秸秆类生物质预处理技术的研究进展

王圆圆，韩秀丽，阎振丽，杜朝军，陈玉洁，常 春，4

（1. 郑州大学 化工学院，河南 郑州 450001；
2. 车用生物燃料技术国家重点实验室，河南 南阳 473000；
3. 南阳理工学院/郑州大学南阳研究院，河南 南阳 473004；
4. 河南省杰出外籍科学家工作室，河南 郑州 450001）

化石燃料的不断消耗和日益增长的能源需求正促使人们不断加大对可再生能源利用的研究。在现有资源中，木质纤维素具有来源广、储量大、价格低廉、可再生的特点，使其成为生物燃料和其他增值化学品的重要原料来源[1]。在众多木质纤维素生物质资源中，农业废弃物是丰富的生物质资源来源之一，截至目前，我国农业活动每年产生约9.98 亿t秸秆废弃物[2]。遵循原料利用最大化和废弃物最小化的原则下，将秸秆类生物质转化为生物燃料或高值化学品，是实现经济效益与环境效益双赢的秸秆类生物质有效利用方式。

秸秆类生物质主要由纤维素（40%～50%）、半纤维素（25%～30%）和木质素（15%～20%）组成，如图1所示，纤维素周围是由半纤维素和具有三维网状结构的木质素大分子结合形成的天然复合物，木质素能够有效保护细胞壁中的纤维素不受外来化学物质、微生物的攻击，这种复杂的结构导致纤维素、半纤维素和木质素的分离非常困难[3]。纤维素的结晶度和聚合度以及半纤维素的乙酰化度是影响酶降解木质纤维素水平的重要因素。采用有效的预处理方法可以破坏木质素和纤维素、半纤维素之间的连接，降低纤维素结晶度，增大原料的比表面积，提高酶对底物的可及性，改善纤维素的酶解效率[4]。

图1 木质纤维素结构及其应用Fig.1 Structure and application of lignocellulose

理想的生物质预处理方法应该具有以下特点：不需要减少生物量大小、保存纤维素和半纤维素部分、不产生毒性抑制剂、能源需求低、成本低、化学品可回收。传统的预处理方法大多存在糖产率低、缺乏选择性、工艺效率低、加工成本高等缺点。开发低成本、低能耗的新型绿色预处理方法一直是生物质领域的研究热点。鉴于此，综述近年来秸秆类生物质预处理方法的研究进展，为生物质的高值化利用提供参考。

常见的物理预处理方法包括机械破碎法、微波处理法、超声波处理法。该类方法主要是通过破坏生物质的细微结构减小其颗粒尺寸，降低聚合度，增大比表面积，以提高其与生物酶的接触率，改善木质纤维素酶水解效率[5]。单纯的物理处理不能同时满足对纤维素、半纤维素和木质素的高效分离，因此，通常与其他化学方法如碱性或酸性处理相结合，以提高加工效率和经济与环境效益，使预处理过程更加简单高效。

1.1 机械粉碎

机械粉碎的方法包括球磨和挤压，是最传统的预处理技术。球磨和挤压方式不同，对秸秆的影响也不同，但都可以显著改变秸秆生物质的结晶度和粒径分布[6]。机械处理使粒径减小、纤维化、表面积增大，但对其化学结构基本没有影响。QU 等[7]对小麦秸秆进行球磨和碱处理，通过球磨形成超细粉末，提高原料在氢氧化钠水溶液中的增溶程度，将2 g 麦秸粉浸泡在100 mL 1.0%的氢氧化钠溶液中，于100 ℃水浴90 min，处理后半纤维素和木质素去除率为93.76%、86.14%，酶解72 h 后葡萄糖产率为98.48%。研究表明，小麦秸秆经超细球磨并进行弱碱预处理，可以显著改变纤维素超分子从而提高酶解率。KIM 等[8]在旋转压力型反应器中对玉米秸秆进行球磨，然后用乙醇有机溶剂预处理，旋转压力型反应器保持在温度170 ℃、转速50 r/min，预处理120 min 后发现，葡聚糖含量达到53.16%，酸不溶性木质素去除率为53.91%，采用30 FPU/g 的酶负载量对预处理后的玉米秸秆进行酶解，酶解率达到91%。YU等[9]研究了秸秆经机械粉碎和磷酸的联合预处理发现，糖产率由20.01 mg/g 提高到了41.41 mg/g。

