生物质能源是自然界中有生命的植物提供的能量，取之不尽，用之不竭，具有广阔的发展前景。在我国，可被利用的生物质能源超过7亿t，其中木质纤维生物质所占比例很大(Rubin, 2008)。木质纤维生物质经物理化学及生物多级复合处理后得到可发酵糖，再通过微生物无氧发酵即可得到生物燃料，将木质纤维素生物质转化为乙醇作为运输燃料，是提高能源安全和环境治理重要机遇下的必然需求。木质纤维生物质细胞壁的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，三者占细胞壁干质量的90%以上，通过特定的物化结合方式复合在一起(Samuel et al., 2011)。纤维素是由葡萄糖单元通过β-1-4糖苷键连接形成的线性大分子高聚物，分子内和分子间氢键作用极强，分子间相互作用较大，可形成一定的结晶结构；半纤维素是由木糖、甘露糖、葡萄糖及少量糖醛酸形成的复杂聚糖，分子结构具有一定分支度，纤维素和半纤维素可经由糖化和发酵过程最终转化为生物乙醇；木质素是由苯及丙烷单体通过聚合作用形成的一种无定型生物大分子，在木质纤维生物质细胞壁中通过化学键与半纤维素相连(Huber et al., 2016)。木质素与纤维素和半纤维素在木质纤维生物质细胞壁中紧密结合，可形成天然抗降解屏障，阻碍纤维素酶与纤维素底物充分接触，进而限制纤维素的高效酶水解(Boudet et al., 2003；Himmel et al., 2007；Sticklen，2008；Li et al., 2014a；Peng et al., 2016)。当前，生物炼制是使木质纤维原材料三大组分的全组分清洁高效分离，并实现分离组分在生物燃料、生物基复合材料和其他高附加值产品开发中的利用(Saha et al., 2007；Lissens et al., 2004；Pérez et al., 2007)；然而，大部分基于脱木质素的生物质分离预处理方法通常都在非常苛刻的条件下进行(如高温高压、高浓度试剂中)，在效率、成本和安全性等方面仍然需要改进。

全球生物柴油产量增长导致甘油生产供过于求，有必要开发一种高效、经济的方法提高甘油附加值，从而提升生物柴油产业的整体利润水平。近年来，木本生物质预处理用有机溶剂促进了甘油的发展，有学者(Sun et al., 2008；Küçük, 2005)采用甘油对生物质脱木素过程进行尝试，虽然取得的结果较好，但由于脱木素过程成本高、耗时长，经济上可行的脱木素技术尚未实现。与常规加热相比，微波加热能穿透材料并产生体积分布均匀的热源，使加热物本身成为发热体，内外同时加热，在短时间内达到加热效果，从而提高加热效率，因此，有学者(Xie et al., 2014a；2014b；Xu et al., 2012)开发了一种将微波加热与甘油利用结合起来的综合炼制工艺，并以此为背景研制了以甘油为主要溶剂的微波辅助液化系统。

为将该技术用于木质纤维素生物质预处理，本研究以银腺杨(Populus alba ×P. glandulosa)、日本落叶松(Larix kaempferi)、刚竹(Phyllostachys viridis)和柳枝稷(Panicum virgatum)为试验材料，对其进行微波液化，将液化产物分为纤维素、半纤维素和木质素组分，并对纤维素纤维组分进行综合表征，探索其在燃料乙醇制备中的可行性，以期为实现经济可行、经济有效的木质纤维素生物质酶解预处理技术和生物燃料生产提供基础信息。

1 材料与方法 1.1 试验材料

银腺杨无性系84 K材料采自北京市海淀区玉泉山苗圃4年生银腺杨，日本落叶松和柳枝稷材料由中国林业科学研究院林业研究所提供，刚竹材料采自安徽省六安市独山镇。每个样品研磨过筛，收集通过20目筛网粉末，并保留在40目筛子上。将样品置于80 ℃烘箱中烘2 h，干燥后的粉末存放于自封袋中，不做进一步处理。酸、甘油和甲醇均为试剂级。

