木质纤维素是丰富而廉价的可再生资源，主要包括纤维素、半纤维素和木质素。每年全球绿色植物体光合作用产生的干物质达1.55×10¹¹吨，其中纤维素和半纤维素约为8.5×10¹⁰吨^[1]。

随着石油资源短缺及人们对能源、环境问题重视程度的提高，木质纤维素类生物质的利用受到世界各国越来越广泛的重视，成为新的发展领域和科学研究热点^[2]。美国能源部提出，到2020年，化学基础产品中至少要有10%来源于生物质资源，2050年提高到50%；到2030年，生物质要为全美提供5%的电力、20%的运输燃料以及25%的化学产品^[3]。中国是全球生物资源最丰富的国家之一，21世纪中国实现由生物质资源大国向生物质资源及生物经济强国转变将成为必然趋势，2050年中国生物质资源科技发展目标是大力发展大规模商业化生物质能源应用，以替代30%左右的进口石油^[4]。

在木质纤维素通过生物化学技术转化为生物乙醇及丁醇等燃料和高附加值的化学品的过程一般包括预处理、水解、发酵、产物分离等操作部分，其中纤维素水解为可发酵糖起着关键性的作用。纤维素的水解主要有化学法和酶法，从环保的角度出发，纤维素酶解作用是木质纤维素被彻底降解而不会对环境造成污染的一条有效途径，并且酶解反应有着糖损耗低、副产物少、条件温和等特点，因此备受关注。但由于木质纤维素原料复杂的组成及结构以及纤维素酶存在稳定性差、使用寿命短、活力低等缺陷，致使酶解效率较低，酶解糖化的费用过高，生物质能源的成本居高不下，这是工业化进程的主要瓶颈之一，为此国内外科研工作者围绕如何提高木质纤维素原料酶解效率，开展了大量研究工作^{[5, 6]}。本文在叙述纤维素酶解机理的基础上，就近年来国内外提高木质纤维素酶解效率取得的最新理论研究及工艺进展进行了相关的评述。

木质纤维素的结构复杂，细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键形成网络结构，纤维素镶嵌其中。纤维素的结晶度、有效接触面积、木质素的阻碍和半纤维素对纤维素的包裹程度均影响酶解效率^[7]。预处理的目的是改变纤维素的天然结构，降低纤维素的结晶度，脱去木质素，增加原料的疏松程度以增大纤维素酶与纤维素的有效接触面积，此外通过预处理，还可以从源头上减少酶解体系中抑制物的量，从而减少对酶解反应的影响。

预处理遵循的原则是：提高酶解糖化的能力；避免预处理过程中的糖损失；避免副产物影响纤维素酶酶解及后续发酵过程；环保，低成本。目前，研究最多并且最有可能实现工业化应用的预处理方法有稀酸预处理、高温液态水预处理及蒸汽爆破预处理。

稀酸不仅可以对生物质原料进行预处理，还可以进一步酸解糖化，是最为成熟的预处理工艺，经历了从稀酸(1%~10%)转变为超低酸(小于1%)；从传统的硫酸、盐酸等强酸到马来酸、甲酸等有机酸的转变发展^{[8, 9]}。近年来，SPORL (sulfite pretreatment to overcome the recalcitrance of lignocelluloses) 预处理工艺备受人们的关注，Zhu等^[10]在中试规模上对该工艺进行了改进并进行了评价，利用亚硫酸氢钙或SO₂气体代替H₂SO₄对6.5～6.6 wt%木材原料在145℃相对较低温度条件下进行了预处理，预处理后的原料经水洗后，15%固含量，低纤维素酶载量条件下酶解48 h，葡萄糖的转化率高达84%。

高温液态水是指温度在180~350℃ (T_c=374℃，P_c=22MPa)、压力高于其饱和蒸汽压的压缩液态水，在250℃时其离子积达到最大值10^-11，是标准条件下水离子积大了3个数量级，对应含有更高浓度的H⁺和OH^-，因此高温液态水自身具有酸碱催化功能^[11]，另外，高温液态水预处理还有无需添加化学试剂，降解产物少的优点。Yu等^[12]在高温液态水预处理的基础上，提出过程变温的方法，对木质化程度高、纤维素结晶指数大的木材类生物质有很好的预处理效果，以桉树为实验材料，首先在180℃下反应20 min回收半纤维素衍生糖，随后在200℃条件下反应20 min处理纤维素，降低其结晶度，更可去除部分木质素，经此预处理方法处理后的纤维素酶解率高达93.3%。