机械预处理与其他预处理相比具有连续加工、固体负载高、不产生发酵抑制剂、加工规模大、时间短、温度适中、成本低、易于控制、不需要添加剂、环境友好等优点。此外，机械粒径的降低与其他预处理相结合，可以实现木质纤维素材料的高度结构解构。但机械预处理的主要缺点是能耗高，约占全过程总能耗的33%，而且机械预处理不能有效去除木质素，残留的木质素会降低酶的可及性。因此，建议将机械粉碎与其他预处理方法进行组合使用。

1.2 微波预处理

微波是非电离的电磁辐射，是波长和频率分别为1～1 000 mm、0.3～300 GHz的电磁波。图2为微波加热预处理木质纤维素的作用机制，其方式是在材料粒子内部引起爆炸，破坏木质纤维素的超微结构，提高酶的敏感性[10]。除了表现出加热效应外，偶极子的振荡运动有助于破坏特定位于生物质中碳水化合物聚合物内的氢键[11]。目前，木质纤维素生物质的微波辅助预处理技术可分为两大类：一是在温和的温度（＜200 ℃）下微波辅助溶解，使生物质解聚，以生产有价值的化学品；
二是在高温（＞400 ℃）下无氧微波辅助热解木质素，将生物质转化为生物油或生物气体[12]。

图2 微波加热预处理木质纤维素的作用机制Fig.2 Mechanism of lignocellulose pretreatment by microwave heating

MA 等[13]采用Box-Behnken 设计和响应面法对秸秆微波预处理进行试验规划和优化，结果表明，微波强度（MI）、辐射时间（IT）和底物含量（SC）是影响水稻秸秆酶解糖化的主要因素，在MI 为680 W、IT 为24 min、SC 为75 g/L 的条件下，纤维素、半纤维素和总糖化效率分别提高了30.6%、43.3%、30.3%。ISCI等[14]探讨了微波辅助低共溶剂预处理对小麦秸秆结构及糖产率的影响，在摩尔比为1∶3、微波功率为360 W、保留时间为8 min 时，小麦秸秆纤维的总糖释放量（619 mg/g）是常规低共溶剂预处理的2倍，预处理后葡萄糖和木糖产率分别为99%、85%。微波加热具有反应时间短、传热快、选择性好、加热均匀、糖产率高等诸多优点。此外，微波水热预处理还可以去除半纤维素中更多的乙酰基。但目前微波预处理也存在能耗大、反应器单一、投资成本高等不足。因此，在商业和工业规模上，微波预处理秸秆类生物质技术仍然需要进一步优化，以降低成本。

1.3 超声预处理

超声预处理是一种新颖的预处理技术，超声效应包括声空化效应和声化学效应。超声波处理可在局部产生高温高压，产生高活性自由基，破坏木质纤维素分子之间的氢键，并促进溶剂和热量渗透到细胞内。超声时间越长，对生物质预处理效果的影响越大，这是因为长时间的高能超声可以潜在地增加孔隙体积，从而降低纤维素结晶度，促进木质素的降解，提高酶解糖化速率[10]。如图3 所示[15]，在液体介质中压力波会将液体分子拉伸，形成空洞（气泡），当压力波在液体中循环时，气泡会随着压力波膨胀和收缩，随着气泡膨胀会使更多的液体分子吸入气泡中，当气泡膨胀到一个临界尺寸会导致局部温度和压力在短时间内升高，形成强烈的湍流对底物进行剪切和冲击，从而引起形态变化和化学反应速率的提升[6]。

