木质纤维素类生物质组分分离研究进展

陈龙^1,2,3,4，余强^1,2,3，庄新姝^1,2,3，亓伟^1,2,3，王忠铭^1,2,3，袁振宏^1,2,3

　　（1.中国科学院广州能源研究所，广州510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广州510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州510640；4.中国科学院大学，北京100049）

　　摘要：木质纤维素类生物质是地球上最丰富的可再生资源，不仅可以转化为能源燃料及高附加值化学品，而且可以通过生物、物理或化学方法获得各种可再生的生物基材料，而将生物质组分分离是将其充分利用的重要前提。本文在介绍木质纤维素类生物质结构组成和特点的基础上，综述了木质纤维素类生物质组分分离的方法，并主要对高温液态水法、有机溶剂法和深度共熔溶剂法的应用进行了评述，提出了高温液态水耦合深度共熔溶剂的高效、绿色分离思路。

　　0前言

　　木质纤维素类生物质是地球上最丰富的生物质资源，包括木材（如桉木、榉木、杨木等）和农林废弃物（如玉米杆、小麦秆、高粱杆等），具有来源广泛、普遍性和易取性等特点。然而，据估算，全球每年可产生约10000亿吨木质生物质资源，但其中89%尚未被充分利用^[1]，主要原因之一就是不能有效地将木质纤维素类生物质中的各组分分离出来，造成了资源的浪费，所以生物质组分分离已成为国内外生物质资源研究领域的重点。

　　木质纤维素类生物质由多种组分组成，主要包括纤维素、半纤维和木质素等，应用范围非常广泛。但是，由于木质纤维素类生物质结构紧密复杂，且具有很强的生物抗降解能力，因此分离难度较大，这一直是制约其发展的技术瓶颈。近年来，国内外众多学者为攻克这一难题进行了大量研究，传统的分离方式如酸处理、碱处理和离子液体处理等方法分离效果较好，但是存在污染严重、毒性大等缺点^[2]抑制了这些方法的发展。高温液态水法和深度共熔溶剂法作为新兴的木质纤维素类生物质组分的分离方法，分离效果好且绿色环保，符合现代工业发展的需要，具有较好的应用前景。

　　1木质纤维素类生物质的结构组成及特点

　　木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成，三者结构各不相同，纤维素和半纤维素是由糖单元通过糖苷键连接而成的高分子聚合物，而木质素则是由大量苯环结构构成的三维立体型结构的生物大分子。半纤维素和木质素通过共价键连接并形成一个网络结构，且纤维素也镶嵌在其中^[3]，使得木质纤维素具有很高的抗张和抗机械强度，并具有很强的抗生物降解能力。为能更有效地将生物质转化为可有效利用的能源和各类化工品，需要充分了解木质纤维素类生物质的结构组成及特点。

　　1.1木质纤维素类生物质的结构组成

　　纤维素是整个生物质的骨架部分，是由成千上万个D-吡喃式葡萄糖单元以β-1,4糖苷键连接而成的线性聚合物，是世界上含量最丰富的天然有机聚合物，约占木质纤维素含量的40%~50%^[4]。半纤维素是一种由多种单糖及糖醛酸单元（如括D-木糖、L-阿拉伯糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸、D-半乳糖醛酸等）通过糖苷键连接而成的多糖大分子^[5]。木质素是自然界唯一的天然芳环聚合物，由对羟苯基丙烷（H）、愈创木基丙烷（G）和紫丁香基丙烷（S）通过酶的脱氢聚合及自由基耦合而成，而不是由碳水化合物组成。木质素与半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞壁的微细纤维之间，在细胞壁中起加固作用。

　　木质纤维素类生物质的种类繁多，不同木质纤维素类生物质中所含纤维素、半纤维素和木质素也有差异，常见木质纤维素类生物质中各组分质量分数如表1所示。

　　1.2木质纤维素类生物质的结构特点

　　纤维素、半纤维素和木质素也是植物细胞壁的主要成分。在细胞壁中，半纤维素和木质素相互交联覆盖在纤维素表面，形成了一层致密的保护层，这是生物质具有高拮抗性的原因之一。SANT’ANNA等^[8]使用透射电子显微镜（TEM）对甘蔗超薄切片进行成像，可以观察到典型的细胞壁层：胞间层（ML），初生细胞壁（PCW）和次生细胞壁（SCW）（如图1a），其中SCW是最大的细胞壁层，由三个亚层（S1外层、S2中间层和S3内层）组成（图1b）。