蒸汽爆破主要是利用高温高压蒸汽，通过瞬间释放压力的方法，实现原料的组分离散和结构变化。此外，在蒸汽爆破过程中添加少量的化学催化剂，如CO₂、NH₃等，可以大大降低能耗，并且提高残渣的酶解率。任天宝等^[13]利用连续蒸汽爆破技术对玉米秸秆原料进行了预处理，SEM (scanning electron microscope)分析表明，蒸汽爆破降低了纤维素和半纤维素的聚合度；XRD (x-ray diffraction)分析表明蒸汽爆破对降低纤维素的结晶度有明显效果，结晶度下降14.57%，同时结晶区的平均晶粒尺寸减少38.03%。

除以上预处理方法外，一些新型的离子液体由于可以较为理想地溶解纤维素，且本身具有不易挥发、化学及热稳定性好等优势被用作木质纤维素的预处理，逐渐成为一种很有潜力的预处理方法^[14]。例如：Ha等^[15]将棉纤维素溶解于离子液体中，110℃处理30 min后，酶解率可以提高12倍。

酶的成本在纤维素乙醇、丁醇等工业生产中占有较高的成本比例，因此，降低纤维素酶生产成本，对其工业应用具有重要意义。

里氏木霉是广泛研究应用的纤维素酶工业菌株，诺维信、杰能科公司在里氏木霉生产纤维素酶生产领域均取得了突出的研究成果；曲音波等筛选的斜卧青霉Penicillium decumbens菌株，是我国具有自主知识产权的纤维素酶工业菌株，在国内外得到广泛研究和应用。

科研工作者对于高产纤维素酶菌株的优化改进，主要利用在常规理化诱变^[16]、基因工程技术^[17]、原生质体融合技术^[18]等方法，或上述方法的配合使用^[19]。 Raghuwanshi等^[20]以Trichoderma asperellum RCK 2011为出发菌株，利用紫外诱变，筛选出纤维素酶产量高且分解代谢产物阻遏低的突变菌株Trichoderma asperellum SR1-7，在优化条件下，其FPase、CMCase、β-glucosidase的产量分别为2.2 IU/gds、13.2 IU/gds和9.2 IU/gds，分别比野生菌株高1.4、1.3和1.5倍；Zhang等^[21]以斜卧青霉菌114-2为初始菌株，通过敲除PDE01641编码基因获得突变菌株ΔP-7，在相同条件下发酵144h，外切纤维素酶、β-葡萄糖苷酶的活性分别提高了60%和40%，胞外蛋白的量增加了26%；Kaur等^[22]将Aspergillus nidulans和Aspergillus tubingensis的原生质体进行融合，并利用2-脱氧葡萄糖及脱氧胆酸钠进一步筛选得到融合体菌株51，摇瓶培养其内切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶及外切葡聚糖酶产量分别为15.07units/L、37.5 units/L及27.4 units/L，均高于同样培养条件下初始菌株的产量。

通过优化生产工艺同样可以提高纤维素酶产量，降低生产成本。诸如固体发酵^[23]、混菌发酵^[24]等纤维素酶生产工艺，此外，pH值、发酵温度、通氧量、接种量、发酵时间、培养基、搅拌等发酵条件的改善也可以优化纤维素酶的生产^[25]。

近年来，现场生产(on-site production)纤维素酶工艺逐渐兴起，该工艺采用在工厂中建立纤维素酶生产单元，先以部分预处理后的木质纤维素为原料进行有氧的产酶发酵，当混合液总酶活达到峰值后，不经过任何处理加工，直接将含酶的粗发酵液与新加入的纤维素原料混合，进入酶解产糖或者同步糖化发酵等后续工序。研究表明，未经过加工的粗酶液与商品酶制剂相比，有更高的酶解率^[26]。

目前，商业化的纤维素酶主要产自里氏木霉，其中含3个组分：外切-β-1,4-葡聚糖酶(exo-β-1,4-glucanases,或cellobiohydrolase,CBH)，简称为外切酶；内切-β-1,4-葡聚糖酶(endo-β-glucanases,EG)，简称为内切酶；β-1,4-葡萄糖苷酶(endo-β-glucosidases,BG)，即纤维二糖酶。在酶解过程中，3个组分通过相互提供新的可及部位、除去障碍、消除产物抑制等多种协同方式作用于纤维素底物。纤维素酶的复配及重组，其重点是清晰知道纤维素酶系中各部分的功能、与纤维素作用机理以及不同酶系之间的多种相互协同作用，以此为指导，针对不同的木质纤维素原料，有目的地复配、重组使用纤维素酶，才能有效提高纤维素酶解效率，从而使纤维素彻底降解为可发酵糖。