1.2 研究方法 1.2.1 微波液化过程

木质纤维素生物质液化在实验室微波反应器(厂家：Milestone，型号：ETHOS EX)中进行，控制其最大输出功率为550 W。液化溶剂为质量比2:1的甘油和甲醇混合物溶剂，液化溶剂与竹粉的液固比为4:1，以相当于液化溶剂总质量1.75%的硫酸溶液作为液化反应的催化剂。反应配方如下：2 g木质纤维素粉末、8 g液化溶剂和0.14 g硫酸。微波液化反应器为聚四氟乙烯反应器，整个反应过程在高速磁力搅拌条件下进行，采用ATC-400FO自动光纤温度控制系统实时监控反应温度，以自动调整微波输出功率。液化过程中，升温速率25 ℃·min^-1，目标温度120 ℃，加热速率25 ℃·min^-1，达到目标温度后，保持恒温4 min，反应结束后，冷却30 min，甲醇漂洗4 h，再用4号滤纸对反应混合物进行真空过滤，遗留在滤纸上的固体残渣即为纤维素，残渣于105 ℃下烘干。将滤液在60 ℃水浴温度下旋转蒸发以去除甲醇，再向旋蒸后的溶液中加入蒸馏水，充分搅拌并以5 000 r·min^-1离心10 min，静止后下层固体为木质素，上层水溶液为半纤维素。

1.2.2 化学分析

根据国家可再生能源实验室(NREL)公布的程序，采用两步酸水解法对原木质纤维素生物量和纤维素组分碳水化合物含量进行分析。在压力瓶中称重0.3 g干样，加入3 mL 72%硫酸和84 mL蒸馏水，将压力瓶转移到温度121 ℃的高压反应釜中反应1 h，水解后将样品冷却、中和，并通过中等粗糙度烧结玻璃坩埚过滤。使用高效液相色谱系统(Waters2695E，USA)和AminXHPX-87P(Bio-Rad，USA)，示差折光检测器在35 ℃下检测滤液。样品的注射体积为10 μL，(气体流速为0.6 mL·min^-1)用作洗脱液，总分析时间为50 min。将Klason木质素作为酸水解后残留的无灰残渣，测定木质素含量。化学成分结果均为2次平均值，误差小于5%。

1.2.3 红外光谱

FTIR分析在Nicolet Nexus 670光谱仪上进行，该光谱仪配备Thermo Nicolet MKII单反射ATR附件。以4 cm^-1的光谱分辨率采集数据，每个样本重复扫描32次。

1.2.4 X-射线衍射

采用大角度X-射线衍射(Bruker D 5000)分析几种材料的纤维样品结晶度。用Cu Kα辐射(λ=1.54A)到40 kV和30 mA的衍射仪上，在衍射角范围2θ为5 ° ~40°、步进时间为2.0 s条件下采集数据。结晶度指数(CrI)用下式计算：

$ {\mathop{\rm CrI}\nolimits} (\%) = \frac{{{I_{002}} - {I_{{\rm{am}}}}}}{{{I_{002}}}} \times 100\% 。$

式中：I₀₀₂为002晶面的衍射强度，根据经验I₀₀₂为2θ=22.1°的衍射强度；I_am为无定型区衍射强度，根据经验I_am为2θ=18.0°的衍射强度(French，2014)。

1.2.5 热重分析

采用热分析仪(Q50)对样品进行TG/DTG分析。进样样品质量约5 mg，氮气流速为60 mL·min^-1，升温速率为20 ℃·min^-1，热解反应最终温度为800 ℃。

1.2.6 酶水解

量取30 mL 0.05 mol·L^-1醋酸钠缓冲液(pH4.8)于50 mL锥形瓶中，加入底物浓度为2.5%(W/V)，将锥形瓶置于48 ℃转速为150 r·min^-1的旋转振荡器(Certomat-R，B-Braun，Germany)中反应96 h进行酶水解。纤维素酶用量为18FPU/g-纤维素、纤维二糖酶用量27CBU/g-纤维素，水解48、72和96 h后取样。在特定时间间隔取200 μL水解液以监测反应，随后将取出的样品在沸水中保存10 min使酶失活，离心后取上清液进行检测。通过溶液中的1 g纤维素与大约1.11 g的葡聚糖相等来计算葡聚糖产量。

2 结果与分析 2.1 化学成分分析

表 1所示为液化预处理前后木质纤维素生物质的葡聚糖、木聚糖和木质素含量，可以看出，微波液化后，从刚竹样品中获得纤维素纤维的葡聚糖含量(68.39%)比日本落叶松和柳枝稷高，而银腺杨中葡聚糖含量高达73.56%。相比之下，微波液化后纤维素纤维中的木聚糖含量均不同程度降低。所有纤维素纤维均表现出较高的葡聚糖含量，这是因为微波液化过程降解了部分非纤维素组分(半纤维素和木质素)，从而导致葡聚糖含量相对升高。