图3 空化效应原理Fig.3 Schematic diagram of cavitation effect

JIAO 等[16]采用超声波辅助碳酸氢铵预处理玉米秸秆后发现，超声预处理的最佳工艺条件为液固比为12∶1、温度为42 ℃、时间为11 min，以此工艺条件对玉米秸秆进行预处理后，其糖化率为82.61%，较未经超声波处理的对照显著提高355%。YAN等[17]采用超声和微波辅助低共熔溶剂顺序预处理玉米秸秆，超声低共熔溶剂预处理和微波低共熔溶剂预处理对木质素的去除率分别为37.86%、52.36%，而采用连续超声和微波辅助的低共熔溶剂预处理时，木质素去除率提高到61.50%，纤维素含量由34.70%提高到76.08%。作为一种绿色技术的应用，超声波可有效分解难降解的木质纤维素材料，在高效生产高附加值化学品或生物燃料方面具有重要的发展潜力。超声波预处理的主要优点：处理时间短、操作温度低，而且在进一步预处理过程中使用的化学药剂量少。超声波的使用为秸秆类生物质预处理提供了新方法。

秸秆类生物质化学预处理方法众多，已有的报道主要是采用不同的酸、碱、氧化剂、离子液体、低共熔溶剂和有机溶剂等对生物质进行预处理。表1为近年来不同化学法对秸秆类生物质预处理及酶解糖化的研究结果。

表1 不同化学预处理方法对秸秆进行预处理的工艺条件及效果Tab.1 Process conditions and effect of different chemical pretreatment methods for straw pretreatment

2.1 酸预处理法

酸预处理是秸秆类生物质预处理中研究最为广泛的预处理方法，使用酸预处理可以采用2 种不同的方式：在较高温度（＞200 ℃）下稀酸预处理和在较低温度（＜50 ℃）下浓酸（30%～70%）预处理[32]。硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、乙酸、马来酸等无机酸和有机酸均可被用于酸预处理。酸预处理主要溶解半纤维素，改善生物质孔隙度，使纤维素更容易与酶接触，从而提高酶解速率。LIU 等[33]以小麦秸秆为原料，利用马来酸对小麦秸秆进行预处理。马来酸是一种双基羧酸，能通过释放H+来解聚半纤维素，对预处理后的小麦秸秆进行酶解，酶解率达到88.58%，100 g 小麦秸秆经预处理和酶解分别获得19.88 g 木糖和30.89 g 葡萄糖[33]。CHEN 等[34]以乳酸为弱有机酸对芦苇秸秆进行预处理，在150 ℃下反应35 min，液固比为6∶1，木质素去除率达90.46%，酶解糖化率为66.43%，并且乳酸预处理过程中产生的废液可以继续使用，参与下一批物料的预处理。在木质纤维素原料的预处理中，酸预处理具有预处理效果好、糖产率高的优点，但酸使用不当会造成环境污染，同时，酸的回收以及副产物的综合利用也是需要解决的关键问题[1]。

2.2 碱预处理法

碱预处理会破坏秸秆类生物质中木质素的结构，破坏与木质素相关的酯键和芳基醚键，不仅能显著去除秸秆中的木质素，而且能降解部分半纤维素和纤维素[35]。碱预处理一般采用氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨水等，在室温下长时间或高温下短时间对生物质进行预处理。碱预处理会引起纤维素的溶胀，从而改善生物质的孔隙度，降低纤维素的结晶度。

CHEN 等[36]采用氢氧化钙致密化（DLC）对玉米秸秆进行预处理，首次实现了高达70.6 g/L 的乙醇浓度，其工艺流程如图4 所示。DLC 预处理后提高了生物质密度、耐久性和消化率，糖分保存完整，预处理在原料的密化、运输、储存过程中完成，有利于降低运输和储存成本，并且无需洗涤或解毒。ZHENG 等[37]研究了氢氧化钠预处理对酶促消化的影响，以121 ℃、4%氢氧化钠溶液预处理后发现，纤维素转化率达到87.2%，并且结构分析结果表明，经过氢氧化钠预处理后，大部分无定形纤维素和部分结晶纤维素在酶解过程中更容易被水解。碱预处理方法的优点是形成的抑制剂较少、不需要复杂的设备、工艺设计和操作比机械预处理更加简单[38]。但碱预处理工艺也存在缺点，主要包括预处理成本高、停留时间长、不能预处理木质素含量高的生物质。

