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摘要预处理技术是木质纤维素降解的关键性技术，合适的预处理技术不仅能够促进纤维素降解，而且还会降低成本。对目前常用的预处理技术进行了综述，并对木质纤维素类物料的预处理进行了展望。
关键词木质纤维素；预处理；降解
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）18-05920-04
2木质纤维素预处理的必要性
木质纤维素主要是由纤维素、半纤维素及木质素通过非共价键和共价键连接而成的，以及一些可溶性或弱极性的提取物组合而成的有机高分子化合物组成的复合体[1-2]。纤维素、半纤维素和木质素在细胞壁中的连接如图1所示。
3木质纤维素预处理的原则
木质纤维素的预处理可将纤维素、半纤维素及木质素三者分离，预处理通过降低纤维素的结晶度，去除或破坏木质素结构，降低其聚合度，增加了木质纤维素的孔性，进而增加了纤维素酶与纤维素的可及性表面积，从而提高了纤维素酶活性[9]。纤维素预处理的目的如图2所示。
4纤维素预处理工艺
预处理是纤维素降解至水解的重要环节，破坏其原有结构降低纤维素的结晶度，脱除木质素或半纤维素，增加与纤维素的接触面以提高酶解效率，进而提高对纤维作物的利用率[15-19]。目前常用的木质纤维素预处理的方法有物理法、化学法、生物法及联合预处理法等，常见的纤维素预处理方法如表2所示。
4.1物理法预处理工艺目前常用的物理法预处理工艺主要有：机械粉碎预处理法、蒸汽爆破法、高温分解法等。
机械微粒粉碎是在破裂和碾磨等外力的作用下，使原料尺寸变小，结晶度和平均聚合度下降，物料的水溶性组分增加及改变纤维素的离解程度[20]。相关研究显示，通过机械粉碎会增加原料的表面积，裸露在表面的结合点增加，酶解速度提高[21-22]。但机械粉碎耗时长、耗能高，造成预处理成本太高，无法在工业生产中广泛使用[23]。
蒸汽爆破是当今应用最为广泛的木质纤维素预处理技术，蒸汽爆破是通过高压饱和蒸汽溶解的木质纤维的瞬间降压，从而达到破坏纤维素原有结构的目的[14]。蒸汽爆破相对于机械粉碎不仅能节省70%的能量还能减少对环境的污染。蒸汽爆破在阔叶树木和作物秸秆处理方面被认为是最具有经济价值的技术[24]。但也存在局限性，在半纤维素和木质素的降解不彻底性以及在处理过程中会对后面的水解和发酵产生有害物质，同时还需要消耗大量的蒸汽[14]。
4.4联合法预处理工艺单一的预处理方法对纤维素类原料进行预处理很难达到期望降解效果，往往需要多种方法的组合，做到互补，不仅可以提高降解率，而且可以提高降解程度。在预处理的过程中常使用多种方法的结合，来弥补单一预处理方法的不足[12]。在联合法中，经常先用机械粉碎处理，再用物理、化学或生物处理法，其他的组合有机械粉碎-电子辐射-碱处理法、机械粉碎-化学处理-蒸汽爆破、机械粉碎-微波-化学处理法等联合法能针对不同的纤维类原料，根据单一预处理方法的特点，适当组合，可以显著提高降解率[35]。
5结论及展望
影响木质纤维素类物质水解的主要因素有：比表面积的可及性、木质素的包裹、纤维素的结晶度及木质素的保护等[5，36]。预处理是高效水解的前提，是酶经济性制约的一个重要因素。由以上讨论可知化学处理和机械粉碎处理法等技术比较成熟，但是能耗高、会带来不同程度的环境污染、成本高等问题，已不符合高效、无污染且低成本的预处理要求；生物预处理工艺具有成本低、可再生、无污染等优势，但是存在降解率低等问题。但随着研究的不断深入，基因工程在生物预处理的应用，使产生高效纤维素降解菌成为可能，但目前大部分还停留在试验阶段，还没有有效合理的工业化预处理工艺。
虽然现在已经有很多预处理的工艺，但是还需要不断研究新的预处理技术，不断优化预处理工艺及方法。笔者认为根据木质纤维素物料的特性，制定特定的预处理工艺和优化设备，选择不同的处理方法进行组合，做到优势互补，制定出低成本、高效率及处理效果好等满足预期要求的方案。开发和优化更高效、成本更低和无污染的联合法预处理工艺将是未来的研究方向。
参考文献
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[35] 赵律， 李志光， 李辉勇，等.木质纤维素预处理技术研究进展[J].化学与生物工程，2007，24（5）：5-8.
[36] ALVIRA P，TOMSPEJ E，BALLESTEROS M，et al.Pretreatment technologies for an efficient bioethanol product，on process based on enzymatic hydrolysis：A review[J].Bioresour Technol，2010，101：4851-4861.
