指在对玉米秸秆的预处理过程中同时采用物理和化学两种方法，二者相结合可提高玉米秸秆的预处理效率。如通过汽爆方法和化学添加剂相结合，不仅可以加快预处理速度，也能尽量降低环境污染。生物法主要通过微生物作用于玉米秸秆，达到分离纤维素和木质素的目的，该种方法不仅效率高而且能在正常条件下进行，节约成本，是一种有潜力的预处理方法。
2 纤维素水解
玉米秸秆经预处理后，纤维素只有分解成糖可进行发酵成酒精，这个过程被称为纤维素的水解过程。目前玉米秸秆纤维素的水解工艺主要有酸法水解和酶法水解两种，水解后纤维素和半纤维素的氢键被破坏，分解成单糖供发酵过程。
2.1 酸法水解
酸法水解主要以硫酸作为催化剂对玉米秸秆中纤维素进行分解。包括稀酸水解和浓酸水解两种。稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纤维素，优点是反应条件温和，设备要求较低，但反应过程中产生大量副产物且产糖率低。浓酸水解的优点是产糖率较稀酸水解高且反应过程副产物少，但反应时间较长，腐蚀性强，不仅对反应设备要求较高，而且硫酸回收工艺复杂。
2.2 酶法水解
酶法水解利用纤维素复合酶分解玉米秸秆中的纤维素，纤维素酶包括葡聚糖酶和纤维二糖酶。水解过程中葡聚糖酶先将纤维素分解为纤维二糖，纤维二糖再在纤维二糖酶的作用下分解成葡萄糖供发酵过程使用。酶法水解相对酸法水解反应条件温和，催化效率高且能耗低，纤维素酶的专一性高，产物单一，副产物相对较少。但酶法水解中酶的固定化程度困难，反应过程中酶的消耗量较高，导致成本较高。
3 酒精发酵
酒精发酵的最终目的就是让水解中产生的葡萄糖通过发酵转化为酒精，发酵方法主要有以下几种：
3.1 直接发酵法
直接发酵法就是直接利用纤维分解细菌发酵纤维素生产酒精，此方法不需要经过酸法水解和酶法水解预处理过程。采用适合酒精发酵的生产菌株是直接发酵法的技术关键，但目前国际上还未找到一种既具备分解纤维素又能发酵成酒精的优良菌株，一般利用热纤梭菌和热硫化氢梭菌混合菌直接发酵，前者主要将纤维素分解成单糖但乙醇产率较低，后者主要将单糖转化为酒精但不能分解纤维素。
3.2 间接发酵法
间接发酵法将玉米秸秆的发酵过程分为两步，是目前研究最多的方法之一。第一步利用纤维素酶将玉米秸秆中的纤维素分解成为单糖，分解后的糖作为后续发酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶将单糖发酵成酒精。间接发酵方法正处在研究阶段，但应用到生产中的突出问题是第一步产生的单糖随着浓度的增加会反过来抑制第一步反应的进行，而第二步随着酒精浓度的增加也会抑制菌株的发酵能力，给发酵过程带来巨大影响。
3.3 同步糖化发酵法
同步糖化发酵法主要是为了解决间接发酵法面临的反馈抑制问题，两者原理相同。该方法最早由Gauss等提出，糖化和发酵同时在一个反应器内连续进行，将纤维素水解和酒精发酵同步进行，水解产生的葡萄糖由于发酵浓度降低，消除了高浓度糖对纤维素酶的抑制作用。同步发酵法的优点是简化了生产设备，节约了生产时间，消除了抑制作用，降低了生产成本，但反应过程中面临的最突出问题如何实现纤维素发酵和酒精发酵的条件兼容。
4 蒸馏提纯
玉米秸秆在进行发酵后会形成混合发酶液，混合液的成分是相当复杂的，酒精的浓度很低，所以应该对酒精进行提纯处理，将其从混合液中分离开来才能够进行使用。酒精存在着沸点低的特点，并且极易挥发，所以在具体的操作中，采用蒸馏的方式来进行提纯。首先控制温蒂，让温度达到酒精的沸点，但是发酶液没有沸腾，这样就可以让酒精挥发，然后经过冷凝设备把酒精从蒸汽变回液体，就得到了高纯度的酒精。但是出于安全性的考虑，设置温度的时候要适中，不宜过高也不宜过低。传统的双塔蒸馏方式虽然有着不错的效果，但是因为能耗太高而被取代，现在采用的是三塔式蒸馏工艺。
结束语
我国是个农业大国，玉米在我国有着广泛的种植，因此，玉米秸秆的产量十分巨大，如果没有对其进行旧有的方式来进行处理，以堆积腐烂和焚烧为主的方式，那么在浪费了资源的同时，还给自然环境带来了大量污染。目前玉米秸酿制酒精的技术也已经日趋成熟，在生产过程中遇到的诸多细节问题还有待于进一步的研究来进行优化。技术会继续发展、继续完善，所以利用玉米秸秆来酿制酒精的技术也会更加成熟起来，最终一定可以在解决能源问题和环境问题上有所作为。
参考文献
[1]李关富.浅谈玉米燃料酒精生产中的节能减排[J].广州化工，2013（04）.
[2]张绪霞，董海洲，侯汉学，刘传富.燃料酒精制备及其开发前景[J].粮食与油脂，2006（02）.
1材料与方法
1.1试验原料试验用铜藻于2012年3月取自浙江省温州南麂海域，将其清洗、烘干和粉碎处理后过80～150目(106～180μm)筛备用．纤维素酶购自江苏淮安百麦绿色生物能源有限公司，酶活约180IU/g．安琪高温酿酒酵母购自安琪酵母股份有限公司．
1.2试验方法
1.2.1铜藻酸水解试验
1.2.1.1单因素试验选取水解温度、液固比、水解时间和w(H2SO4)4个影响因素．称取经洗净、干燥和粉碎后的藻粉2.00g，按照单因素试验条件进行预处理:分别以水解温度(80、90、100、110、120和130℃)进行单因素试验〔固定液固比为15∶1，水解时间为1.00h，w(H2SO4)为3.00%〕;分别以液固比(5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1和30∶1)进行单因素试验〔固定水解温度为100℃，水解时间为1.00h，w(H2SO4)为3.00%〕;分别以水解时间(0.50、1.00、1.50、2.00、2.50和3.00h)做单因素试验〔固定水解温度为100℃，液固为15∶1，w(H2SO4)为3.00%〕;分别以w(H2SO4)(0%、1.00%、2.00%、3.00%、5.00%和10.00%)为考察因素进行单因素试验〔固定水解温度为100℃，液固为15∶1，水解时间为1.00h〕．水解完成后抽滤，收集滤液，测定水解液中的ρ(还原糖)．滤渣于80℃下烘干后测定其w(纤维素)和w(半纤维素)．
1.2.1.2响应面试验在单因素试验的基础上，采用Design-Expert进行Box-Behnken试验设计(BBD)．设影响显著的水解温度、水解时间和w(H2SO4)3个因素为自变量，还原糖收率为响应值，根据单因素试验结果设计试验方案，各因素水平值见表1.
1.2.2酶水解及酵母发酵称取经预处理、未经预处理的固体藻粉各2.00g置于250mL锥形瓶中，分别加入100mL蒸馏水，用H2SO4溶液调节至pH为4.8.再分别加入20IU/g的纤维素酶，置于50℃、150r/min摇床内水解1.00h，抽取一定量水解液离心后测定ρ(还原糖)．继续水解2.00h后加入一定量的酵母，并置于摇床内发酵，发酵条件:ρ(酵母)为0.01g/mL，摇床温度为36℃、转速为150r/min，发酵时间5d．反应完成后取出测定ρ(乙醇)．
1.2.3测定方法w(纤维素)和w(半纤维素)分别采用硫酸与重铬酸钾氧化法以及盐酸水解法〔c(盐酸)为2mol/L〕［28］测定;ρ(还原糖)采用DNS法(以葡萄糖作标准曲线)［29］测定;ρ(乙醇)采用重铬酸钾氧化比色法［30］测定．还原糖收率的计算以原料中纤维素和半纤维素可分别水解得到的理论葡萄糖及木糖量为基准。
2结果与讨论
2.1铜藻主要成分用BSA224S天平〔赛多利斯科学仪器(北京)有限公司〕准确称取0.1000g藻粉进行测定，试验重复3次．经测定，铜藻的主要组成:w(纤维素)为37.94%，w(半纤维素)为21.80%，w(木质素)为19.69%．
2.2葡萄糖标准曲线以ρ(葡萄糖)为横坐标，对应的吸光度为纵坐标，得到葡萄糖标准曲线:y=－0.0222+1.6143x，其R2(复相关系数)为0.9974，表明ρ(还原糖)在0～0.5mg/mL范围内，ρ(还原糖)与吸光度有很好的线性关系．采用F检验法对该标准曲线进行显著性检验〔F=9.33，小于F0.01(1，4)=21.20〕，表明x、y线性关系显著．
2.3不同因素对稀硫酸水解铜藻的影响水解温度、液固比、水解时间和w(H2SO4)对稀硫酸水解铜藻的影响见图1.图1(a)为稀酸水解过程中还原糖收率、残渣中w(纤维素)和w(半纤维素)随水解温度的变化．由图1(a)可见，还原糖收率呈先增后减趋势．当水解温度低于90℃时，还原糖收率非常低，不到4.00%．Lee等［31］研究表明，水解反应的活化能高于降解反应的活化能，所以提高水解温度对水解反应更为有利，随之还原糖收率也就越高．因此，当水解温度为90～110℃时，还原糖收率大幅增加，在110℃处达到极大值，约15.00%．当水解温度超过110℃后，还原糖收率与水解温度则呈负相关．这是由于过高的水解温度会加剧葡萄糖、木糖和甘露醇等还原糖脱水，生成糠醛和有机酸等发酵抑制物，影响后续发酵效果．因此，选定110℃作为零水平进行响应面优化．半纤维素分子链中含有游离羟基，并且是由多种单糖聚合而成的非晶体结构．因此，与具有晶体结构的纤维素相比，在酸性介质中半纤维素的糖苷键较易断裂，降解成低聚糖，而低聚糖再进一步水解成单糖．对水解后的残渣进行成分分析发现，在水解温度为80℃时，w(半纤维素)已由原料的21.80%快速降至残渣中的15.03%．水解温度越高，半纤维素水解程度越大;但在其后的升温过程中，下降速率逐渐变缓．这说明在较大的水解温度变化范围内，半纤维素的水解效果变化不大，而残渣中的w(纤维素)在110℃后开始下降，该结论与文献［33］的结论相一致．