文章信息

第一作者：张冉

通讯作者：王艳婷

通讯单位：华中农业大学

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.128315

亮点

• 温和预处理可使优质木质纤维素接近完全酶解糖化。

• 集成类绿色预处理实现最大纤维乙醇生产。

• 用于纳米材料和纳米碳生成的类绿色预处理策略。

• 降低生物量抗降解性的不同预处理机制。

• 高性价比生物燃料和功能材料的制备路径。

研究进展

植物通过独特的光合作用捕获大气碳，生产地球上最丰富的木质纤维素。虽然木质纤维素已被用于生产生物燃料和生物化学品，但其天然的抗降解性不可避免地决定了其昂贵的转化过程，且产生潜在的二次废物释放。目前，已有许多先进的生物质预处理技术被用于破除木质纤维素抗降解屏障，其目的不仅在于实现高成本效益的生物燃料和增值生物材料，而且还可以充分利用生物质资源，实现零废物排放。

本综述文章首先阐明了生物质预处理工艺的基本原理，包括微米尺度上减小生物质原料尺寸、细胞水平上打破和解构细胞壁、超微结构水平上的木质纤维素基质破坏、分子水平上的细胞壁聚合物破坏（图1）。然后，本研究整理了可用于接近完全糖化的最佳生物质预处理技术，以实现生物燃料产量最大化。在此基础上，综述更新了应用于生成高价值的纳米和功能材料的预处理技术。最后，提出适用性战略思路，即通过以成本效益和绿色的预处理，共同生产生物燃料和纳米材料以期实现木质纤维素全利用。

图1 预处理降低木质纤维素抗降解性的基本原理

本研究提出的木质纤维素全利用策略包含三条主要路线（图2）。（1）对于木本植物或高度木质化的草本作物（如竹子等），可以通过使用绿色预处理DES和有机溶剂法在原位上有效地提取木质素。提取的木质素可通过选择性的类绿色预处理用于纳米材料的生产，而保持完整性的木材和竹子可在适当的化学改性和物理处理后生产功能材料，如透明木材、超硬木材、储能木材等。（2）对于遗传改良的能源作物和工程酵母菌株，温和的类绿色预处理足以实现接近完全的生物质酶解糖化和最大限度的提高生物乙醇产量。同时，剩余的木质素残留物可完全用于生产纳米材料，如纳米木质素、碳量子点、石墨烯碳。（3）对于大多数的木质纤维素底物，可以选择集成的类绿色预处理，以实现较高生物酶解糖化和乙醇产量。剩余的木质纤维素残留物进一步用类似绿色的化学物质处理以提取木质素，所有提取的木质素溶液合并用于木质素纳米材料的生产，而剩余的粗纤维素可用于生产纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶、多孔石墨碳等。

图2 能源作物和林木全利用流程图

作者介绍

张冉，博士，生物质能团队博士后，华中农业大学植物科学技术学院。从事植物细胞壁合成与降解的分子机理研究，主要利用正反向遗传学技术手段与完备细胞壁分析体系，解析细胞壁超微结构的遗传特性。主持国家自然科学基金1项，参与发表学术论文10余篇。

通讯邮箱：121412336@qq.com

王艳婷，博士，生物质能团队高级工程师，华中农业大学植物科学技术学院。主要从事植物细胞壁遗传改良与生物质降解转化相关工作，主持国家自然科学基金和中央高校创新基金等项目。近年来，在植物细胞壁基本特征结构模型；果胶糖醛酸调控水稻秸秆高效降解机制；遗传改良植物细胞壁增强能源作物生物质产量与生物能源产率；原位细胞壁多糖酶促水解动态观测；能源植物纤维素纳米纤维制备食品级皮克林乳液稳定剂；量子点荧光免疫标记预处理下不同细胞壁聚合物的同步解聚；经济作物木质纤维素高效酶促糖化机制；能源作物细胞壁遗传改良、微生物基因工程改造和生物质绿色加工的多学科交叉融合研究等方面取得了系统性进展，并受邀在国内外知名综述期刊发表多篇研究型综述。共发表SCI论文60篇，总引用次数近2000次，H指数26。

通讯邮箱：wyt@mail.hzau.edu.cn