预处理对纤维素原料结构与性能的影响

摘要：纤维素原料富含纤维素和半纤维素，是一种可再生的能源和化学资源，在能源短缺的今天，具有很高的开发价值。纤维素原料的化学组成及结构是阻碍纤维素酶解的主要因素，因此预处理工艺是纤维素原料利用和生产中必不可少的环节。文章阐述了不同的预处理的方法，原理以及预处理对纤维素原料结构性能的影响，综述了木质纤维材料预处理的研究现状和未来展望。

关键词：纤维素材料；预处理技术；结构与性能；

Abstract: The lignocellulosic materials with abundant cellulose and hemicellulose is a kind of renewable energy sources and chemical resources. Now, the resources is in short supply, the lignocellulosic materials is worth developing and utilizing. The chemical constitution and structure of the lignocellulosic materials is the major factors to effect the enzymolysis. Therefore ,the pretreatment is an essential part. The principle of pretreatment and the methods of the pretreatment as well as the effect to structure and nature of the lignocellulosic materials are discussed. The research status and the future prospects of pretreatment of lignocellulosic materials are summarized.

Key words: lignocellulose; pretreatment; structure and nature

1 引言

随着人类社会的发展，人类对化学能源的依赖和需求日益增强，大量化学能源的使用，也使得温室效应对于人类生活的影响日益加剧。能源、资源、环境等问题日益突出，寻找环境友好可再生的能源成为人类亟需解决的一个问题，也成为了世界各国关注的重点。木质纤维素材料是一种比较廉价易得的原料，其富含纤维素和半纤维素类聚糖物质，可用于乙醇的制造，几乎是一种取之不尽且可再生的能源和化学资源。从目前的发展水平来看，纤维素生产在技术上已经可以实现，但还不能在全世界范围内实现大规模的工业化生产，其中，预处理是成本最高的单元处理环节，也是最重要的一环^[1]。

木质纤维素原料天然复杂的结构决定了预处理的必要性。木质纤维材料主要是由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。其中木质素与半纤维素之间以共价键连接所形成了特殊的结构，而且纤维素本身有结构紧密、结晶度高的特点，所以纤维素在酶制剂中难于溶解及进一步发生水解。除此之外，绿色植物在长期进化过程中，进化出了一套结构严密而有效的以抵抗环境因素及微生物降解的防御体系。主要包括植物的表皮组织，维管束的密度和分布，厚壁组织的相对含量，细胞壁组成及结构的复杂性，木质化的程度以及细胞壁中本身存在或后期产生的抑制物质^[2]。因此在开发和利用纤维素材料时，预处理是必不可少的环节。

2 纤维素材料的组成

含有纤维素、半纤维素的物质统称为纤维素材料。纤维素材料主要由三大组分构成，包括：纤维素、半纤维素、木质素，纤维素原料的化学组成如图2-1所示。在三大组成成分中，纤维素约占干重的35-50%；半纤维素约占干重的20-35%；木质素约占干重的15-25%，此外还有少量蛋白质、灰分、淀粉等物质^[3]。几种常见的纤维素材料的化学组成见表1