图4 DLC预处理工艺流程Fig.4 DLC pretreatment process flow

2.3 氧化预处理法

秸秆氧化预处理过程中发生许多化学反应，包括亲电取代、侧链位移和芳香族醚键的氧化裂解。木质素裂解及氧化会产生酸类和抑制性化合物，影响可发酵糖的产率[39]。图5 为氧化预处理的4种类型，常用氧化剂有过氧化氢、过氧乙酸、臭氧、氧气等[40]。碱性过氧化氢具有选择性攻击羰基和乙烯基团的能力，因此，可以增强秸秆类生物质的脱木质素去除效率。SERAFÍNMUÑOZ 等[41]以碱性过氧化氢预处理玉米秸秆脱木质素发现，木质素和半纤维素的去除率分别为93.4%、83.5%，酶解后纤维素和半纤维素的酶解率分别达到61.3%、69.5%。JI 等[42]提出了一种新型的电解生成碱性过氧化氢的预处理方法，经试验，在最佳工艺条件（30 mA/cm2、70 ℃、4 h）下，预处理后小麦秸秆比表面积和孔隙率显著提高，木质素去除率为76.3%，纤维素和木聚糖酶解率分别为83.7%、90.8%，较原料小麦秸秆分别显著提高了4.1、5.3 倍。相对于木质纤维素材料的纤维素和半纤维素，臭氧更容易破坏木质素，并释放低分子质量的可溶化合物。

图5 秸秆类生物质氧化处理类型Fig.5 Oxidation treatment types of straw biomass

氧化预处理技术的主要优点是操作条件温和、成本低，采用氧化剂预处理秸秆有利于自由基的形成，而自由基可以与不同的有机结构发生反应，从而提高木质素去除率，增加预处理的高效性。

2.4 离子液体预处理法

离子液体（IL）通常由大型有机阳离子和小型无机阴离子组成。离子液体具有一些独特的物理化学性质，比如极性、疏水性、难挥发性、低熔点、高稳定性、良好的溶解度。离子液体的环保、可回收特性是其被发掘用于预处理的主要原因。图6所示为离子液体预处理木质纤维素生物质的典型路线，离子液体可以通过争夺氢键来溶解秸秆中的碳水化合物和木质素聚合物，从而破坏纤维素、半纤维素和木质素之间的复杂网络结构[43-44]。

图6 离子液体预处理木质纤维素生物质的典型路线Fig.6 Typical route of ionic liquids pretreatment of lignocellulosic biomass

ASIM 等[45]研究合成了3 种以吡啶阳离子和硫酸氢根阴离子为基础的质子离子液体，其中，[PyH][HSO4.（H2SO4）3]在60 ℃下预处理小麦秸秆2 h，脱木质素率达到79%，且77%木质素可回收，经酶解还原糖产率达到85%。SUN等[46]采用40%四丁基氢氧化磷水溶液以反应时间1 h、温度60 ℃对玉米芯和玉米秸秆进行预处理后发现，玉米芯和玉米秸秆的糖产率分别为90.75%、80.84%。离子液体虽然具有良好的预处理效果，但价格偏高，如何降低预处理试剂消耗并最大程度实现高效回收是离子液体规模化利用需要克服的障碍。

2.5 低共熔溶剂预处理法

低共熔溶剂是生物质处理过程中离子液体的有效替代品，被认为是21世纪最流行的绿色溶剂之一。低共熔溶剂是由氢键供体（醇、酰胺、羧酸）和氢键受体（季铵盐）在中等温度（60～80 ℃）下合成的混合物，由低熔点和低晶格能的非对称离子组成。表2 列出了低共熔溶剂分类的通用公式[47-48]。低共熔溶剂的溶剂化性质受强电子供体和受体的调节，能够形成氢键，提高木质纤维素的增溶性，同时还能在不影响纤维素的情况下对木质素有更强的选择性增溶。