由于来源于里氏木霉的纤维素酶中β-葡萄糖苷酶含量相对低，导致纤维二糖不能完全转化为葡萄糖，从而对纤维二糖水解酶产生抑制作用，因此，纤维素酶复配中最常用方式就是增补β-葡萄糖苷酶。Maeda等^[27]分别从Penieillium funiculosum 和 Trichoderma harzianum发酵液中提取纤维素酶混合液，经测定，两种混合液所含β-葡萄糖苷酶的活性比纤维素酶Multifect^®高，两种纤维素酶与Multifect^®复合作用于甘蔗渣，酶解效率达到97%以上。Del Pozo等^[28]成功识别、克隆、并在大肠杆菌中表达了4种β-葡萄糖苷酶：SRF2g14、SRF2g18、LAB20g4和LAB25g2，在pH 4.0～7.0，温度45～55℃时有着很高的活性，其中LAB25g2与商业化纤维素酶复配使用，酶解玉米芯96～120 h，LAB25g2的加入使最终酶解产率增加20%。唐开宇等^[29]以黑曲霉Aspergillus niger为出发菌株通过亚硝酸-紫外诱变获得突变株黑曲霉Aspergillus niger T2，其发酵液中含有较高酶活的β-葡萄糖苷酶，将制得的β-葡萄糖苷酶加入商品纤维素酶中进行蒸爆秸秆的水解，酶解得率比未加入β-葡萄糖苷酶酶解得率提高了7%。工业生产中，通常补加诺维信公司生产的Novozyme 188，以解决商品酶中β-葡萄糖苷酶含量较低的问题。

除β-葡萄糖苷酶外，木糖苷酶、木聚糖酶、果胶酶与纤维素酶的复配同样可以提高酶解效率。它们不但可以清除纤维素表面的半纤维素和果胶，为纤维素酶与结晶纤维素表面的接触扫清障碍；还可以分解酶解液中的木聚糖和低聚寡糖，减小这些副产物对纤维素酶的抑制。Qing等^[30]在纤维素酶酶解氨气爆破玉米秸秆的体系中复配16.1 mg/g 葡聚糖的木聚糖酶和32.2 g/g葡聚糖的β-木聚糖苷酶时发现，由于木糖和低聚木糖抑制作用的减少，葡萄糖的转化率提升了27%；Zhang等^[31]将木聚糖酶和果胶酶添加到纤维素酶Spezme CP，发现在酶解SAA(soaking in aqueous ammonia)玉米芯过程中，两种酶可以促进纤维素和半纤维素的酶解，其中果胶酶的效果更加明显，当果胶酶的补加量为0.12 mg/g葡聚糖时，葡萄糖和木糖的产量分别增加了7.5%和29.33%。

由于自然界木质纤维素类生物质，如玉米秸秆、麦秸、稻草、木屑等来源的多样性，其纤维素、半纤维及木质素的含量各不相同，单独一种纤维素酶不能对不同来源的木质纤维素进行彻底降解，因此，对不同来源的木质纤维素，通过纤维素酶酶系重组的方式，可以解决这一问题。Gusakov等^[32]从Chrysosporium lucknowense UV18-25的培养液中分离出高活性的外切酶CBH IIb (Cel6B)，将其与来自于Chrysosporium lucknowense的纯化酶CBH Ia，Ib；内切酶II，V；β-葡萄糖苷酶，木糖酶 II重组成混合酶，该混合酶与来自于Chrysosporium lucknowense、Tichoderma. reesei及Penicillium verruculosum的纤维素酶相比，对不同的纤维素底物，如微晶纤维素、棉花、黄杉木等，都有较高的葡萄糖得率。

对于已经商品化的纤维素酶来讲，不论是杰能科的ACCELLERASETRIO^TM，还是诺维信的Ctec一代、二代及三代纤维素酶都是复合酶(enzyme complex)，更可见纤维素酶复配重组的重要性。另外，随着发展，两公司在基础产酶菌株优化开发的同时，对纤维素酶的研发将更加侧重于按照需求进行有目的地复配重组，从而使复合酶更有针对性地酶解某类纤维素，以期达到更好的酶解效果。

非催化酶解助剂，如表面活性剂^[33]、聚合物^[34]、蛋白质^[35]及金属离子^[36]等，它们通过竞争性吸附，阻止酶与木质素的结合，减少失活/无效吸附^[37]，从而提高纤维素酶的可及度及其酶活性，增加酶解过程中的单糖收率，减少酶用量。