　　SANT’ANNA等^[8]用KMnO₄对超薄切片进行染色来研究细胞壁中木质素的分布情况。在甘蔗细胞壁中，木质素以无定形电子致密物质插入光亮纤维素微原纤维中（图2a中箭头所示）。在多层SCW（图2b）中发现致密的木质素染色区域，此外，在胞间层中也发现了木质素染色区，这与其他学者的研究结果一致^[9-10]。可见，植物细胞壁中各结构的复杂性和细胞壁中各组分的分布不一也是生物质具有高拮抗性的原因。因此，对木质纤维素类生物质进行有效的组分分离需要打破细胞壁原本结构，进而将各组分分离出来，下文将着重阐述目前常用的木质纤维素类生物质组分的分离方法。

　　2木质纤维素类生物质的组分分离方法

　　木质纤维素类生物质的各组分之间分别通过共价键和非共价键相互紧密连接，结构抗性大，对其进行组分分离一直是生物质研究领域的一个难点。目前，分离木质纤维素类生物质常用的方法有稀酸处理法、碱处理法、蒸汽爆破法、氨爆破法、高温液态水法、有机溶剂法、离子液体法、深度共熔溶剂法和生物法等，这些分离方式都各有特点（如表2）。其中，高温液态水法、有机溶剂法和深度共熔溶剂法是目前研究的热点，下面将主要对这几种方法进行综述。

　　2.1高温液态水法

　　高温液态水法^[19-20]是指通过加压使水在升温过程中处于液态形式，利用此状态下水具有的特殊性质有效地对木质纤维素进行水解。高温液态水法处理生物质具有无需外加化学试剂、生成降解产物少和CO₂排放量低等^[21]优点，对处理农林废弃物，尤其是玉米秸秆的处理效果显著，一直是近年来国内外学者研究的热点。

　　YU等^[22]采用高温液态水法处理巨桉，在180℃下处理20min后可得到39.4%的木聚糖收率，之后再在200℃下处理20min，使木糖收率达86.4%、葡萄糖收率达98.4%。IMMAN等^[23]将玉米芯经过高温液态水法处理之后，可回收73.1%的葡萄糖、58.8%的戊糖，并脱出超过60%的木质素。

　　近年来，针对高温液态水法处理生物质能耗过大的问题，国内外学者们进行了大量研究，通过将高温液态水法与其他组分分离方法结合或者加入其他试剂等可以有效地降低处理过程中能耗。

　　YU等^[24]采用高温液态水和氨水处理相结合的方法处理甘蔗渣，先进行160℃、30min的高温液态水处理，之后再在同样条件下用10%的氨水处理，得到了75.5%的半纤维素衍生糖收率和87%的葡萄糖收率，木质素去除了30.3%；另外，在180℃、30min处理后，在180℃下用10%氨水处理30min，木聚糖去除率达到了95%，最为重要的是在前述条件下（160℃、30min的高温液态水和氨水处理）处理所耗能量比高温液态水法180℃下处理20min所耗能量的1/3还少，仅比用NaOH在110℃下处理60min所消耗的能量多700kJ/kg，大大降低了能耗，离工业化又近了一步。

　　IMMAN等^[25]通过将高温液态水法与稀酸处理法和碱处理法结合，在140℃下，加入0.25%w/v的NaOH处理10min，葡萄糖回收率提高了1.86倍；在160℃下，加入0.25vol.%的HCl、H₂SO₄、H₃PO₄和草酸处理10min，戊糖回收率提高了1.58~1.84倍，显著提升了半纤维素的溶解率。该方法与传统的高温液态水法相比，降低了反应温度和时间，不仅降低了能耗，而且提高了预处理的效率。

　　GURGEL等^[26]通过将高压CO2通入高温液态水反应装置中，在115℃下反应60min，可保留97.2%的纤维素，与仅用高温液态水法处理相比，温度大幅度下降，大大降低了能耗。不同原料在不同高温液态水反应条件下的组分分离情况如表3所示。