表2 低共熔溶剂分类的通用公式Tab.2 General formula for classification of eutectic solvents

WU 等[49]采用碱法提取和低共熔溶剂浸泡联合对高粱秸秆进行预处理，以有效脱木质素并强化酶解糖化：用0.75 %氢氧化钠溶液在121 ℃条件下预处理1 h，然后在140 ℃下于氯化胆碱与乳酸的混合液中浸泡40 min，最终木质素和木聚糖去除率分别为78.4%、67.6%，水解72 h 还原糖产率达到94.9%。MAIBAM 等[50]采用低共熔溶剂氯化胆碱和乙酸对稻草进行预处理，最佳预处理条件为氯化胆碱与乙酸摩尔比1∶3.59、温度126 ℃、时间150 min，最终脱木质素率达到83.1%，酶解糖化效率为92.2%。

2.6 有机溶剂预处理法

有机溶剂预处理法常用甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、乙酸、甲酸、丙酸、丙酮、甲醛、二氧六环、甘油、四氢呋喃、苯酚、胺等有机溶剂对秸秆类生物质进行预处理。有时有机酸（乙酰水杨酸、草酸、水杨酸）或碱（氢氧化钠、石灰）也用作催化剂[51]。WANG等[52]用尿素对玉米秸秆进行预处理发现，在80 ℃处理10 d、尿素与玉米秸秆比例为1∶1、固体负载为50%的条件下进行酶解糖化效果最佳，预处理后玉米秸秆中的葡聚糖含量为97.24%，木聚糖含量为61.63%，经酶解葡萄糖和木糖的酶解率分别为84.11%、78.54%。TSEGAYE 等[53]采用等量的乙酸和甲酸混合预处理水稻秸秆发现，最佳酸浓度为69.85%、预处理时间为29.68 min、温度为75.41 ℃时，木质素和半纤维素去除率分别为73.17%、46.62%，表明乙酸和甲酸提高了木质素的增溶效果，降低了半纤维素的降解率，酶解后还原糖产率为62.09%。截至目前，有机溶剂作为一种有效的预处理试剂被广泛研究，但已报道的多数溶剂还存在易挥发、易燃、成本较高等不足。因此，开发性能优异、价格低廉的新型绿色溶剂成为有机溶剂预处理研究的重要方向之一。

生物预处理是一种条件温和、环境友好的工艺。生物预处理利用微生物选择性地分解木质素和半纤维素，从而促进酶消化过程。生物预处理方法包括微生物预处理、厌氧消化预处理和酶预处理等。生物预处理的优点是预处理后无需进行化学回收、生成抑制剂少、操作简单、能耗低，但预处理周期长、极低的水解速率是生物预处理发展的主要障碍[54]。

3.1 微生物预处理法

微生物预处理法中的微生物主要是真菌、细菌和放线菌。其中，真菌包括白腐菌、褐腐菌和软腐菌。一般情况下，木质素会受到白腐菌和软腐菌的侵袭，而纤维素会受到白腐菌、褐腐菌和软腐菌的侵袭。木质纤维素受到菌株攻击，导致纤维素酶、半纤维素酶、木质素降解酶活性增加。其中，白腐菌在酶的作用下能显著降解木质素，提高酶活性。首先，白腐菌菌丝的超细纤维素酶溶解秸秆材料的蜡质表面，然后菌丝进入秸秆内部，产生纤维酶、半纤维素酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶，降解秸秆中的木质素和纤维素，使秸秆更容易消化吸收[55]。因此，白腐菌预处理在真菌预处理中具有重要地位。