由图1(b)可见，铜藻的水解还原糖收率随着液固比的增大呈先升后降的趋势．在液固比为20∶1时存在极值，还原糖收率为10.92%．液固比由5∶1增至20∶1时，还原糖收率增加了50.76%，该趋势说明液固比小于20∶1时，提高液固比能增加还原糖收率．原因是液固比较小不足以提供糖苷键断裂所需的H+浓度，并且藻粉与稀酸也不能充分接触．而当液固比大于20∶1时，水解液中会存在过量的H+，导致水解出来的还原糖进一步脱水产生乙酸和糠醛等副产物，造成还原糖收率小幅下降［32］．分析还原糖收率随液固比的变幅可知:在所研究的液固比范围内，还原糖收率的最大值与最小值之差仅为3.68%，说明液固比对水解结果影响不显著．对水解残渣进行成分分析的结果同样支持该结论:残渣中w(纤维素)基本稳定在52.00%～53.00%之间，w(半纤维素)总体维持在6.30%左右．因此，选择20∶1的液固比作为最优参数，不再进行优化试验．由图1(c)可见，水解时间对铜藻水解的影响结果在前2.00h内还原糖收率总体呈上升趋势，于2.00h处达到极值．在短时间的水解过程中，酸溶液中的H+破坏铜藻的糖苷键，使低聚糖和单糖等还原糖得以释放．由此可见，水解时间小于2.00h时，可通过延长水解时间来提高还原糖收率;但大于2.00h时，还原糖收率反而呈下降趋势．文献［34］对H2SO4和HCl水解甜高粱渣产C5和C6等还原糖过程中的发酵抑制物(乙酸、糠醛和羟甲基糠醛等)进行量化分析，结果表明，水解时间和水解温度对抑制物的产生有协同促进作用，抑制物浓度随着时间的增加而增加．研究［35］表明，较高水解温度下，随着水解时间的增加，尽管木质纤维素继续转化为还原糖，但还原糖分解速率大于其生成速率．这意味着水解时间不宜过高，在该试验中不宜超过2.00h．综合这些因素，选取2.00h作为优化参数．水解后残渣中的组分分析结果显示，w(半纤维素)随水解时间的延长而下降．在前1.50h内，w(半纤维素)由21.80%迅速降至5.20%，而后的1.50h内变幅很小，表明延长水解时间对水解效果的影响并不大;残渣中w(纤维素)由原来的37.94%升至1.00h后的53.55%，然后趋于平缓．综上，在水解前期转化的组分几乎全部是半纤维素，而纤维素的水解是在半纤维素和木质素的包被作用被破坏、H+的浓度增加后开始的．由图1(d)可见，w(H2SO4)对还原糖收率的影响非常显著．不加酸时，还原糖收率仅为2.59%．随着w(H2SO4)的增加，水解还原糖收率迅速上升．w(H2SO4)由0增至1.00%时，还原糖收率提高了155.98%．而w(H2SO4)由1.00%增至3.00%、3.00%增至5.00%、5.00%增至10.00%时，还原糖收率提高了30.62%～79.79%，增幅相对较小．w(H2SO4)越高，对设备的腐蚀越强，并且随着w(H2SO4)的增大，还原糖收率的增幅也逐渐减小，因此，w(H2SO4)超过10.00%时不予考察．从化学机理上看，w(H2SO4)较低时为半纤维素的水解提供了适量的H+，H+能完全被半纤维素中糖苷键的断裂所消耗，而当w(H2SO4)达到一定值后，过剩H+会加快还原糖转化成HMF等副产物的速度，从而降低还原糖收率的提升速度．研究［36］表明，采用硫酸水解石花菜制备葡萄糖和乙酰丙酸，在酸水解制备糖的过程中w(H2SO4)不宜过高，否则会导致糖的进一步降解，最适w(H2SO4)为3.00%．综合考虑，选择w(H2SO4)为4.00%进行后期的参数优化．铜藻残渣的成分分析结果显示:当w(H2SO4)由0增至1.00%时，残渣中的w(半纤维素)由13.45%迅速降至6.58%，而后随着w(H2SO4)的逐渐增加，铜藻残渣中w(半纤维素)仅有小幅下降．为验证该结果，将w(H2SO4)由5.00%增至10.00%，w(半纤维素)仅下降5.56%．说明当w(H2SO4)超过1.00%后，w(H2SO4)的增加对半纤维素的水解效果影响不大．而残渣中w(纤维素)的变化趋势显示，与w(H2SO4)为0时相比，w(H2SO4)为1.00%时残渣中的w(纤维素)有较大提高;此后，w(纤维素)呈下降趋势．这可能是因为硫酸使半纤维素糖苷键断裂的同时，也与纤维素中的糖苷键作用，使纤维素发生水解，并且水解速率大于由半纤维素水解引起的w(纤维素)的增长率．
2.4铜藻稀酸水解的响应面试验结合单因素试验结果，以水解时间、水解温度以及w(H2SO4)为自变量，还原糖收率为响应值，根据Box-Behnken设计原理安排了17组试验组合。
2.4.1数据分析以还原糖收率为响应值，采用Design-Expert对铜藻稀酸水解进行多元回归拟合，得到稀酸水解预处理工艺参数初步回归模型:对数据进行统计分析(见表3)可知，在所选择的因素水平范围内〔水解温度为80～130℃，水解时间为0.50～3.00h，w(H2SO4)为0.00%～10.00%〕，w(H2SO4)对还原糖收率具有非常显著的影响(P＜0.0001)，水解温度以及水解时间对其具有显著影响(P＜0.05)，各因素对还原糖收率的影响程度为w(H2SO4)＞水解温度＞水解时间．此外，水解时间的二次项和w(H2SO4)的二次项对还原糖收率影响显著(P＜0.05)，表明还原糖收率与这些因素水平具有非常显著的非线性关系．分析结果还表明，水解温度与水解时间之间具有显著的交互作用(P＜0.05)．基于回归模型方差分析结果，采用Design-Expert作水解时间、水解温度以及w(H2SO4)对还原糖收率影响的响应面和等值线图，结果如图2～4所示．w(H2SO4)为4.00%时，水解温度和水解时间及其交互作用对还原糖收率的影响见图2.响应面显示，水解温度的升高有助于提高还原糖收率;等值线结果显示，水解温度一定时，还原糖收率随时间的延长呈先增加后减小的趋势．原因可能是水解时间过长导致还原糖生成5-HMF(5-羟甲基糠醛)等副产物的速率增加，从而降低了还原糖收率［26］．水解时间为2.00h时，水解温度和w(H2SO4)及其交互作用对还原糖收率的影响见图3.在w(H2SO4)约为3.65%时，随着水解温度由100℃升至115℃，相应的还原糖收率由20.00%增至24.00%;而当w(H2SO4)为5.00%时，水解温度只需105℃即可达到24.00%的还原糖收率．综上可知:在所选择的因素水平范围内，当w(H2SO4)一定时，需要提高水解温度以期增加还原糖收率;同样，当水解温度一定时，较高还原糖收率亦可通过增大w(H2SO4)获得;并且当w(H2SO4)在较高水平时，较低的水解温度也能得到较高的还原糖收率．水解温度为110℃时，水解时间和w(H2SO4)及其交互作用对还原糖收率的影响见图4．等值线接近圆形说明交互作用不显著．响应面结果显示，w(H2SO4)的增加有助于提高还原糖收率，但还原糖收率增加到一定程度后又呈下降趋势．等值线结果显示，在水解时间约为2.15h，w(H2SO4)为4.60%时，还原糖收率存在最大值;当二者水平过低或过高时，均会导致还原糖收率下降．
2.4.2最佳参数的优化与验证基于试验与模型拟合结果，采用Design-Expert对试验参数进一步优化．由软件分析得到最优工艺参数:水解温度为120℃，水解时间为2.07h，w(H2SO4)为4.53%;按该参数条件，还原糖收率预测值为26.21%．为实际操作方便，选取最佳条件:水解温度为120℃，液固比为20∶1，水解时间为2.00h，w(H2SO4)为4.50%．为了检验模型的准确性，在上述条件下进行3次平行试验，还原糖收率平均值为25.57%，与预测值非常接近．因此利用响应面法优化铜藻酸水解预处理参数准确且可行．
2.5酶水解以及酵母发酵结果比较分析将未经预处理的铜藻藻粉进行纤维素酶水解，还原糖收率为5.41%;而对其经过稀酸预处理并进行酶水解后，还原糖收率达44.05%，是未预处理下的的8.14倍．将在最佳预处理条件下处理后的水解液及残渣进行进一步酶水解、发酵，乙醇产率为7.80%，相比于未经预处理直接酶水解及发酵的3.79%有大幅提高．国内外研究者利用大型海藻制备生物乙醇因选用的原料、预处理、酶水解以及发酵等方法的不同，乙醇产率也有所不同(见表4)，利用发酵性能更好的酵母菌株有望得到更好的试验结果;因此，后续工作将在目前利用酿酒酵母的基础上选用能同时利用C5和C6的酵母菌株，以期获得更高的乙醇产率，同时将围绕金属离子对铜藻水解过程的影响展开新的研究．
3结论
a)采用稀酸预处理铜藻可行且有效，可大幅提升酶水解和发酵制醇效果．在所选因素的水平范围内，w(H2SO4)对还原糖收率具有非常显著的影响，水解温度对其具有显著影响，水解时间的影响显著性其次，液固比的影响并不显著．b)通过单因素试验和响应面法对铜藻稀酸水解预处理条件进行优化，确定铜藻稀酸水解预处理的最佳工艺参数:水解温度为120℃，液固比为20∶1，水解时间为2.00h，w(H2SO4)为4.50%．在该条件下，还原糖收率可达25.57%．试验结果表明，稀酸水解铜藻过程中的影响因素之间具有交互作用，并非各自孤立存在．
溶解浆是由自然界含有纤维素的植物(如棉、木材等)经化学加工纯化而得到的一种纤维素含量相当高，半纤维素、木素和其他成分含量相当少的化学精制浆［1-2］。这种浆白度高，纤维素分子质量分布均匀，反应性能良好，又称为浆粕。溶解浆主要以木材和棉短绒为原料，竹、芦苇和甘蔗渣等也有少量应用。溶解浆主要用于生产粘胶纤维、硝化纤维、醋酸纤维、玻璃纸、羧甲基纤维素等产品［3］。与普通的造纸用浆相比，溶解浆生产的得率较低，一般只有30%～35%。
1溶解浆的主要原料