关键词木质纤维素；预处理；降解
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）18-05920-04
2木质纤维素预处理的必要性
木质纤维素主要是由纤维素、半纤维素及木质素通过非共价键和共价键连接而成的，以及一些可溶性或弱极性的提取物组合而成的有机高分子化合物组成的复合体[1-2]。纤维素、半纤维素和木质素在细胞壁中的连接如图1所示。
3木质纤维素预处理的原则
木质纤维素的预处理可将纤维素、半纤维素及木质素三者分离，预处理通过降低纤维素的结晶度，去除或破坏木质素结构，降低其聚合度，增加了木质纤维素的孔性，进而增加了纤维素酶与纤维素的可及性表面积，从而提高了纤维素酶活性[9]。纤维素预处理的目的如图2所示。
4纤维素预处理工艺
预处理是纤维素降解至水解的重要环节，破坏其原有结构降低纤维素的结晶度，脱除木质素或半纤维素，增加与纤维素的接触面以提高酶解效率，进而提高对纤维作物的利用率[15-19]。目前常用的木质纤维素预处理的方法有物理法、化学法、生物法及联合预处理法等，常见的纤维素预处理方法如表2所示。
4.1物理法预处理工艺目前常用的物理法预处理工艺主要有：机械粉碎预处理法、蒸汽爆破法、高温分解法等。
机械微粒粉碎是在破裂和碾磨等外力的作用下，使原料尺寸变小，结晶度和平均聚合度下降，物料的水溶性组分增加及改变纤维素的离解程度[20]。相关研究显示，通过机械粉碎会增加原料的表面积，裸露在表面的结合点增加，酶解速度提高[21-22]。但机械粉碎耗时长、耗能高，造成预处理成本太高，无法在工业生产中广泛使用[23]。
蒸汽爆破是当今应用最为广泛的木质纤维素预处理技术，蒸汽爆破是通过高压饱和蒸汽溶解的木质纤维的瞬间降压，从而达到破坏纤维素原有结构的目的[14]。蒸汽爆破相对于机械粉碎不仅能节省70%的能量还能减少对环境的污染。蒸汽爆破在阔叶树木和作物秸秆处理方面被认为是最具有经济价值的技术[24]。但也存在局限性，在半纤维素和木质素的降解不彻底性以及在处理过程中会对后面的水解和发酵产生有害物质，同时还需要消耗大量的蒸汽[14]。
4.4联合法预处理工艺单一的预处理方法对纤维素类原料进行预处理很难达到期望降解效果，往往需要多种方法的组合，做到互补，不仅可以提高降解率，而且可以提高降解程度。在预处理的过程中常使用多种方法的结合，来弥补单一预处理方法的不足[12]。在联合法中，经常先用机械粉碎处理，再用物理、化学或生物处理法，其他的组合有机械粉碎-电子辐射-碱处理法、机械粉碎-化学处理-蒸汽爆破、机械粉碎-微波-化学处理法等联合法能针对不同的纤维类原料，根据单一预处理方法的特点，适当组合，可以显著提高降解率[35]。
5结论及展望
影响木质纤维素类物质水解的主要因素有：比表面积的可及性、木质素的包裹、纤维素的结晶度及木质素的保护等[5，36]。预处理是高效水解的前提，是酶经济性制约的一个重要因素。由以上讨论可知化学处理和机械粉碎处理法等技术比较成熟，但是能耗高、会带来不同程度的环境污染、成本高等问题，已不符合高效、无污染且低成本的预处理要求；生物预处理工艺具有成本低、可再生、无污染等优势，但是存在降解率低等问题。但随着研究的不断深入，基因工程在生物预处理的应用，使产生高效纤维素降解菌成为可能，但目前大部分还停留在试验阶段，还没有有效合理的工业化预处理工艺。
虽然现在已经有很多预处理的工艺，但是还需要不断研究新的预处理技术，不断优化预处理工艺及方法。笔者认为根据木质纤维素物料的特性，制定特定的预处理工艺和优化设备，选择不同的处理方法进行组合，做到优势互补，制定出低成本、高效率及处理效果好等满足预期要求的方案。开发和优化更高效、成本更低和无污染的联合法预处理工艺将是未来的研究方向。
参考文献
[1] RAGAUSKAS A J，WILLIAMS C K，DAVISON B H，et al.The path forward for biofuels and biomaterials[J].Science，2006，311（5760）：484-489.
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[5] 胡秋龙， 熊兴耀， 谭琳，等.木质纤维素生物质预处理技术的研究进展[J].中国农学通报，2011，27（10）：1-7.
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[28] 刘清峰.纤维素高效降解菌株的选育[D].厦门：厦门大学， 2007.
[29] SUN Y，CHENG J Y.Hydrolysis of lignoeellulosic materials for ethanol production：A review[J].Bioresour Technol，2002，83（1）：1-11.
[30] 罗鹏， 刘忠.用木质纤维原料生产乙醇的预处理工艺[J].酿酒科技，2005（8）：42-47.
[31] ZHANG X，LIU Y.Advance of lignocelluloses pretreatment technology[J].Journal of Cellulose Science and Technology，2005，6（13）：54-58.
[32] 宗文明，于瑞嵩，樊美珍，等.1株嗜温高效产氢细菌Clostridium sp.081的分离鉴定与产氢特征[J].武汉大学学报：理学版，2009，55（5）：569-576.
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