近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所牟新東研究員帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)院生物基材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室綠色化工技術(shù)研究中心，利用廉價(jià)、可再生的木質(zhì)纖維原料（玉米秸稈、玉米芯、紙漿等）開(kāi)展了預(yù)處理分離及各組分高效利用方面的研究并取得了系列進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在Bioresour. Technol., J. Agric. Food Chem., Bioproc. Biosyst. Eng., 和Carbohyd. Polym.等雜志上。
該中心王海松研究員負(fù)責(zé)的生物質(zhì)預(yù)處理小組在對(duì)前期木質(zhì)纖維原料堿法預(yù)處理的研究基礎(chǔ)上（Bioresour. Technol., 2012, 125: 193; Biotechnol. Biofuels, 2013, 6: 97），進(jìn)一步評(píng)價(jià)了玉米秸稈預(yù)處理酶水解糖的ABE（丙酮-丁醇-乙醇）可發(fā)酵性。結(jié)果表明，經(jīng)動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理后酶水解糖的ABE發(fā)酵性能與對(duì)比糖（相同比例和濃度的葡萄糖和木糖溶液）相當(dāng)，沒(méi)有產(chǎn)生發(fā)酵的抑制物，ABE的總產(chǎn)率可達(dá)0.112克/克原始秸稈（Bioproc. Biosyst. Eng., 2014, 37: 913）；經(jīng)對(duì)PFI打漿對(duì)堿法預(yù)處理后玉米秸稈酶水解效率及總糖得率影響進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)PFI打漿后底物的打漿度和其酶水解效率及總糖得率有很好的線性關(guān)系，從而建立了一種通過(guò)測(cè)量打漿后物料的打漿度來(lái)快速預(yù)測(cè)預(yù)處理秸稈酶水解轉(zhuǎn)化率和總糖得率的方法（Bioresour. Technol., 2014, Doi:10.1016/j.biortech.2014.06.068）。此外，該小組的研究人員還利用多變量分析方法對(duì)堿法預(yù)處理系統(tǒng)中重要過(guò)程變量間的相互關(guān)系進(jìn)行了量化分析，發(fā)現(xiàn)多變量分析方法將會(huì)是未來(lái)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化和過(guò)程控制的有利工具（BioResources, 2014, 9(2): 2757）。
圖1. 動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理玉米秸稈酶水解糖與對(duì)比糖ABE發(fā)酵性能比較
圖2 打漿度和酶水解效率的關(guān)系及通過(guò)打漿度預(yù)測(cè)玉米秸稈的酶水解轉(zhuǎn)化率
該小組研究人員還開(kāi)發(fā)了一種脫乙�；Y(jié)合機(jī)械磨漿然后兩步酶水解提高玉米芯總糖得率的新工藝，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法可以高效地分別獲得低聚木糖和葡萄糖。第一步酶水解混合糖中，低聚木糖的含量達(dá)到56.4%，超過(guò)功能性低聚木糖的含量標(biāo)準(zhǔn)，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥保健、乳品飲料及食品等領(lǐng)域；第二步酶水解的葡萄糖含量為83.8%，合計(jì)總糖得率達(dá)到了86.4%，為玉米芯的預(yù)處理分離和全組分利用提供了參考（J. Agric. Food Chem., 2014, 62, 4661）；此外，利用預(yù)水解抽提的半纖維素和PVA共混，通過(guò)流延法成型制備了可降解的水溶性半纖維素薄膜，在優(yōu)化的工藝條件下制備的膜材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到7.63Mpa，裂斷伸長(zhǎng)率403%，并且薄膜表面平滑、結(jié)構(gòu)致密，可以代替不可降解的塑料作為包裝材料使用（Pap. Sci. Technol., 2014, 33: 30）。上述研究為木質(zhì)纖維原料中木聚糖或半纖維素組分的高值化利用提供了新思路。
圖3. 脫乙�；Y(jié)合PFI磨漿然后酶水解的工藝路線及其對(duì)酶水解總糖得率的影響
圖4. 預(yù)水解抽提半纖維素制備的膜材料及其強(qiáng)度性能
另一方面，研究人員比較了蒸汽預(yù)處理和熱水預(yù)處理對(duì)預(yù)水解硫酸鹽法制備高純度溶解漿的影響，發(fā)現(xiàn)在相同戊聚糖移除率的情況下，蒸汽預(yù)處理可降低縮合及反沉積木素對(duì)后續(xù)硫酸鹽蒸煮和漂白的不利影響，制備溶解漿的α纖維素含量可達(dá)97.6%，產(chǎn)品得率也比傳統(tǒng)熱水預(yù)處理再硫酸鹽法蒸煮高出3%（Cellulose, 2014, 3: 1445）；此外，研究人員還利用商品漂白硫酸鹽針葉木漿為原料，通過(guò)化學(xué)法和生物酶耦合處理，把漂白木漿的α纖維素含量提高到90%以上，反應(yīng)性能超過(guò)68%，達(dá)到粘膠纖維用漿粕的性能指標(biāo)（Biochem. Eng. J., 2014, 82: 183）。同時(shí)，利用固體酸水解該商品漂白木漿制備出具有優(yōu)良熱穩(wěn)定性的棒狀納米微晶纖維素（寬15-40 nm，長(zhǎng)600-800 nm），由于固體酸容易回收再利用，從而建立了一種綠色可持續(xù)的制備納米纖維素的新方法，為納米纖維素的商業(yè)化推廣奠定了基礎(chǔ)（Carbohyd. Polym., 2014, 110: 415）。
上述研究得到了國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及國(guó)際合作等項(xiàng)目支持，對(duì)生物質(zhì)纖維的高值化利用和降低化學(xué)纖維行業(yè)對(duì)石化資源的依賴具有十分重要的意義。
圖5. 蒸汽和熱水預(yù)處理對(duì)半纖維素溶出及纖維素得率的影響
圖6. 生物酶和化學(xué)法耦合處理對(duì)纖維素反應(yīng)性能和α纖維素含量的影響
圖7. 磷鎢酸制備納米纖維素的工藝流程及納米纖維素產(chǎn)品的微觀形貌