溶解浆的主要原料是木材，其次为棉短绒等。近些年，因为竹浆独特的性能，竹子成为溶解浆的又一重要原料。生产溶解浆的原料应该具备如下品质:①α-纤维素含量高;②灰分和树脂含量低;③细胞组成较单一，杂细胞少;④易于漂白和废液回收;⑤原料易于加工，腐朽较少;⑥原料蓄积量大或易于人工造林。
1.1木材
木材是制溶解浆的主要原料。木材有针叶木和阔叶木两大类，前者包括铁杉、云杉、冷杉、鱼鳞松、马尾松和云南松等，后者包括桉树、白杨和桦木等。长期以来，因为一些特选的针叶木中所含的纤维素较多，多戊糖和树脂含量较少，溶解浆的得率相对较高，世界各地的溶解浆生产多以针叶木为原料，如白松(包括臭松、沙松和鱼鳞松)。白松的纤维素含量高，树脂含量少，材质不紧密，多戊糖及酚类物质也较少，易于蒸煮、漂白，所得溶解浆质量较好。随着溶解浆用量的增长和制浆技术的进步，阔叶木也广泛地用于溶解浆的生产。目前，预水解硫酸盐法制浆可以使用80多种阔叶木，亚硫酸盐法制浆可以使用40多种阔叶木。有时由于原料供应的关系，甚至可以使用混合原料生产溶解浆。
1.2棉短绒
棉短绒是密集的生长在棉籽表面的短纤维，棉短绒平均含绒量为棉籽质量的10%～13%［4］，在榨棉籽油之前经剥绒机剥取。一般进行三道剥绒，第一道绒较长，纤维长度在13mm以上。第二道和第三道绒较短，纤维的平均长度为3～8mm。溶解浆的生产一般不用或少用第一道绒，主要使用第二道和第三道绒。
1.3其他原材料
甘蔗渣曾是草类溶解浆生产的主要原料，甘蔗渣是制糖工业的副产品。蔗渣溶解浆质量稍次于棉短绒溶解浆和木材溶解浆，主要表现在甘蔗渣溶解浆的反应性能差。由于甘蔗渣纤维成分比较复杂，成品得率较低，仅有19%～20%(对原料)，而且化学药品消耗较高，废液回收相对而言缺乏经验。作为扩大溶解浆的原料来源是可以肯定的，但是否适合建厂要考虑技术经济问题。芦苇生产溶解浆也曾有人研究，同样存在如上问题［5］。近几年，由于竹纤维的兴起以及棉短绒和木材溶解浆的短缺带来的溶解浆价格上涨，竹纤维溶解浆得到较快发展。采用竹材生产溶解浆使得溶解浆的生产又多了一种新的可持续再生的新原料，并且竹材生产溶解浆的技术正日臻成熟。
2溶解浆的蒸煮工艺
不同的原材料需要不同的工艺来生产溶解浆，如木材溶解浆的蒸煮工艺主要有亚硫酸盐法和预水解硫酸盐法［6］，而棉短绒主要使用碱法，现将溶解浆的生产工艺介绍如下。
2.1亚硫酸盐法
亚硫酸盐法是一种用含有游离SO2的亚硫酸氢盐在高温下蒸煮的方法。过去，大部分针叶木溶解浆是采用亚硫酸盐法生产的，阔叶木也可采用亚硫酸盐法来生产溶解浆。亚硫酸盐法与预水解硫酸盐法相比具有较好的反应性能，溶解浆的得率也较高。但是，亚硫酸盐法对原料要求较严格，需要以树脂含量较低的木材为原料。由于预水解硫酸盐法的出现以及亚硫酸盐法废液处理和原料限制等问题，现在亚硫酸盐法使用的相对较少。
2.2预水解硫酸盐法
预水解硫酸盐法主要用来生产高纯度的溶解浆，作为人造纤维浆和其他纤维素衍生物用浆。具有特殊用途的造纸用浆也可用预水解硫酸盐法来生产。特别是半纤维素和树脂含量高的纤维原料，适合采用预水解硫酸盐法。预水解硫酸盐法包括预水解和硫酸盐蒸煮两个环节。
2.2.1预水解工艺
目前，常用的预水解处理方法有3种:酸预水解、水预水解和汽预水解。预水解的主要作用是:①降低原料中半纤维素的含量，改变其结构，提高浆料中α-纤维素含量;②提高浆料的反应性能，在酸性条件下，破坏纤维的初生壁，并使初生壁在制浆过程中脱落下来，富含纤维素的次生壁暴露出来，从而提高浆料的反应能力;③控制浆料的聚合度。(1)酸预水解酸预水解法是用无机酸(H2SO4、HCl、H2SO3等)作为预水解剂处理原料。其中，H2SO4比较便宜，也比较普遍。在以H2SO4作为预水解剂时，一般酸的浓度为0.3%～0.5%，温度控制在100～125℃。(2)水预水解法水预水解法是以清水为预水解剂对纤维原料进行预水解的方法。在水解过程中，原料在热水中分离出乙酰基和甲酰基，形成醋酸和甲酸，得以供给H+进行酸水解。与此同时，还有其他有机酸，使酸度增加，水解作用逐渐激烈，到水解终了时，pH值最低能降至3.0左右。一般水预水解温度为140～180℃，时间为20～180min。(3)汽预水解汽预水解法是以饱和过热蒸汽作为预水解剂，在高温下进行预水解的方法，其作用机理与水预水解相同，但比水预水解液比小，水解液中的H+浓度大，水解反应迅速，且升温时间短，一般只需要10～30min。蒸汽预水解操作简单，蒸汽耗用量少，所以在工厂中得到广泛使用。
2.2.2预水解后浆料的硫酸盐法蒸煮
预水解后浆料(半料)的硫酸盐法蒸煮与一般的硫酸盐法蒸煮相同。但由于预水解过程中木素的缩合和其他物质结构的变化，使预水解浆料的颜色变深。所以为了保证成浆质量的要求，蒸煮用碱量要高于一般造纸用浆，最高温度和时间也要适当控制［7］。
2.2.3预水解硫酸盐法蒸煮的优缺点
相对于亚硫酸盐法而言，预水解硫酸盐法的优点是:①可以适用于木材和非木材原料，并可适用于稍带树皮的原料;②碱回收工艺已经有较成熟的设备和经验;③采用ECF和TCF漂白后，溶解浆的白度可以提升至92%以上;④预水解硫酸盐法能够生产α-纤维素含量高的溶解浆，而且聚合度分布均匀，不仅可以用来生产粘胶纤维，还可以用来生产强力粘胶纤维和高湿模量纤维等产品。缺点是:①溶解浆的反应性能较亚硫酸盐法差;②不宜做醋酸纤维使用;③溶解浆的得率低，如一般粘胶短纤维用浆，对针叶木而言亚硫酸盐法得率为37%，预水解硫酸盐法为30%左右［5］;④生产成本较高，主要受木材的单位消耗、化学药品消耗和废液回收成本等因素的影响。
2.3碱法
碱法通常是用NaOH溶液来处理纤维素原料，使原料中的低聚物和非纤维素物质溶出。由于所用的化学药品是NaOH，故又称苛性钠法。此法只适用于棉短绒溶解浆的制造。用碱法对棉短绒进行处理的目的是:①使木素生成碱木素，树脂和脂肪皂化，蜡质乳化，并大部分溶解出来;②使半纤维素溶解于碱液中，同时纤维素在碱液中被少量空气氧化，使聚合度下降;③纤维素在碱液中发生有限溶胀，初生壁被破坏，使溶解浆的反应性能提高。碱法蒸煮温度一般控制在150～175℃，用碱量为14%～18%，尽量避免空气对聚合度和得率的影响，为了保证蒸煮的均匀性，可适当的加入表面活性剂。
2.4预水解碱法
预水解碱法有间歇式和连续式两种，主要用于甘蔗渣溶解浆的生产。其中的预水解工艺类似于预水解硫酸盐法中的预水解，半料的碱法蒸煮用碱量一般控制在18%～22%，温度控制在130～140℃。
3溶解浆的漂白
漂白是通过化学药品的作用除去浆中的木素或改变木素发色基团的结构而提高溶解浆白度和纯度的化学过程，是溶解浆生产的重要工序。漂白过程中化学反应多，操作复杂，影响因素诸多。溶解浆的漂白需要达到3个目的:①提高纤维素的白度(亮度);②适当地降低纤维素的聚合度，并使分子大小趋于均匀;③进一步提高纯度，去除溶解浆中的油脂、蜡质、木素、灰分和铁质等非纤维素杂质，进而提高溶解浆的反应性能。一般来讲，在纺丝工艺不变的情况下，白度越高，反应性能越好。以往大多数工厂选用次氯酸盐(H段)为漂白剂，也有用Cl(C段)、ClO2(D段)和其他漂白剂的。次氯酸盐不但能起到漂白的作用，更重要的是次氯酸盐能够调节溶解浆的聚合度(DP)和DP分布，使溶解浆具有良好的反应性能。对于溶解浆漂白来说，酸处理(A段)不仅可以提高和稳定漂后浆料的白度，而且可以降低浆中灰分和金属离子含量。典型的漂白流程有CEHA、CEHHA、CEHDA、DEHA和DEHDA。为了避免漂白过程中纤维素的过度损伤，必须对漂白剂的用量、温度和pH值等加以严格控制。理论上讲，在对溶解浆进行漂白时，氧化剂会对纤维素产生两种作用，一种作用是纤维素分子中各个不同位置的碳原子或多或少受到氧化作用而生成各种形式的氧化纤维素，使纤维素聚合度下降，反应性能得到提升;另一种作用是纤维素的羟基在漂白过程中发生氧化，生成醛基和羧基，影响粘胶生产过程中的过滤性能，同样使纤维机械强度下降，给以后加工过程和成品质量带来不良的影响。从这个意义上讲，次氯酸盐是良好的漂白剂。因为次氯酸盐活性最小，对纤维素的侵蚀最少，生成的氧化纤维素少，羧基、醛基等氧化基团生成量也较少，反应性能能够在一定程度上得到保证。但随着全球对二恶英的认识和控制，C和H漂白在新建和扩建工厂中的应用受到限制。对于现代漂白技术中应用较多的氧脱木素(O段)、ClO2和H2O2(P段)漂白在溶解浆中的应用的相关研究报告并不多见，但可以说，现代先进的ECF和TCF漂白技术完全可以并已经在溶解浆漂白中得到应用。有研究表明，ClO2不仅可以降低树脂含量，更重要的是可以改善溶解浆的反应能力、黏度和过滤性能［8］。ClO2可以改善溶解浆反应性能的可能原因是由于ClO2氧化电势较低，漂白时碳水化合物降解比较少，但能够使木素结构单元的醚键和碳碳键断裂，有利于降低不溶性残渣的含量，从而提高溶解浆的反应性能［9］。进行氧脱木素对于提高溶解浆的反应性能作用不大，但可以减少漂白化学药品的用量，提高溶解浆的白度。有关H2O2漂白对溶解浆性能的影响的研究鲜见报道。
4溶解浆的技术质量指标
溶解浆的质量主要依赖于原材料的性质和溶解浆的生产加工过程［10］。制约溶解浆质量的技术指标主要有如下因素。
4.1聚合度(DP)及其均匀性和多分散性