与原材料的木质素相比，纤维素纤维中残留的木质素均有所下降，表明微波液化能够降解并移除原材料中的木质素。银腺杨和刚竹的脱木素效率更为显著，可能是由于银腺杨和刚竹的多孔结构造成的，而日本落叶松和柳枝稷的纤维素纤维中尚含有较高的木质素含量。日本落叶松纤维素纤维的残余木质素含量明显偏高(17.94%)，归因于日本落叶松的顽固结构及其相对较高的木质素含量(30.81%)；未处理柳枝稷原材料的木质素含量虽然较低(19.03%)，但经液化处理后其木质素含量尚有10.51%，可能与其较高的灰分含量(13.89%)相关。

2.2 红外光谱

图 1所示为未处理生物质原材料和液化后所得纤维素纤维的红外光谱，表 2为红外光谱各信号详细归属。1 741~1 719 cm^-1处的吸收峰一般来自羰基(C＝O)吸收峰，可能是生物质原材料中半纤维素和木质素之间连接的酯键或原材料中的酰化现象；然而，在液化后的纤维素纤维中该吸收峰强度均有所降低，表明这些以酯键相连的单元在液化条件下可能发生了断裂。为了准确反映预处理过程中木质纤维素生物质木质素组分的变化，选择5个吸收峰进行分析(图 1)。如位于1 594~1 601 cm^-1是芳环的振动峰，1 451~1 458 cm^-1归因于与芳香环振动相结合的CH变形，1 230/1 264 cm^-1源于木质素中CO拉伸振动，809/830 cm^-1是芳香环S单元2和6位的CH面外振动。对这些样品光谱中木质素谱带强度比较分析表明，银腺杨、刚竹和柳枝稷中的木质素几乎被微波液化过程释放和溶解，进一步证明液化过程具有有效脱木素的能力。

对于液化后的纤维素纤维，位于1 371 cm^-1纤维素弯曲振动的C—H、1 162 cm^-1纤维素的C—O—C不对称伸缩振动和899 cm^-1的C—H变形信号变得更加强烈，与样品中较高的葡聚糖含量(60.16%~72.30%)相一致。此外，1 420~1 430 cm^-1处的吸收峰与结晶度有关，该信号的位置移动表明与纤维素连接的木质素芳环骨架分解，进而导致纤维素纤维结晶度增加。

2.3 X-射线衍射分析

X-射线衍射分析(XRD)能够快速获得木质纤维原材料和预处理基质中的纤维素结晶形态。图 2所示为原始木质纤维素生物质和纤维素纤维的结晶度指数(CrI)，可以看出，原材料的CrI在48.24%~51.65%之间，液化处理后CrI显着增加；银腺杨、日本落叶松、刚竹和柳枝稷纤维素纤维的CrI分别为74.6%、64.87%、69.58%和64.22%。CrI增加主要归因于无定型物质(木质素和半纤维素)在微波液化过程中的有效溶解和去除，与化学分析结果基本吻合。

2.4 热稳定性

木质纤维素生物质的热分布与其化学成分含量密切相关。木质纤维素生物质和纤维素纤维样品的热曲线如图 3所示，可以看出，原材料的热降解曲线可分为3个阶段：1) 200~300 ℃，质量损失很小，主要是由于水的释放和小分子质量化合物(如萃取物)的蒸发；2) 300~450 ℃，剧烈的质量减少，表明碳水化合物和木质素降解；3) 450~650 ℃，焦油和焦炭木质素残留物的降解导致质量降低。

木质纤维素生物质和纤维素纤维样品的热重分析表明，液化处理后纤维素纤维样品热稳定性降低，最大分解温度降低，这说明高热稳定性的木质素去除，使得纤维素纤维的热稳定性降低。如表 3所示，除了刚竹外，其他木质纤维素原材料液化后纤维素纤维的T₀(初始质量损失温度)均减少，表明纤维素纤维的热稳定性普遍降低，刚竹热稳定性升高的原因可能与竹材原材料致密的结构有关。通过比较原木质纤维素生物质和纤维素纤维之间的T_max(最大的降解速率温度，可视为DTG曲线上的峰值)发现，所有纤维素纤维样品的T_max都比原纤维样品低(尤其银腺杨、柳枝稷和日本落叶松)，这主要源于木质素的大量去除。此外，液化处理后纤维素纤维的灰分含量远远低于原材料，表明微波液化处理也会溶出部分灰分，使得纤维素纤维的纯度更高，有利于后续应用。