SREEMAHADEVAN 等[56]研究了真菌在稻秆脱木质素中的作用，以期缩短预处理时间，用真菌固态培养14 d 和液体培养7 d 后发现，酶解后糖化率分别提高了54%、74.2%。随后，HERMOSILLA 等[57]采取白腐菌和褐腐菌单次、顺序和共接种对小麦秸秆进行生物预处理，选择性降解木质素以促进纤维素的酶解，顺序培养结果表明，小麦秸秆预处理后葡萄糖产率提高了43.6%，比未处理小麦秸秆高2.8倍，比单培养小麦秸秆高140%～150%。LI等[58]探究混合微生物对玉米秸秆降解的影响，在30 ℃下处理14 d，半纤维素、纤维素和木质素的降解率分别为44.4%、34.9%、39.2%，表明微生物混合预处理工艺可加快秸秆降解速度，提高木质素降解效率。真菌预处理的主要优点是成本低、化学消耗低、能耗低、水消耗少、产生废物少、产生抑制剂少。然而，真菌预处理也存在预处理周期长、碳水化合物损失和下游产量低的问题。并且，在混合发酵条件下控制微生物的生长和代谢不可避免地增加了后续纤维素水解和乙醇发酵的污染风险。

3.2 酶预处理法

将秸秆类生物质转化为糖要考虑的关键因素是酶的成本和酶的水解效率。一些辅助酶如木聚糖酶或木质素降解酶（木质素过氧化物酶和漆酶）可以减少纤维素酶的终产物抑制和非生产性吸附，从而为酶水解提供协同作用；
用真菌进行预处理需要几周到几个月，而用酶进行预处理仅需要几个小时就能完成。与淀粉酶不同，用于淀粉水解的淀粉酶价格低廉，而用于纤维素水解的纤维素酶价格要高得多。里氏木霉产生的纤维素酶遗传性状稳定、酶活性高、易于提取和纯化，因此，被认为是生产纤维素酶的最佳菌种。

LOU等[59]以木聚糖酶和漆酶为原料制备固定化酶，以便预处理玉米秸秆，从中提取纤维素，结果表明，pH 值为4.2、秸秆含量为3%、温度为45 ℃、反应时间为12 h 是预处理的最佳条件，此时得到的纤维素含量可达96.72%，表明固定化酶预处理能有效去除部分木质素和半纤维素。LI等[60]研究漆酶预处理和表面活性剂添加对玉米秸秆同步糖化发酵的影响发现，表面活性剂吐温80、茶皂素和鼠李糖脂均能提高糖化发酵的乙醇产量，其中漆酶预处理联合添加鼠李糖脂获得的乙醇产量最高。酶预处理法的制约因素包括生产成本、稳定性、保质期和可重复使用性，目前，应用酶降解木质纤维素材料具有资金投入少、能源成本低、试剂依赖性低、环境友好等优点，但仍存在处理周期长、工业化利润率低的局限性[61]。

秸秆类生物质资源的高值化利用是目前研究的热点，但其预处理技术是当前需要突破的瓶颈。传统的物理预处理方法能耗大、反应器单一、安全隐患高、成本高，这是限制其发展的主要原因。同样，化学预处理方法需要对试剂的用量进行优化，以减少废液的排放。其中，酸预处理方法应减少下游反应和抑制物的产生，并探索化学试剂的回收工艺，这对于促进化学预处理技术发展至关重要。生物预处理存在周期长、水解速率低的缺陷，这是限制其发展的主要障碍，但具有成本低、反应条件温和、无需化学试剂回收等优势，应进一步研究以筛选适用于工业化的微生物。

联合预处理方法比单独使用化学或生物技术更有效。然而，秸秆主要成分的不同预处理法，其酶解效果具有明显差异。因此，应根据秸秆类生物质资源的不同，选择合适的预处理工艺，以获得最佳的秸秆预处理效果。目前，没有一种单一的生物质预处理法能够同时做到经济、环保、高效。在未来预处理技术相关开发与研究中，可以加强联合预处理技术的开发，同时将联合预处理方法与高固体负载酶解糖化和纤维素酶的回收及循环利用高效结合，探索绿色可持续、经济高效的生物质预处理及酶解糖化工艺，促进生物质资源的高效转化利用。