DP是溶解浆一项主要技术指标，不同用途的溶解浆有不同的聚合度要求，但一般都低于纸浆对于DP(或黏度)的要求。在溶解浆的相关技术指标中，DP是约束性技术指标。另外，溶解浆的均匀性和多分散性对于最终的反应性能也极其重要。溶解浆的均匀性是指批与批、包与包、张与张之间平均DP的差别。DP不均匀，制胶时老成温度难以控制，溶后黏度与纺前黏度有所不同，过滤时在滤布容易发现未溶解的浆料。溶解浆纤维素DP的多分散性与不均匀性有明显的概念区别。溶解浆纤维素DP的多分散性是指纤维素分子DP的不均一性。测定溶解浆的DP分布，也能鉴别出溶解浆反应性能的优劣。较为普及的DP分布测定是用凝胶渗透色谱法(GPC)。用GPC测定溶解浆的DP分布，主要观察其DP小于200和大于1200的比例大小，如果溶解浆DP小于200部分比例过多，会造成黄化反应不均一，这些低分子残留物混入成形后的粘胶纤维中，严重影响成品纤维的质量。反之，如果溶解浆DP大于1200的部分比例过多，将会在粘胶液中形成凝胶状的膨润体，致使粘胶液过滤困难。因此，如何把溶解浆DP小于200和DP大于1200这两部分的比例降到最小，使DP分布尽可能达到比较均一，是制备高质量溶解浆的重要目标［11］。一般而言，溶解浆DP多分散性与制浆原料的质量均匀性有关，而溶解浆DP的均匀性则受制浆工艺的影响。
4.2纤维素、半纤维素和木素含量
α-纤维素是溶解浆的主要成分，其含量指标代表着溶解浆的纯度。溶解浆的用途不同，α-纤维素含量的要求也不同。α-纤维素含量的高低对于反应性能和产品质量影响的认识尚未统一。但人们普遍认为在粘胶纤维生产过程中，半纤维素的磺化速度快，当溶解浆中半纤维素含量高时，不仅要多耗用CS2，使粘胶纤维过滤困难并降低粘胶纤维的透明度，而且会造成磺化不均匀，影响粘胶纤维的溶解性能，帘子线的疲劳强度也随之降低［12］。而杂质中的木素具有特殊的结构和反应基团，可降低溶解浆的润湿能力，延缓老成速度，导致粘胶纤维的柔软性变差［13］。
4.3吸碱值
吸碱值是溶解浆质量的一项重要指标。粘胶纤维生产工序首先要把溶解浆与NaOH经浸渍压榨制成碱纤维素，为了使棉浆粕纤维素与碱的反应完全，就要求浆粕具有较高的吸碱值。一般情况下，吸碱值愈高品质愈佳。但是吸碱值高的溶解浆需较高的浸渍温度，不仅增加能耗，而且会给压榨带来困难。吸碱值低可适当降低浸渍温度，但吸碱值过低的溶解浆其毛细孔隙度下降，透气度减小，使碱比不均匀。对普通粘胶纤维生产而言，并不需要过高的吸碱值，重要的是减少批与批之间的离散程度。
4.4灰分
溶解浆中的灰分主要由两部分组成，第一部分为原料自身携带，第二部分为在蒸煮过程中蒸煮药品吸附在纤维上，以及不溶性聚合盐，一般为Si、Ca、Fe、Na等的化合物。溶解浆中灰分的存在，尤其灰分中的SiO2含量，影响老化时间和过滤，使粘胶黏度增高，降低纤维素黄酸脂在碱液中的溶解能力，含量尽量控制在0.60%以下［14］。水质对浆粕灰分的影响也是不能忽视的。生产溶解浆时在洗涤过程中，应采用软水，这是保证浆粕质量的重要措施之一。如果使用自来水或地下水，必须注意水源水质的变化，需经常检验水质。
4.5金属离子
金属离子的存在会使粘胶纤维的黏度增高，并能与酸生成不溶性盐，如CaSO4、MgSO4，从而降低酸浴的透明度或堵塞喷丝头。Fe3+等金属杂质能加速碱纤维素的老成降解，使工艺不稳定，最终影响粘胶纤维的强度和色泽［13］。在溶解浆生产过程中，应逐批做好半制品灰分和铁质的检验。如发现灰分和铁质偏高时，就应及时在酸处理过程中增加六偏磷酸钠或其他去除剂的用量。此外，要降低溶解浆灰分和铁质的含量，还应加强蒸煮、漂白等工序的洗涤。
4.6反应性能
广义上讲，溶解浆的反应性能是评价溶解浆品质的综合性技术指标。经验证明，反应性能优良的溶解浆必须是DP分散性少、α-纤维素含量较高、杂质较少(非纤维素成分)、灰分、铁含量较低。可以这样说，原料来源和蒸煮漂白工艺决定了溶解浆的反应性能。狭义上讲，溶解浆的反应性能是指纤维素参与不同化学反应的能力。纤维素的两个位于2，3位上的仲羟基比位于6位上的伯羟基具有更高的反应活性［15］。对于衍生化反应而言，发生在碳环2，3位的反应是动力学稳定的，而发生在6位的取代反应是热力学稳定的［15］。又有研究表明，结晶度不会影响到溶解浆的反应性能［16］，因此，从某种意义上讲，纤维素2，3位上暴露的仲羟基数量多，反应性能就相对较好。当然，不管是广义的反应性能还是狭义的反应性能，对可能影响反应性能的众因素进行综合衡量才具实际意义。例如在溶解浆的生产实践中，经常会碰到这样的情况，生产出溶解浆的各项化学指标都达到标准要求，可是在化纤厂生产粘胶纤维工艺过程中却出现了质量问题，集中表现为反应性能不好，制成粘胶的过滤性能差，它将影响整个后续化学加工的顺利进行，严重时造成粘胶液全部报废。这时就需要考虑在溶解浆质量指标中没有量化规定的容易被忽视的其他影响因素，如不均匀性、溶解浆DP的多分散性和羟基的反应活性等，并给予足够重视。
5环境保护和废水综合利用
溶解浆生产过程除增加一段预水解外，与传统的硫酸盐法制浆并无本质的区别，因此溶解浆整个生产过程中制浆和漂白废水，主要使用硫酸盐法制浆废水的处理方法，即制浆黑液采用碱回收技术，而漂白废水主要采用物化、生化法达标排放。预水解(蒸汽或水预水解)过程中由于多聚糖的脱乙酰作用释放出有机酸(乙酸)，为半纤维素的自水解提供酸性环境，因此预水解废液的pH值低于4［17］。预水解废液中含有半纤维素、皂化物、松节油和少量木素等物质。目前实际生产中较为常用的方法是采用黑液或苛化来的白液中和的办法对预水解废液进行处理，中和后的液体一并送碱回收进行燃烧处理。这种处理方法不但加大了蒸发站的负荷，而且由于半纤维素的热值只有木素的50%［18］，会影响黑液燃烧的热值。因此，预水解废液的处理和综合利用应该引起注意。实际上，预水解废液主要含有半纤维素，可以用于制备乙醇、丁醇、丙酮和糠醛等高附加值产品［19］。近年来，由于人们对生物精炼概念的深入认识和低碳经济和循环经济的高度重视，预水解废液的综合利用已经成为研究热点。但是从技术上可行到经济上可行是一个漫长的过程，需要不断地探索和改进。
6溶解浆的发展历程与展望
20世纪50年代以前，溶解浆普遍以木材为原料采用亚硫酸盐法生产，其α-纤维素的含量一般在88%～90%。到20世纪末，溶解浆的生产技术有了明显的变化和发展，主要体现在以下几方面。(1)在亚硫酸盐法溶解浆生产中，改变了传统的以云杉和冷杉(白松)为原料的局面，阔叶木得到了广泛的应用;(2)采用专门的精制技术，如冷碱和热碱联合精制或者亚硫酸盐-碱两级蒸煮技术，可使亚硫酸盐法溶解浆的α-纤维素含量达到96%以上;(3)发展了预水解硫酸盐法新工艺，扩大了适用树种的范围;(4)随着强力粘胶帘子线和高模量粘胶纤维的发展，要求溶解浆具有更高的α-纤维素含量。现在高精制溶解浆纤维素含量已达到96%以上，有的甚至高达99%;(5)采用多段漂白和漂白中应用ClO2，使在减少纤维素溶解的情况下，提高了溶解浆白度。
进入21世纪特别是最近10年，溶解浆的生产又有了新的动态，主要表现在以下几方面。(1)预水解硫酸盐法成为溶解浆的主要生产方法;(2)溶解浆的生产设备由间歇蒸煮向置换蒸煮乃至连续蒸煮方向发展;(3)氧脱木素和ClO2漂白在溶解浆生产中得到应用，少用或不用次氯酸盐，ECF和TCF漂白得到逐步的应用;(4)竹材逐步成为国内继棉短绒和木材后的又一重要溶解浆原料来源;(5)采用非预水解的方法生产溶解浆正在研究过程中，其中包括生物精炼技术，并有可能成为生产溶解浆的新工艺。
7结语
由于2010年全球棉花产量的减产，加之溶解浆需求量的增加，溶解浆价格在2010年至2011年初出现暴涨，全球部分溶解浆生产商计划增加产能，但鉴于海外严格的环保政策及我国纺织业较高的密集度，新增产能的布局在很大程度上开始偏向中国。具不完全统计，2011年我国溶解浆产能将由2010年初的15万t上升为90万t，在2012年产能达到165万t，而进口溶解浆总量将维持在100万t左右。青山纸业、晨鸣纸业和太阳纸业等溶解浆新产能正在加紧筹备中。对于溶解浆的生产，原料是基础，蒸煮是关键，漂白是调整，性能是目的。原料问题是制约溶解浆生产的突出问题。受棉田限制，棉短绒在将来不会有较大的增长，因此原料必须向木材和非木材(主要是竹材)方面发展。在原料选择问题上我国的北方可以考虑桦木、杨木和落叶松等，南方可以考虑马尾松、云南松、白松、桉树和竹材等原料。蒸煮宜采用传统的间歇式和改良的硫酸盐蒸煮技术，并结合现代ECF和TCF漂白工艺进行生产。
关键词：纤维素乙醇；木质纤维素；产业化；生物精炼；乙醇联产
Abstrct：Withtheenergycrisisandenvironmentalproblems?becomingincreasinglyprominent，worldenergydevelopmentisenteringanewperiod.Thatis,theworldisexperiencingtherevolutionthattheenergy?isbeingrestructuredfromfossilenergyconsumptiontofocusingmainlyontherenewableenergyrevolution.Celluloseethanolisbeenthebestalternativeliquidfuelandindustrialbiotechnologyresearchfocusesonecologicalbenefits.Inthispaper,theauthorssummarizethestatusofcelluloseethanolathomeandabroad,andanalyztheimpact?factors?affectingcelluloseethanolindustrydevelopmentandthedevelopmenttrendofthecelluloseethanolindustry.