2.5 酶解的初步评价

对纤维素纤维进行酶解发酵，可获得原材料和预处理基质的酶水解曲线，如图 4所示，可以看出，与原材料的酶水解效率相比，液化处理后基质的纤维素糖化效率显著增强。如银腺杨、柳枝稷、刚竹的酶解均相比预处理前显著增强，日本落叶松的酶解转化效率虽然增加了1倍，但是其转化效率仍然较低。这种现象说明对于银腺杨、柳枝稷和刚竹，液化处理可以通过显著去除木质素和半纤维素从而破坏木质纤维素生物质的致密结构，而对于质地紧密的日本落叶松来讲，其致密的结构虽然在液化处理中得到了解构，但由于其结构的复杂性，其酶解转化效率依旧较低(处理后不足35%)。另外，不同原材料的酶解转化率也不尽相同，差异的产生可能与木质纤维素生物质在结构和化学成分上的差异有关。值得注意的是，虽然对于大部分树种原材料(银腺杨、刚竹和柳枝稷)，微波液化处理显著增加了葡聚糖得率(从10%~20%提升至60%~70%)，但与之前其他主要预处理技术相比，其酶解转化效率仍然较低，这可能与纤维素纤维中存在抑制物质有关(甘油、浓硫酸和木质纤维的降解物质等)。需要强调的是，基于微波液化技术主要是生产液化产物用于聚氨酯、胶黏剂等材料的制备，所得纤维素纤维是该技术的剩余物，如能将其通过酶解发酵方式转化为燃料乙醇，从生物质综合利用角度来讲，该技术具有较大的发展潜力和前景。

3 讨论

本研究旨在研究微波液化处理所得纤维素纤维的酶解转化效率。前期研究发现，经过微波处理后，原料中的主要化学成分含量均发生了变化，与原材料中所含木质素相比，液化处理后纤维素纤维样品中残留的木质素含量呈下降趋势，表明微波液化能够不同程度地去除原材料中的木质素。同时，刚竹和柳枝稷的纤维素纤维中木聚糖含量较高，而日本落叶松样品的木聚糖含量最低，可能是由于刚竹和柳枝稷的木聚糖含量比日本落叶松高的缘故。此外，预处理后的纤维素均呈现不同程度的上升。总之，不同木质纤维素生物质的微观结构和化学成分差异都会对最终液化残渣的化学组成造成影响。

根据FTIR结果，木质素和碳水化合物之间的酯键在液化处理过程中的解离以及木质素基质内单元间键的断裂均会对木质纤维原材料主要组分分离起到非常重要的作用，且FTIR表明半纤维素和木质素成分可有效脱除，这同时也造成了纤维素纤维结晶度的相对上升，与化学分析结果相一致。此外，液化后纤维素纤维中的葡聚糖含量显著增加。这些变化均表明微波液化可作为木质纤维素生物质的快速预处理方法。

通过热稳定性分析发现，所有纤维素纤维样品的T_max都比相应的原材料样品低，主要归因于原材料中木质素的脱除，液化处理后木质纤维素生物质热稳定性的变化(T₀、T_max)进一步表明木质素这种高热稳定性物质的去除。酶解糖化试验证实，微波液化处理可用于生产高酶解效率的纤维素纤维，该技术可以通过显著地去除木质素和半纤维素，进而破坏木质纤维素生物质的致密结构。此外，在试验中还观察到不同木质纤维素生物质酶解效率之间的差异，差异的产生可能与木质纤维素生物质在结构和化学成分上的差异有关。需要说明的是，虽然微波液化处理可显著增加葡聚糖得率，但与目前这些原材料主要的预处理技术相比，其酶解转化效率仍然有提升空间。基于微波甘油液化技术主要是以生产液化产物(油相部分)用于聚氨酯、胶黏剂等材料的制备，所得纤维素纤维残渣(固相部分)是该技术处理木质纤维原材料的剩余物，如能将该残渣部分通过酶解发酵方式转化为燃料乙醇，则既能实现生物质组分的综合利用，又能实现生物质的高附加值产物生产，从生物质综合利用角度来讲，该技术也具有较大的发展潜力和前景。

4 结论

微波液化作为一种绿色高效的生物质预处理技术，可用于有效去除木质纤维素生物质中的木质素和木聚糖(半纤维素)，生产液化产物用于聚氨酯和胶黏剂等材料的制备，富含纤维素纤维的残渣可用于燃料乙醇生产。本研究通过湿法化学、红外光谱和X-射线衍射等分析均证明微波液化处理既可以有效去除木质素和木聚糖，又可降低纤维素纤维的生物抗降解屏障，从而有利于后续酶解糖化处理(最高酶解转化效率可达70%)，而且半纤维素和木质素的去除对木质纤维素生物量的热降解行为也有较为明显的影响。综上表明，微波液化技术可作为生物乙醇生产一种有效的预处理方法之一。