　　由于高温液态水法存在能耗高、水耗大等缺点，近年来，研究者们进行了大量的探索。上述中YU、IMMAN、GURGEL等学者以高温液态水法为基础，通过结合稀酸法、碱法以及加入高压CO₂的方式有效地降低了能耗，这是高温液态水法发展的趋势。

　　本课题组也在进行高温液态水法结合有机溶剂法对木质纤维素类生物质组分分离，并取得了初步的成效。另外，高温液态水法中加热方式的变化对处理效果也有影响，朱银萍等^[27]通过比较高压反应釜和微波反应仪水热处理结果，发现微波水热处理木糖收率更高，而微波反应仪升温效率高、能耗比传统加热装置减少40%。

　　2.2有机溶剂法

　　有机溶剂法是用有机溶剂或者其与无机酸的混合液来分离木质纤维素类生物质。有机溶剂法源于制浆工艺脱木质素过程中有机溶剂的使用，经有机试剂预处理后通过蒸馏回收有机溶剂，可得到较纯的木质素和糖产物，实现生物质的全组分分离。目前，常用的有机溶剂有甲醇、乙醇、丙酮、苯酚、甲酸和乙酸等。

　　乙醇具有低毒、挥发性大、成本低和易回收利用等优点，目前研究较多。潘学军等^[32]采用乙醇有机溶剂预处理黑杨，在1.25%H₂SO₄催化下，经过60%的低沸点乙醇有机溶剂在180℃下处理60min后，黑杨中纤维素保留率可以达到88%，同时半纤维素和木质素回收率分别高达72%和74%。

　　HALLAC等^[33]在乙醇中加入1.5%H₂SO₄，在195℃下处理60min可回收85%葡萄糖，并脱除84%和69%的半纤维素和木质素。可见，通过乙醇处理可实现生物质原料的全组分分离。但低沸点有机溶剂存在易挥发、易燃、易爆等问题，限制了其工业化。针对这一难题，孙付保等^[34]用高沸点的甘油作为溶剂，在常压和180℃条件下保温蒸煮汽爆麦草4h，处理后纤维素保留率可达92%，并可去除超过80%的半纤维素，并使木质素从与纤维素的结合中选择性地分级分离，有效解决了低沸点有机溶剂存在的问题。但是，这类高沸点有机溶剂也存在弊端，如溶剂回收能耗过高、装置密封性要求严格等。

　　有机溶剂法可以将木质纤维素类生物质中的三大组分分级解聚，且得到的各组分纯度较高，可以实现生物质精炼。但是，有机溶剂处理后的固体渣处理工序较为繁杂，低沸点有机溶剂易泄漏，易燃易爆，而高沸点有机溶剂回收成本较高，装置密封要求严格等问题，使有机溶剂法的工业化前景不明朗。

　　2.3深度共熔溶剂法

　　近年来，ABBOTT等^[35]发现一种新型的生物基离子液体——深度共熔溶剂，吸引了越来越多学者的关注。深度共熔溶剂是由一定化学计量比的氢键供体（羧酸、多元醇等）和氢键受体（季铵盐等）组合而成的低温共熔混合物，这种新型溶剂具有制备工艺简单、低毒、可生物降解、环保、可循环利用、原材料价格低廉且可再生等一系列优点。

　　FRANCISCO等^[36]首次发现由羧酸和季铵盐组成的低共熔混合物对木质素具有很好的溶解性能，但是不同单羧酸/氯化胆碱和二元羧酸/氯化胆碱深度共熔溶剂对生物质中木质素的溶解性差异很大，并且多元醇/氯化胆碱深度共熔溶剂（如甘油/氯化胆碱和乙二酸/氯化胆碱）比羧酸类/氯化胆碱深度共熔溶剂溶解木质素的效果更好，另外，组成深度共熔溶剂的羧酸的羧基个数和羧酸的强度对溶解木质素的影响也很大。ZHANG等^[37]通过比较了单羧酸/氯化胆碱和二元羧酸/氯化胆碱不同摩尔比条件下对玉米芯的处理情况，发现随着羧酸比例的增加，木质素溶解率从64.7%增加到了93.1%，另外，酸度最强的草酸构成的深度共熔溶剂对木质素溶解率达到了98.5%，而酸度较低的苹果酸构成的深度共熔溶剂的木质素溶解率则仅为22.4%。