Keywords：Celluloseethanol;lignocellulose;industrialization;bio-refining;co-productionofethanol
0引言
能源问题是当今世界各国都面临的关系国家安全和经济社会可持续发展的中心议题，已经成为全球关注的焦点。因此，人们开始把目光转移到有利于社会可持续发展的可再生能源体系。专家认为，生物质资源转化体系是引领第三次世界能源革命的技术平台。在此背景下，燃料乙醇已经被视为替代和节约汽油的最佳燃料，其高效的转换技术和洁净利用日益受到全世界的重视，已经被广泛认为是21世纪发展循环经济的有效途径。
在中国，燃料乙醇的主要原料是玉米和小麦。随着燃料乙醇的快速发展，原料问题日益突出，成为制约燃料乙醇发展的瓶颈；另外，以粮食作物为原料的燃料乙醇产业发展还有可能引发国家粮食安全问题。因此，中国政府提出生物乙醇坚持非粮之路，即“不与人争粮，不与粮争地”。经济分析显示，中国发展纤维素乙醇有更大的优势。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，也是当前利用率最低的资源，是各国新资源战略的重点。中国可利用的木质纤维素每年在7亿吨左右，这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物。所以，纤维素乙醇是未来发展的必然方向。
1木质纤维素原料组成及性质
木质纤维素是由纤维素、半纤维素、木质素和少量的可溶性固形物组成。纤维素大分子是由葡萄糖脱水，通过β-1,4葡萄糖苷键连接而成的直链聚合体。在常温下不发生水解，高温下水解也很缓慢。只有在催化剂的作用下，纤维素的水解反应才显著进行。常用的催化剂是无机酸或纤维素酶，由此分别形成了酸水解和酶水解工艺。半纤维素是由不同的多聚糖构成的混合物，这些多聚糖由不同单糖聚合而成，有直链也有支链，上面连接有不同数量的乙酰基和甲基。半纤维素的水解产物主要有己糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、戊糖和阿拉伯糖等几种不同的糖。半纤维素的聚合度较低，相对比较容易降解成单糖。二者的水解机理可以用下列方程式简单地表示：
(C6H10O5)n+nH2OnC6H10O6
(C5H804)n+nH2OnC5H10O5
2国外纤维素乙醇的研究与应用现状
随着现代工业的迅速发展，大规模开发利用作为清洁能源的可再生资源显得日益重要。许多国家都制定了相应的开发研究计划，例如：美国的“能源农场”、巴西的“酒精能源计划”、印度的“绿色能源工程”和日本的“阳光计划”等发展规划。其它诸如丹麦、荷兰、德国等国，多年来一直在进行各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。
自1973年世界石油危机后，巴西就实施了“国家乙醇生产计划”，主要依靠本国丰富的甘蔗资源，积极发展燃料乙醇产业，目前已经发展320多家燃料乙醇生产企业，1400万吨/年的乙醇生产规模。大部分企业实行燃料乙醇和糖联产。美国在燃料乙醇的生产上仍然是世界乙醇生产的领头羊，在将纤维素转化为燃料酒精的研究、生产和应用方面也走在世界的前列。美国加州大学Berkeley分校采用的流程是纤维素水解与发酵同步进行，该工艺以粉碎的玉米芯为原料，再用稀酸水解，将半纤维素水解成木糖等产物。该流程的酸水解是连续进行的，反应器中的纤维原料含量为5%，玉米芯水解率达40%，水解液中糖为2.6%，然后采用多效蒸发器浓缩至糖浓度为11%再进行发酵。美国维吉尼亚州立大学利用80%的浓磷酸循环使用进行木质纤维素“溶解性分离”的研究，然后经纤维素酶水解，得到较纯的葡萄糖，其得率达到35%。瑞典隆德大学KarinOhgren等研究了将蒸汽爆破预处理后的玉米秸秆进行同步糖化与发酵的工艺研究，试验结果表明，发酵结束后乙醇达到25g/L。
近年，随着纤维乙醇技术的快速发展，一些大公司开始计划建造较大规模的试验性工厂。美国的GulfoilChemical公司建成了可处理1t/d纤维废料的中试车间，年产纯乙醇2亿升，乙醇产率为27.7%。加拿大的Iogen生物技术公司，在渥太华开设了以麦秸为原料的3.2万加仑/年纤维素乙醇厂，采用稀酸结合蒸汽气爆预处理半纤维素，随后用纤维素酶水解，分离后的液体进行木糖和葡萄糖联合发酵。经评估，其生产成本比谷物乙醇高出30%～50%。
3国内纤维素乙醇研究与应用现状
我国在纤维素乙醇技术开发上也取得了一些重要进展。浙江大学主持的“利用农业纤维废弃物代替粮食生产酒精”的项目已在河北完成中试生产，以玉米芯为原料，乙醇产率为22.2%（W/W）。南京林业大学建立了玉米秸秆间歇蒸汽爆破预处理、纤维素酶水解和戊糖己糖同步发酵技术制取纤维乙醇的中试装置。水解得率为71.3%，还原糖利用率和乙醇得率分别为87.17%和0.43%。华东理工大学于2005年已建成了纤维乙醇600吨/年的示范性工厂，以废木屑为原料，以稀盐酸水解和氯化亚铁为催化剂的水解工艺以及葡萄糖与木糖的发酵，转化率达到了70%。河南农业大学利用黄胞原毛平革菌和杂色云芝的复合预处理，对选择性降解木质素的能力和规律进行了试验研究。生物降解后原料水解率达到了36.67%。山东大学微生物技术国家重点实验室主要开展“纤维素原料转化乙醇关键技术”研究。对纤维素酶高产菌的筛选和诱变育种、用基因手段提高产酶量或改进酶系组成、纤维素酶生产技术等研究。吉林轻工业设计研究院“玉米秸秆湿氧化预处理生产乙醇”在实验室规模为10L发酵罐条件下，经湿氧化预处理和酶水解后酶解率86.4%；糖转化为乙醇产率48.2%。
近年来，以河南天冠集团和中粮集团为代表的几家大型燃料乙醇生产企业，与高校联合进行纤维素乙醇的工业化技术的探索性研发。目前，河南天冠集团将建成300吨/年的乙醇中试生产线，原料转化率超过了16%。中粮集团于2006年在黑龙江肇东启动建设500吨/年纤维素乙醇实验装置。吉林九新实业集团建立了3000吨/年的玉米秸秆生产纤维乙醇示范性工厂。
迄今为止，全世界已经建有几十套纤维质原料经纤维素酶水解成单糖的中试生产线或小试生产线。纤维燃料乙醇在国内外研究正步入一个新的时代，在一些关键技术上取得了重要的进展，并建立了多个示范性工厂。但整体上，由于在纤维素酶生产技术、戊糖己糖发酵菌株构建等方面还没有取得根本性的突破，所以距离纤维素乙醇的产业化还有一定的距离。
4影响纤维乙醇产业化的主要因素
近年来，国内外对利用木质纤维转化乙醇进行了大量的研究，工艺路线已经打通，但当前要想实现工业化生产，在原料收集、预处理、糖化、发酵和精馏各工艺过程中还存在着制约纤维素乙醇生产的问题，主要表现为以下四个方面
（1）木质纤维素原料分散，季节性强，尤其是农作物秸秆。
（2）木质纤维素预处理技术有待进一步优化和提高。由于天然纤维素原料的结构复杂的特性，使得其纤维素、半纤维素和木质素三者不能有效分离；另外伴随产生一些中间副产物，实验表明，这些物质抑制酵母的生长和代谢，最终影响乙醇产率。
（3）缺乏高效的纤维酶菌株，现有的纤维素酶制剂效果较低，使得酶解糖化经济成本较高，当前生产一吨纤维乙醇需要酶制剂成本在2200～2600元。
（4）缺乏能够同时高效利用戊糖和己糖的发酵菌株。在木质纤维水解中，其中有相当比重的木糖（葡萄糖/木糖约为2）。因此，戊糖的利用是影响纤维乙醇综合成本的关键一项。
5未来纤维素乙醇产业化发展趋势
目前，国外纤维素乙醇产业化的研究已经成为了热潮，正步入一个关键时期，中国在这方面也有良好的基础。为了使纤维素乙醇尽早地实现产业化，除了以上几项关键技术进一步解决好外，还应当借鉴石油化工的经验，坚持走生物精炼和乙醇联产的模式，尽可能地最大提升和拓展底物的各组分的经济价值，也许是促使纤维素乙醇产业化的重要途径。
尽管木质纤维素原料本身非常廉价，但是将其转化成乙醇的工艺过程非常复杂，需要大量的能耗。这主要是由木质纤维素自身的结构特性决定的，而得到的目标产物是经济附加值并不很高的乙醇，致使单位乙醇的经济效益并不具备较强的市场优势。而生物精炼和乙醇联产模式就打破了原来由生物质生产单一产品的观念，实现原料充分利用和产品价值最大化，就是所谓的“吃干榨净”，正如目前的利用粮食生产乙醇一样。例如，利用玉米同时生产燃料乙醇、玉米油、蛋白粉、高果糖浆、蛋白饲料和其他系列产品，这样提升了整个工艺产品的经济附加值，同时取得良好的经济效益和社会效益。同样利用木质纤维素的三大类组分也可以衍生出多种产品。例如：目前，大多的木糖醇厂主要是利用玉米芯中的半纤维素生产木糖醇，结果剩下大量的木糖渣（主要是纤维素和木质素），如果进行联产模式，将剩下的纤维素与木质素进行组分分离，分别生产纤维乙醇和优质燃料或木素磺酸盐，就有可能进一步提升产品的综合效益。
综上所述，中国应该利用纤维素乙醇作为主要的生物能源，加快以纤维素乙醇为核心的综合技术开发，尽早实现其产业化发展的目标。相信经过“十一五”计划的实施，中国在利用纤维素废弃物制取燃料乙醇方面，必将取得更大的进展，为缓解液体燃料短缺、促进环境保护和社会可持续发展等方面发挥重要作用。
