稀酸-聚乙氧基醚辅助碱法联合预处理对马尾松纤维素酶水解的影响文献综述

 2022-02-15 10:02

全文总字数：10630字

1.前言

马尾松（Pinusmassoniana Lamb）又名松树、青松,松属松科裸子植物,分布极广遍布华中华南各地,是我国南方主要树种[1]。历年来,学者们对松属的研究发现其含有的丰富营养素和活性物质,具有很高的营养价值和生理活性。马尾松具有适应性强、耐贫瘠、速生、干形好、产脂高等特点，是优良的纸浆用材。马尾松作为一种针叶材，其致密的结构难以被高效的纤维素糖化处理。为此，提高马尾松的纤维素酶水解性能，建立高效的预处理机制，以破坏其致密的物理化学结构，对针叶材的有效利用具有非常重要的意义。

“精炼 (refinery)”一词最早出现于现代石油化工产业。所谓“精炼”，就是指通过催化转化和分馏等技术，将重油等复杂底物中不同组分进行分离，进而将各种组分转化成不同的产品，从而最大程度地开发产品的总价值。将这个概念引入到生物质资源领域，就形成现在所说的——“生物精炼”。

通过对木质纤维进行“生物精炼”，可以将木质纤维素的不同化学组分进行组分分离，进一步分别将不同组分转化成人类社会发展所需要的食品、饲料、化学品、材料和燃料等，对缓解目前人类社会面临的能源、资源、粮食、环境等危机，减少对石油基产品的依赖，促进人类社会的可持续性发展具有重要现实意义，同时也为农业和化学工业提供了一个新的经济增长点[2]。

2.1木质纤维原料组成

生物质资源转化体系引领世界能源革命,对节约资源废物利用、循环利用有重大利好,木质纤维素作为一种普遍存在的非粮原料,其所富含的纤维素和半纤维素类聚糖物质均可以转化成燃料乙醇,是一种取之不尽且可再生的能源和化学品资源[3]。

2.1.1纤维素

纤维素是葡萄糖残基通过 beta;-1,4 糖苷键连接而成的高分子聚合物，主要存在于成熟高等植物的细胞壁中，是生物炼制制备能源和化学品的最重要的原料之一。其在自然界中分布广泛、含量丰富，大约占植物界碳含量的 50%以上[4]。纤维素具有超分子结构其中包括结晶区和无定型区。结晶区是纤维大分子之间和纤维素分子内部通过较多的氢键作用力使分子聚集在一起形成的结晶状和不溶性的刚性结构[5]。纤维素分子的无定型区氢键不仅分散而且少，其结构比结晶区更易于被降解。

2.1.2半纤维素

半纤维素一般作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间。半纤维素(如木聚糖)与纤维素微细纤维之间以氢键和范德华力结合,与木质素间以化学键构成木素-碳水化合物复合体(lignincarbohydrate complex,LCC)，还与部分蛋白质以化学键相连[6-9]。半纤维素在结构和组成上变化很大,通过多糖分离纯化以及各种色谱、光谱、质谱、电镜和核磁共振等技术研究发现,大多由较短且高度分支的杂多糖链组成[10-11]。针叶木中主要的半纤维素是聚-O-乙酰基葡萄糖甘露糖,含部分聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖和少量聚阿拉伯糖半乳糖。阔叶木中的半纤维素主要是聚-O-乙酰基-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖,含少量聚葡萄糖甘露糖等一些其他高聚糖[12]。

2.1.3木质素

木质素的结构非常复杂，是含有甲氧基或羟基的苯丙烷单体经过脱氢聚合，由C-C键和醚键等化学键连接并无序组合形成的三维高分子网状化合物。木质素约占木质纤维素类生物质原料干基重量的15%—40%[13],可为植物细胞提供足够的强度和硬度，具有避免生物侵害和水的侵蚀、抗菌、抗氧化、抗吸收紫外线和阻燃等功能[14]。一般而言,木质素主要含有对羟苯基丙烷(phydroxyphenyl propane,H)、愈创木基丙烷(guaiacyl,G)和紫丁香基丙烷(syringyl, S)三种单体,对应的前驱体分别是香豆醇、松柏醇和芥子醇。木质素是这些单体通过脱氢聚合,由C—C键和C—O键等连接无序组合而成。大量的分析结果表明,针叶材木质素主要由G结构单体组成,阔叶材木质素主要由G和S结构单体组成,而非木材纤维木质素主要由H、G和S三种单体组成[15]。木质素-碳水化合物复合物（lignin-carbohydrate complex，LCC）是木质素与碳水化合物通过共价键连接形成的一种化合物[16]，LCC 可阻碍高聚糖的降解，是生物炼制的一大难题。近年来木质素的利用是木质素研究领域的一个热门课题。目前，木质素的利用主要集中在工业上合成树脂，胶黏剂，橡胶补强剂，油田化学品，建材助剂和表面活性剂等[17]。

2.2 木质纤维原料的预处理

天然植物纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,结构非常复杂。由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素自身的晶体结构,使得木质纤维形成致密不透水的高级结构,使酶制剂很难与纤维素接触,直接影响接下来的水解和发酵过程,因此,要充分利用纤维素类资源必须先对其进行有效的预处理[18]。目前，预处理方法可分为物理法，物理化学法，化学法和生物法四大类以及联合预处理法[19]。预处理必须满足下列要求：（1）促进糖的形成，或者提高后续酶水解形成糖的能力；（2）避免碳水化合物的降解或损失；（3）避免副产物形成阻碍后续水解和发酵过程；（4）有成本效益。目前，木质纤维原料的预处理方法包括物理法、物理化学法、化学法和生物法[20-21]。

2.2.1物理法

物理法有机械破碎(剪切、研磨)、高温分解法、辐射法、高温液态法等，目前研究较多的是高温液态法。

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