基于木质素原位修饰的酸-碱联合预处理落叶松的研究文献综述

 2022-04-28 22:51:23

1 前言

随着全世界人口增加，化石资源的日益枯竭，石油等价格的不断飚升，林业生物质和农业生物质等可再生资源作为新兴的资源，已受到人们的极大关注，其中木质纤维素因有“不占用粮田、不威胁粮食安全”等特点，被国内外专家认为是最好的可再生新资源。木质纤维原料生物炼制生产能源和化学品是执行我国可持续发展战略的重要途径。我国农林业剩余物资源丰富，是生物质利用的主力[1]。由于分布广泛、生境差异大、自然选择及基因迁移突变、遗传漂变、隔离等因素的影响，在其漫长的系统发育过程中产生了极为富的种质资源。这些种质资源在形态特征、生物学习性和生产力等方面也表现出明显的差异。种质资源的研究为种子区区划以及造林提供了优良的种源，有利于获得较大的增产效益因[2]。

“精炼 (refinery)”的理念来自于现代石油化工产业。所谓“精炼”，是指通过分馏和催化转化等技术，把原油等复杂底物中不同的组分进行分离，进而把每一种组分分别转化成各种不同的产品，以最大限度地开拓产品的总价值。将该思想引入到生 物质资源开发领域，就形成了一个新概念——“生物精炼”。图1 为木质纤维素生物质生物精炼的示意图。因为生物质中包含有多种多样的有机和无机化合物，因此生物精炼就是希望在以生物质为原料的加工工业中，打破传统生产方式中仅仅利用生物质中的某一种组分生产单一种类产品的观念，尽可能地充分考虑将原料中每一种主要组分都分别转化为不同的产品，实现原料全组分的高效充分利用和产品价值的最大化[3]。

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[4]。

图1 木质纤维素生物质生物精炼的示意图[4]

2 针叶材原料的组成与结构

木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，三者占到总细胞壁含量的90%以上。通常在木质纤维原料中，纤维素占40-50%，半纤维素占25-30%，而木质素占15-20%，这三种成分构成木质纤维的支撑骨架。除此之外，还含有可溶于中性有机溶剂的水的提取物，包括蜡、脂肪、蛋白及酚类等。

纤维素（cellulose）是由葡萄糖通过beta;-(1，4)糖苷键组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。

半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。半纤维素具有亲水性能，这将造成细胞壁的润胀，可赋予纤维弹性。在植物细胞壁中与纤维素共生、可溶于碱溶液，遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。一种植物往往含有几种由两或三种糖基构成的半纤维素，其化学结构各不相同。构成半纤维素的糖基主要有D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基、L-阿拉伯糖基、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸基，D-半乳糖醛酸基和D-葡萄糖醛酸基等，还有少量的L-鼠李糖、L-岩藻糖等。半纤维素主要分为三类，即聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类。

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