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关键词：木质纤维素；纤维素酶；纤维素酶解
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.185
1 引言
木质纤维素原料来源十分广泛，是储量丰富的可再生资源[1]。据统计，全球每年生产该类物质约200×109吨，其中有90%以上是木质纤维素类物质，而它们当中有8～20×109仍具有潜在的可利用性[2]。包括农业废弃物（秸秆、蔗渣等）如何处理，对环境压力以及可再生能源的利用具有现实意义。因此，在生物燃料、生物基化学品、分子材料、食品等领域这些廉价及丰富的木质纤维素，都具有广泛的应用空间。
纤维素的结构单位时D-葡萄糖，其分子式为：（C6H10O5）n，式中n为葡萄糖基数目，称为聚合度。经长期研究，已证实天然纤维素中D-葡萄糖基以吡喃环的形式存在，并且相互以β-1，4糖苷键构成分子链，因为这对吡喃式D-葡萄糖具有最低的能态，这也是其二聚物（纤维二糖）及共衍生物的真正形式。由于葡萄糖上带有多个羟基，因此纤维素分子间容易形成氢键，进而使得链与链之间氢键紧密连接易于聚集成结晶性的原纤结构。如图1所见，大量氢键网状结构中存在着相对规则的结晶区，其阻碍了纤维素分子的进一步利用，故纤维素水解前需进行预处理，破坏它的氢键及结晶区，以便更好地水解纤维素，从而增加它的酶可及面积。
2 纤维素酶作用机理
纤维素酶是指能够水解纤维素β-1，4-糖苷键，进而生成葡萄糖的一类酶的总称，它是由几种酶共同协同作用，而不是单一的酶，其中主要包括外切葡聚糖酶（CBH，C1）、内切葡聚糖酶（EG，Cx）和β-葡萄糖苷酶（CB，纤维二糖酶）。长期的研究表明，结晶纤维素的彻底降解至少需要这3组纤维素酶的协同作用，如图2所示，Cx能容易地降解接近类型的纤维素或衍生物，Cx只有和C1组分结合时才可以利用晶形式的纤维素。C1酶首先作用于结晶纤维素表面，使其形成结晶构的纤维素键断开，长链分子末端游离，从而其转化成可被Cx酶作用的形式，Cx酶水解非结晶或纤维素、可溶性纤维素转化为纤维二糖，最后由β-葡萄糖苷酶将纤维二糖、三水解为葡萄糖。
3 单一纤维素组分作用机理
（1）内切葡聚糖酶（EG或Cx）。Cx酶作用于纤维素的β-1，4葡萄糖苷键，随机切割，产生大量纤维素的还原性末端。测定Cx酶活力方法较多，通用的方法是利用羧甲基纤维素钠（CMC）作为底物测其酶活，由于它是一种高聚合度的可溶性纤维素衍生物，还原性所占比例较少，纤维素酶易于作用β-1，4葡萄糖苷键。
（2）外切葡聚糖酶（CBH，C1）。C1酶是指切割有Cx酶所产生的纤维素分子还原性末端，能够是纤维素长链释放出葡萄糖及小分子的寡糖。
有研究表明，已知外切葡聚糖酶具有2个独立的活性结构域：其一是指具有催化纤维素功能的结构域CD，其二是指具有结合纤维素功能的结合于CBD，二者由高度糖基化链相连接。查阅大量文献指出，C1对纤维素结晶区破坏作用极大，能够产生纤维二糖。其原因是首先是利用CBD把C1吸附在纤维素结晶区表面，其次再由单根葡聚糖链（纤维素）快速准确地进入CD中带底物结合和催化部位的“隧道”，纤维二糖被准确地从葡聚糖链上切割下来并被释放出来的同时，C1分子沿着葡聚糖链向前滑动2个葡萄糖单位[3]。
（3）β-葡萄糖苷酶（CB，纤维二糖）。CB酶又称β-D-葡萄糖苷葡萄糖水解酶，它能够作用于结合在末端非还原性的β-D-葡萄糖苷键，水解生成部分β-D-葡萄糖以及相应的配基。在水相系统中，CB酶能水解纤维二糖及一些聚合度小于6的纤维糊精为葡萄糖，随着聚合度的增加，水解效果显著下降。
4 总结
木质纤维素广泛的来源，如农业废弃物、餐厨垃圾以及部分工业残余物等，可通过预处理和水解发酵转化为能源物质。在此基础上，需要在理论研究做出深入解释，以便更好的应用于实践。
参考文献：
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[3]方，秦玉琪，李雪芝，王禄山，汪天虹，朱明田，曲音波.纤维素酶与木质纤维素生物降解转化的研究进展[J].生物工程学报，2010（26）：864-869.
1纳米纤维素制备方法
1.1机械法制备MFC
天然纤维素经高压机械处理，得到一种新型高度润胀的胶体状纳米纤维素，一般称之为微纤化纤维素(MFC)。MFC是由一些长的线状微细纤维组成的无规则网状物，保留了微细纤维的外形，其纤维直径为10～50nm，长度为直径的10～20倍［6］。通过机械法制备MFC，无需化学试剂，对环境影响小。但采用这种方法制备的MFC粒径分布宽，且制备设备特殊，能量消耗高，因此该方法目前应用较少。高压均质法和化学机械法都属于机械制备法。
1.1.1高压均质法
高压均质法是将纤维素分解成纳米纤维素的一种常用的机械制备方法。在高压均质过程中，压力能的释放和高速运动使物料粉碎，从而减小物料的尺寸。20世纪80年代早期，Turbak等［7］以4%左右的预水解木浆为原料，制备出了MFC。文献［8］表明，Duf-resne等通过高压均质化作用对纯化后的甜菜纤维进行处理，使其细胞壁发生破坏，从而制备出MFC，MFC经干燥后可用于制备高强度纤维片。Zimmer-mann等［9］采用不同的原材料，通过机械分散和高压均质过程，制备出了最大长度及直径小于100nm的MFC。分析表明，微米尺寸的纤维素易团聚，网状结构的匀度较差。图2竹浆微纤化纤维素的扫描电镜照片
1.1.2化学机械法
高压均质法易出现均质机堵塞等问题，从而无法实现制备过程连续化。为解决上述问题，出现了一系列改进方法，即化学机械法。化学机械法是先用化学降解方法对纤维进行适当的氧化降解预处理，再用高压均质机进行均质化处理的制备方法。采用化学机械法，可以从木材、麦草和大豆中制备出MFC。ShreeP.Mishra等［10］以漂白阔叶木硫酸盐浆为原料，先用TEMPO-NaBr-NaOCl系统进行氧化，然后进行机械处理(即用普通搅拌机搅拌)，成功制备出结晶度较高的MFC。Alemdar等人［11］通过对麦草进行化学预处理，然后用机械法制备出了直径为10～80nm、长度为几千纳米的MFC。Wang等人［12］也采用该方法成功地从大豆中制备出直径为20～120nm、长度比麦草制备的MFC稍短的MFC。具体制备流程见图1。图1大豆制备MFC流程张俊华等［13］以漂白硫酸盐竹浆为原料，经过PFI打浆、化学预处理以及后续的高压均质化处理，制备出直径在0.1～1.0nm的纳米级MFC产品，如图2所示。
1.2化学法制备NCC
天然纤维素经酸水解或酶解后，得到NCC。NCC是一种直径为1～100nm、长度为几十到几百纳米的刚性棒状纤维素，一般具有天然纤维素Ⅰ的晶型，可在水中形成稳定的悬浮液［8］。化学法制备NCC的同时，还可对其表面进行改性，从而赋予纳米微晶纤维素新的功能和特性。因此化学法是国内外重点研究的NCC制备方法，研究者目前对NCC的制备、结构、性能及应用已有了比较深入的了解。
1.2.1酸水解法
酸水解法制备NCC会产生大量的废酸和杂质，对反应设备要求高，且反应后残留物较难回收，但制备工艺比较成熟，已实现工业化生产。NCC的尺寸、大小和形状在一定程度上由纤维素原料决定［14-15］。不同物种纤维素的结晶度、微原纤的尺寸差异较大。表1为不同纤维材料制备的NCC尺寸范围。从表1可以看出，采用针叶木、棉花和麻类这些植物原料制备的NCC尺寸相对较小，而采用被囊动物、细菌和海藻制备的NCC尺寸较大［8］。1947年，Nickerson等人［16］最早用盐酸和硫酸水解木材制备出纳米纤维素胶体悬浮液。1952年，Ranby［17］通过酸水解方法制备出了长度大约为50～60nm、宽度大约为5～10nm的纳米纤维素晶体。1997年，Gray等人［18］采用硫酸水解棉花、木浆等原料，制备出了不同特性的纳米纤维素，并研究了其自组装特性和纤维素液晶的合成条件。2006年，Bond-eson等人［19］优化了硫酸水解挪威云杉制备NCC的条件，找到了快速高得率制备纳米纤维素胶体的方法。棉纤维具有高结晶度、来源丰富和成本低廉等优点，成为制备NCC的优良原料。Dong等人［20］以棉滤纸为原料通过酸水解制备出了NCC，并研究了水解条件、制备方法和纤维悬浮液有序向列行为。Hasan-Sadeghifar等［21］以棉纤维为原料，通过HBr水解制备出了NCC，其制备的NCC直径为7～8nm、长度为100～200nm，具有较高的横向结晶度，如图3所示。丁恩勇等人［22］以棉纤维为原料，采用超声波分散和强酸水解的方法制备出尺寸在5～100nm、外形呈球状或椭球状的NCC，其颗粒外层的全部或局部具有纤维素Ⅱ的晶型，颗粒内部具有纤维素Ⅰ的晶型。Zhong-YanQin等人［23］以棉浆为原料，在TEMPO-NaBr-NaOCl系统氧化时采用超声波处理，制备出直径为5～10nm、长度为100～400nm的NCC。该方法制备的NCC结晶度高，得率稳定。微晶纤维素(MCC)与其他纤维素相比省去了漂白脱木素过程。