　　此外，深度共熔溶剂对生物质中木质素的溶解是否有选择性或者优先溶解性是目前需要系统研究的方向。刘钧等[38]以苄基三乙基氯化铵（TEBA）和乳酸合成深度共熔溶剂，对桉木粉进行了处理，在90℃下，反应10h，木质素的溶解率达到了92.3%，棕纤维素溶解率仅为8.3%，表现出了良好的选择性。

　　YU等^[39]以半纤维素衍生酸（甲酸、乙酸、葡萄糖醛酸、乙醇酸和乙酰丙酸）为氢键供体，氯化胆碱为氢键受体，合成了五种深度共熔溶剂，并对中药渣木通进行了处理，合成的乙醇酸/氯化胆碱可将原料中60%木质素、100%木聚糖和71.5%葡聚糖脱除，而甲酸/氯化胆碱则可保留原料中97.8%的葡聚糖。

　　目前，也有用深度共熔溶剂溶解纤维素的研究^[40]。可见，并不是所有的深度共熔溶剂对木质素都有选择性，这与多种因素有关，如溶剂的组成和原料本身等，这需要做系统的研究比较。

　　目前合成的大部分深度共熔溶剂对木质素的溶解效果都较好，并且溶剂溶解木质素后可以通过反溶剂回收萃取分离出木质素，得到纯度较高的木质素，可用于精细化学品的生产，而且回收得到的深度共熔溶剂可重复使用^[41]。KUMAR等^[42]使用乳酸/甜菜碱共熔溶剂预处理稻杆，可以分离出(60±5)%的木质素，且得到的木质素纯度超过90%。深度共熔溶剂作为新型的离子液体，能够将生物质中三大组分分离出来，得到纯度较高的各组分，不仅有利于后续的酶解发酵，而且可将分离出来的各组分用于其他高附加值化学品的制备生产中，同时还具有绿色环保、制备简单等优点，与传统的离子液体相比，工业化前景更好。

　　根据高温液态水法和深度共熔溶剂处理生物质的特点，比如高温液态水法处理后的残渣中含有较多木质素，脱除木质素的效果不是很理想，而深度共熔溶剂对木质素的溶解效果较好，采用对木质素有较好选择性的深度共熔溶剂，与高温液态水法结合可以进一步提高预处理的效果。以往的研究表明^[43-44]，高温液态水法处理后的生物质原料内部结构已被破坏，各组分暴露出来，生物质本身的结构抗性已大大降低，此时把高温液态水法处理后的残渣再用深度共熔溶剂进行处理，能够有效溶解残渣中的木质素，使残渣中纤维素的纯度更高，更利于后续的处理。这样通过高温液态水法耦合深度共熔溶剂法可以把生物质中三大组分基本分离出来，从而达到生物质精炼的目的。高温液态水法和深度共熔溶剂法是生物质组分分离方法中典型的绿色分离方法，将二者有效结合起来运用非常值得研究。

　　3总结与展望

　　木质纤维素类生物质来源广泛，是一种前景十分广阔的可再生资源，但木质纤维素生物质中复杂的纤维素–半纤维素–木质素结构限制了其广泛应用。因此，需要从以下几方面着手：

　　（1）在木质纤维素类生物质组分分离研究中，开发新的生产成本低和高效的分离工艺，实现木质纤维素类生物质绿色、环保和低成本的分离。高温液态水法和深度共熔溶剂法作为新型绿色环保的分离方式，具有很好的应用前景。本文提出的高温液态水耦合深度共熔溶剂高效、绿色的分离方法是一条新思路，值得深入研究。

　　（2）绿色、环保和低能耗的理想组分分离方法是我们希望达到的标准，这也是目前生物质组分分离方面研究的趋势，高温液态水法和深度共熔溶剂法是目前较为接近这一理想标准的方法，需要进一步放大中试，以期实现工业化运用。

　　（3）木质纤维素类生物质组分分离后得到的各组分的利用也尤为重要。目前，在纤维素酶解发酵产乙醇方面研究比较多，而脱出的木质素的研究利用则较少，木质素是自然界唯一的天然芳环聚合物，其利用前景非常广泛。另外，可将生物质组分分离与后续利用过程耦合，这样既可降低能耗，又能将生物质三大组分充分利用，实现生物质精炼。

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