MCC本身具有较高的结晶度和较小的粒度，为进一步快速高效制备NCC提供了条件。目前，国内外研究人员大多采用MCC作为制备NCC的原料。文献［8］表明，Marchessault等人采用硫酸水解MCC，不仅分离出NCC，而且还发现制备的NCC表面带负电荷，因此NCC由于静电排斥力的作用而形成一个稳定的纤维素悬浮液体系。Bai等人［24］对MCC进行酸水解得到NCC后，采用差速离心的方法将制备的悬浮液进行分级，从而得到满足不同需求、分布较窄的NCC。唐丽荣等人［25］以MCC为原料，以阳离子交换树脂为催化剂，通过硫酸水解制备的NCC直径为2～24nm。长度较普通酸水解制备的图4细菌NCC的透射电镜照片NCC的更长，呈丝状，且相互交织形成网状结构。除了以上用得较多的原材料，被囊动物、细菌纤维及麻类等由于具有较大的长径比，也成为制备NCC的原料。1952年，Ranby等人［17］研究了被囊动物和细菌纤维的物理化学性质。文献［8，25-26］表明，Terech等人通过硫酸水解被囊动物制备出宽为10～20nm，长为100nm至几微米的纤维素晶须;Grunert等人通过硫酸水解细菌纤维素制备出棒状的NCC，图4为Grunert所制备的细菌NCC的透射电镜照片［8，25-26］。许家瑞等人［27］以剑麻纤维为原料，采用氯气氧化降解法制备出平均直径为10～20nm，形状为球状的NCC水溶胶产品。WeiLi等人［28］以漂白针叶木硫酸盐浆为原料，结合酸水解和超声波处理，制备出直径为10～20nm、平均长度为96nm的NCC。Le-androLuduena和MaryamRahimi等人［29-30］分别以米糖和麦草为原料，采用HCl、NaOH预处理，之后用浓硫酸水解制备出NCC。
1.2.2酶解法
酶解法制备工艺条件温和，专一性强，且所用的试剂酶与纤维素酶均为可再生资源，因此其对社会可持续发展具有重要意义，预测酶解法将成为未来研究的热点。酶解即利用纤维素酶选择性酶解无定型纤维素，剩余部分即为纤维素晶体。在这一过程中，可能会发生表面腐蚀、剥皮以及细纤维化和切断作用［31］，从而使纤维素分子聚合度下降。目前，酶解研究采用较多的原料是木质纤维素、多种细菌纤维素和MCC。NorikoHayashi等人［32］用纤维素酶酶解海洋生物刚毛藻类MCC，得到了具有纳米尺度的纤维素。蒋玲玲等人［33］利用纤维素酶(绿色木霉，TrichodermaVrideG)水解天然棉纤维，制备出纳米纤维素晶体，该纤维素晶体粒径范围为2.5～10.0nm，大多呈球状。
1.3生物法制备NCC
生物法制备NCC的最大优点是低能耗、无污染，因此国内外都竞相发展这一技术。通过微生物合成法制备的纤维素通常被称为细菌纤维素。细菌纤维素的物理和化学性质与天然纤维素相近。生物法制备NCC时可调控NCC的结构、晶型和粒径分布等，因此容易实现工业化和商业化。但是细菌纤维素制备过程复杂、耗时长、成本高、价格贵、得率低［8，26］。文献［34］表明，1986年Brown等人发现木醋杆菌(Acetobacterxylinum)可生产细菌纤维素，此后人们对细菌纤维素的研究越来越深入。除木醋杆菌可以生产细菌纤维素外，根瘤农干菌(Agabaoteriumtumefa-ciens)、假单细胞杆菌属(Pseudomonas)、固氮菌属(Azotobacter)、根瘤菌(Rhizobium)等某些特定的细菌也能产生细菌纤维素，其中对木醋杆菌的研究比较深入［8，34-35］。采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，利用木醋杆菌处理可得到不同等级结构的纤维素。通过调节培养条件，也可得到化学性质有差异的细菌纤维素。此外，也可采用不同葡萄糖衍生物碳源生产纤维素，如Rainer［36］以阿拉伯糖醇和甘露糖醇为碳源生产纤维素，产生的纤维素量分别是以葡萄糖为碳源的6.2倍和3.8倍。为降低生产成本及减轻环境污染，薛璐等人［37］以大豆乳清代替蒸馏水作为培养液基质，提高了细菌纤维素的产量，降低了生产成本。
2纳米纤维素的应用
近年来，研究人员对纳米技术与纳米材料在制浆造纸领域中的应用表现出了极大兴趣。李滨等人［38］介绍了纳米技术及纳米材料在浆料制备、纤维改性、湿部化学、纸张涂料、功能纸生产等领域的研究进展，并对其存在的问题和潜在应用做了探究。王进和唐艳军等人［39-40］分别研究了纳米SiO2和纳米CaCO3在彩色喷墨打印纸涂料和纸张涂料中的应用。由于纳米纤维素具有极大的比表面积和丰富的表面羟基，若将其加入到纸浆中，其与纸浆纤维能够紧密结合，从而提高纸浆纤维之间的结合力，因此纳米纤维素可作为制浆造纸过程中的增强剂、助留剂和助滤剂，具有很好的发展前景。张俊华等人［41］研究了MFC对纸张的增强效果，其将竹浆MFC、阳离子淀粉及竹浆MFC与阳离子淀粉复配物分别加入到纸浆中进行抄片。实验结果表明，将竹浆MFC加入到纸浆中可提高手抄片的物理性能，且MFC与阳离子淀粉协同使用时，其增强效果要明显好于单独使用竹浆MFC或阳离子淀粉时的增强效果。宋晓磊等人［42］研究了聚酰胺多胺环氧氯丙烷(PAE)/NCC二元湿强体系对纸张湿强度的影响，其采用先加入PAE、之后加入NCC的方法进行人工抄片。实验结果表明，当NCC用量为4%时，PAE/NCC二元体系对手抄片的干抗张强度增强效果最好，最大值为112.6N•m/g，比单独加入PAE时提高了35.5%。吴开丽等人［43］所做的实验结果表明，NCC对纸张的物理强度有一定的增强作用，且不同制备工艺条件制备的NCC对纸张的增强效果也不同;此外，其还分析了制备NCC时反应时间、反应温度及酸浆比对纸张增强的影响。
NCC的悬浮液在磁场或剪切力的作用下能发生定向，干燥成固体后这种定向仍然存在，因此NCC具有手性向列液晶相的特殊光学性能。定向NCC膜所反射的圆偏振光颜色随入射角度变化而变化。基于这种特殊光学性能，NCC可用于荧光变色颜料(如荧光变色油墨)的制造;NCC的光学特性使其不能通过印刷和影印等技术进行复制，可用于防伪纸、防伪标签和高级变色防伪油墨［43-44］。纳米纤维素除了用于制浆造纸，在其他领域也有应用。
(1)高性能增强复合材料
纳米纤维素与普通纤维素相比，在高杨氏模量及强度方面有数量级增加。桂红星等人［45］研究了NCC对天然乳胶的增强效果，当NCC用量为4%时，硫化胶膜的拉伸强度提高了69%;撕裂强度提高了210%。采用纳米纤维素作为工程塑料的增强填充剂，纳米纤维素含量高达70%时，增强产品具有普通工程塑料5倍的高强度，与硅晶相似的低热胀系数，同时保持高的透光率。利用这种特性可开发出柔性显示屏、精密光学器件和汽车或火车车窗等新产品［26］。此外还可用于建筑行业的增强，比如承重墙、楼梯、屋顶、地板等。
(2)电子工业
Shah等人［46］开展了采用纳米纤维素做高解析度动态显示器件的研究，使其有望作为电子书籍、电子报刊、动态墙纸等的新材料。Jonas等人［47］的研究提到索尼公司已经将纳米纤维素应用到耳机隔膜中，如图5所示。
(3)医药工业
纳米纤维素晶体能牢固地吸附药物及其他配料，所形成片剂不易吸湿，但可迅速崩解，因而被广泛用作赋形剂和崩解剂，制造嘴嚼药片、糖衣片和膜衣片等。此外，纳米纤维素还可用于人造皮肤、人工血管、神经缝合保护罩、动物伤口敷料及牙齿再生等。
(4)日用化工业
粉末纳米纤维素晶体可作为黏结剂，直接用于化妆品的压制，所得到的产品表观细腻、平滑、易于擦去。据报道，日本和美国已将纳米纤维素用于膜滤器(无菌装置、超滤装置等)、高强度纸杯、可循环使用婴儿尿裤、仿人造皮革、指甲油等化妆品基质［26，48］。
(5)食品工业
纳米纤维素在食品行业主要作为食品添加剂，如乳化和泡沫稳定剂、高温稳定剂、增稠剂、悬浮剂、面粉替代物、脂肪替代物、冷冻食品及饮料中的添加剂等［43］。
3结语
关键词：木质纤维素；预处理方法；研究进展
中图分类号：Q31 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2012）07－1306-03
Research Advances of Pretreatment Technology of Lignocellulose
ZHANG Zhen，ZANG Zhong－sheng，LIU Ping，CHANG Xiu－lian，WEN Shao－hong
（School of Life Sciences，Yantai University，Yantai 264005，Shandong，China）
Abstract： Some practical pretreatment technologies of lignocellulose were briefly introduced， including the main methods， principles， advantages and disadventages. And the development prospect of pretreatment technology of lignocellulose was put forward.
Key words： lignocellulose； pretreatment method； research progress
随着世界经济的不断发展和石油资源的日益消耗，开发更加长久有效的能源是各国面临的一个巨大难题。作为一种可再生能源，生物质能源是中国能源可持续发展的必然战略选择之一。利用木质纤维素生产生物乙醇、丁醇等生物质燃料是生物质能源开发的重要内容。我国天然纤维素原料非常丰富（包括农作物秸秆、林业副产品、城市垃圾和工业废弃物等），利用生物技术分解和转化木质纤维素既是资源利用的有效途径，对于解决环境污染、食品短缺和能源危机又具有重大的现实意义。
1 木质纤维素的结构
木质纤维素是指以纤维素、半纤维素和木质素为主要成分的原料，3种成分在植物原料中的含量分别为35％～50％、15％～25％和15％～30％。纤维素是聚合度在1 000～10 000的葡萄糖的线性直链聚合物，由结晶相和非结晶相交错形成，结晶相结构致密，阻碍纤维素的分解。半纤维素结构较纤维素简单，主要是由木糖、阿拉伯糖等戊糖及少量的葡萄糖、甘露糖和半乳糖等己糖形成的直链或支链聚合物，在适宜的温度下易于溶解在稀酸溶液中并降解成单糖。木质素是一种由苯丙烷结构单体组成的具有复杂三维结构的芳香族高聚物，在植物结构中发挥胶粘作用，将纤维素和半纤维素紧密结合在一起，增大茎秆的机械强度，起到木质化作用，阻碍微生物对植物细胞的攻击，同时减小了细胞壁的透水性。纤维素和半纤维素作为可酵解糖类，占原料总重的65％～75％［1］。
2 预处理的目的
木质纤维素的转化利用可分为原料预处理、酶水解和糖发酵3个阶段，主要的技术瓶颈在于预处理技术不够成熟以及纤维素酶活性较低，造成生产成本过高。通过原料的预处理，可以破坏纤维素的结晶结构，降低木质素的聚合度，提高木质纤维素材料的多孔性，增加酶与底物的接触面积，从而提高酶解的效率，达到节约时间和降低成本的目的。好的预处理应满足以下4个条件：①有利于提高糖产量或者促进后续水解反应中单糖的生成；②避免反应体系中单糖的分解；③避免生成有害的副产物；④要有较高的经济效益。
3 木质纤维素的预处理方法
木质纤维素的预处理方法可分为以下几种：物理方法，主要是机械粉碎法、蒸汽爆破、超临界水处理和湿氧化法；化学方法，主要包括碱处理、稀酸处理、浓酸处理、氧化剂处理以及有机溶剂处理；生物方法。或者是将其中的某些方法进行组合使用，以达到较好的处理效果。具有较好经济前景的预处理方法有以下几种。
3．1 物理方法
3．1．1 机械粉碎法 通过机械削切和研磨分别将木质纤维处理成粒径为10～30 mm和0．2～2．0 mm的颗粒，可有效降低木质纤维素的结晶度和消化效率［2］。震动球磨技术能比普通球磨技术更有效地降低木质纤维素的结晶度和消化特性。相对来说，机械粉碎耗时长、耗能高，造成预处理成本太高，无法在工业化生产中广泛使用［3］。
3．1．2 蒸汽爆破 蒸汽爆破是当今应用最为广泛的木质纤维素预处理技术。通过将经高压饱和蒸汽溶解的木质纤维素瞬间降压，达到破坏木质纤维素结构的目的。通常认为，半纤维素被爆破过程中产生的醋酸和其他的有机酸所溶解，从而导致纤维素暴露出来，增大了微纤维与酶的可及性。木质素的含量变化不大，只有小部分被溶解，但是在溶解过程中木质素发生解聚／再聚合反应，从而使木质纤维素的表面结构发生变化。瞬时爆破使样品得以破碎降解，从而增大了反应的可接触面积，这些因素都能够提高纤维素的水解效率。
影响蒸汽爆理效果的因素主要有以下几方面：压力保持时间、温度、颗粒的粒径大小和含水量。高温短时处理（270 ℃、1 min）或者低温长时间处理都能够使半纤维素达到最大程度的溶解。相对于机械粉碎，蒸汽爆破法可以节省大约70％的能量，同时对环境不产生污染。近几年来，通过加入各种催化剂（酸或碱）或者改换不同的蒸汽介质（如氨水），发展出许多新型的爆破技术，有效推动了预处理技术的发展，使蒸汽爆破成为最接近商业化应用的预处理方法。大量不同种类的木质纤维素预处理试验证明了蒸汽爆破技术的可行性，其使用规模也在不断扩大。加拿大的Iogen工厂已经建立了一套利用该技术处理木质纤维素的中试装置。尤其在阔叶树木及农作物秸秆的处理方面，蒸汽爆破法被看作是最具有经济价值的预处理技术［1］。
蒸汽爆破法的局限主要包括半纤维素的分解、木质素的不完全降解以及在处理过程中产生的对于后续酶水解和发酵有害的物质。因此，需要用大量的水冲洗预处理产物以去除这些有害物质。但冲洗的同时带走了可溶性的糖，其中包括一大部分的可溶性半纤维素，降低了总的糖产量。
3．1．3 超临界水处理 超临界水处理是指利用处于超临界状态（T＞374．2 ℃、P＞22．1 MPa）的水处理木质纤维素的方法，通常与亚临界水解技术联合使用。在临界点（T＝374．2 ℃、P＝22．1 MPa）时，水的溶剂化能力突然增强，电离程度增大，可有效打破木质素的包裹作用同时降低纤维素的结晶度，使纤维素可以很容易地溶解在超临界的水溶液中，并且迅速分解成低聚糖，低聚糖进而快速分解成葡萄糖。阳金龙等［4］研究了该技术在玉米秸秆预处理中的应用，将40 mg玉米秸秆和2．5 mL水置于380～400 ℃的密闭容器中反应15～35 s，然后对产物进行分析。结果表明，玉米秸秆在388 ℃的超临界水相中，经21 s的反应时间后，低聚糖转化率和可检测转化率最高，分别为24．1％和43．6％。
相对于传统预处理技术，超临界水处理具有反应时间短、水解效率高、资源和环境成本低等优点，但是作为一项新兴技术，其理论研究相对不足，尚无法解决葡萄糖分解产物较多、副产物成分复杂、发酵糖产量较低等问题。
3．2 化学法
化学法是用碱、酸、有机溶剂等预处理木质素、纤维素的方法，主要目的是破坏细胞壁中半纤维素与木质素之间的共价键，破坏纤维素的结晶结构及纤维素与木质素的连接键，从而提高秸秆的消化率。
3．2．1 酸处理 酸处理是利用稀酸、浓酸和无水有机酸等酸性物质水解秸秆中纤维素的方法。酸处理可大致分为无机酸处理和有机酸处理。
无机酸处理主要作用是使半纤维素变成单糖进入溶液中，增大试剂与纤维素的接触面积，提高可及度。预处理后的原料中木质素含量基本不变，半纤维素含量变少，纤维素的含量和聚合度有一定程度的下降。Silverstein等［5］研究了硫酸、氢氧化钠、过氧化氢和臭氧在不同条件下预处理的效果。结果表明，这几种物质都能够明显降解木质素或者提高单糖得率，而硫酸预处理时半纤维素降解率最高，在121 ℃、0．1 MPa、2％ H2SO4、90 min的条件下，木质素降解率为95．23％，但是对后续的纤维素水解影响最大，葡萄糖的转化率最低，为23．85％。唐锘［6］在研究中发现，稀硫酸预处理方法对秸秆各组分降解率最高，在最适水解条件（0．7％稀硫酸、121 ℃、1 h）下，半纤维素、纤维素、木质素的降解率分别为46．15％、43．75％和50．00％。
有机酸处理原理与无机酸相似，主要是使原料中半纤维素和木质素溶解，降低二者在原料中的含量，一般在使用时增添无机酸作为催化剂。但是，相对于无机酸，有机酸对容器的腐蚀性小，对后续水解过程的毒性低，具有更大的发展潜力。
3．2．2 碱处理 常见的碱处理试剂有氢氧化钙、氢氧化钠、碳酸氢钠或者过氧化氢等。秸秆碱化的原理在于氢氧根阴离子能削弱半纤维素、纤维素之间的氢键，打开木质素和半纤维素之间的醚键，皂化木质素和半纤维素之间的酯键。碱处理能够使木质素发生降解以及降低纤维素的结晶度。Silverstein等［5］用2％的NaOH处理棉花秸秆，能够明显去除秸秆中的木质素、提高纤维素的转化率。Wang等［7］研究了百慕大海草在不同浓度的氢氧化钠预处理后结构和物质的变化，结果发现，在NaOH浓度大于或等于1％的情况下，30 min的处理时间可以起到明显的去木质化的作用。在整个处理过程中，纤维素的去除率变化很小（在10％之内），而半纤维素的去除率随着NaOH浓度的增大而增大，而且效果明显。
碱处理是现在人们普遍采用的方法，但是在用碱处理秸秆时除溶解掉一部分木质素外，也使部分半纤维素被分解，损失较大，同时与用酸处理相同，用碱进行预处理也存在着试剂的回收、中和以及洗涤等问题，这些问题都不可避免地会造成环境污染。随着技术的发展，酸或碱处理通过与其他的物理或者化学方法（包括球磨法、蒸汽爆破、微波或者氧化技术）进行组合，将形成一些更有效的预处理方法。
3．3 生物方法
微生物方法预处理被认为是目前最有前途的一种处理手段，它具有对环境无污染、降解率高、用途广、周期短、可再生、成本低等优点，能提高秸秆的综合利用效率，利于可持续发展。微生物法主要利用菌类产生的一些酶来降解木质素和半纤维素，而对纤维素的降解作用较小。目前常用的真菌有白腐菌、褐腐菌等，如黄孢原毛平革菌、彩绒革盖菌等，利用这些真菌产生的木质素分解酶系来对物料进行分解。Kurakake等［8］对城市垃圾中办公室用纸采用两种菌株（Sphingomonas paucimobilis 和 Bacillus circulans）进行混合预处理，然后再用酶水解。研究表明，混合菌株生物预处理技术能够有效提高废弃办公用纸的酶水解率，糖回收率可达94％，预处理效果显著。陈合等［9］采用黄孢原毛平革菌固体发酵去除秸秆中的部分木质素，再添加外源纤维素酶、木聚糖酶降解纤维素和半纤维素。经过25 d发酵降解以及6 d的酶解，使秸杆中的纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别达到60．4％、33．0％和67．0％。
4 结论
在生物质能源的研发过程中，对木质纤维素原料的预处理非常重要。通过预处理，可以改变木质纤维素的物理和化学结构，有效推动木质纤维素的生物转化。目前由于对预处理基础理论研究的不足而限制了该技术的发展，随着对预处理基础理论研究的不断深入，科研人员有望探索到更为合理有效的纤维素预处理方法。
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