表面活性剂一般由极性和非极性基团构成，可以降低界面的表面张力，常用的有非离子型的聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG) 和吐温(Tween)。它们通过占据木质素表面的结合位点，阻止了纤维素在木质素上的不可逆吸附。Li等^[38]研究了PEG 4000在0.5%~2% w/v添加量情况下对玉米芯酶解的影响，随着PEG4000添加量的增加，纤维素的转化率也逐渐增大，当添加量为1%时，纤维素酶在每克木质素上的吸附从4.3 mg降至0.5 mg；当添加量增至为2%、底物浓度50 g/L，纤维素酶ACCELLERASE^TM 1000酶加量25 mg/g纤维素时，纤维素的转化率增加了22%；同一研究中，以微晶纤维素为底物，PEG4000同样可以吸附在纤维素的表面，从而降低因内切/外切葡聚糖酶在纤维素上的过度吸附造成酶自身催化区域无法接近纤维素表面的机率，同样条件下，微晶纤维素的转化率增加了51%。 Tu等^[39]考察了添加Tween 80对纤维素酶Celluclast 1.5L酶解黑松木的影响，在未添加Tween 80时，酶解24 h后，酶解体系液相中游离纤维素酶只有起始酶加量的55%，当添加0.2w/v% Tween 80后，酶解24h后，游离纤维素酶高达96.4%，另外，Tween 80还可以促进纤维素酶的循环使用，降低酶解过程中酶用量。以纤维素乙醇工业为例，Tween 80的添入可以降低60%的酶解投入。同系列的表面活性剂PEG 8000^{[40, 41]}、Tween 20^{[33, 42]}等都在不同程度上有促进酶解的作用。

除非离子型表面活性剂以外，阳离子型表面活性剂，如十六烷基三甲基溴化铵(hexadecyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)，对于木质纤维素的酶解也有着一定的促进作用。Monschein等^[40]在纤维素酶ENZ-SC01酶解小麦秸秆的研究中发现，当添加0.125 g/L CTAB时，纤维素底物的最大转化率提升了18%，并且达到最大转化率的时间缩短了28%。但阴离子的表面活性剂，其容易造成纤维素酶失活，通常不用作酶解助剂。

虽然蛋白质和纤维素酶的协同作用机理尚不明确，但已取得的结果表明，某些蛋白质可以增加纤维素酶对底物的可及性，或者提高纤维素酶的热稳定性，减少酶的失活，从多方面影响着纤维素酶解。Wang等^[43]考察了牛血清白蛋白(albumin from bovine serum,BSA) 的添加对Acremonium维素酶酶解Whatman1号滤纸的影响，添加1 mg/L BSA，酶解48 h后，测定酶解体系中游离酶的滤纸酶活为初始的41%，即便酶解96 h后，体系中游离酶的滤纸酶活仍保持在初始时的25%，而无BSA添加时，酶解体系中游离酶的滤纸酶活已检测不到。Brethauer等^[44]研究了在不同反应条件下BSA对微晶纤维素和玉米秸秆酶解的影响，实验证实，BSA通过减少外切酶的失活和促进底物粒度、结晶度减小两种方式促进酶解，在摇瓶中酶解72 h，两种底物的酶解产率提高26%；在搅拌釜反应器进行的分批酶解中，BSA对纤维素酶活性的稳定作用更加显著，酶解微晶纤维素72 h，葡萄糖产率增加76%，酶解玉米秸秆145 h，葡萄糖产率增加40%。诺维信公司的专利介绍了一种具有促进纤维素酶解的蛋白质GH61^{[45, 46]}，在里氏木霉产纤维素酶中添加少量的GH61蛋白可以有效地提高玉米秸秆的水解效率。加入占总酶量5%的GH61蛋白可以使水解所需纤维素酶用量减少至1/2。在更长酶解时间、更高水解程度以及更多固体纤维素加量的情况下，添加GH61蛋白会使纤维素酶用量减少更为明显。

近年来发现NIPAm (N-isopropyl acrylamide)聚合物可以提高纤维素酶的酶解能力，Mackenzie等^[47]证明这类聚合物通过多种途径促进酶解，其一、阻止纤维素酶的失活；其二、阻止纤维素酶在木质素的无效吸附；其三、改变纤维素的结构，在酶解芒草体系中添加2 g/L的NIPAm聚合物，达到最大酶解产率时，纤维素酶的添加量可从65 mg/g芒草降低至25 mg/g芒草，降低了61.5%，并且在相同条件下NIPAm的效果明显好于Tween、BSA和PEG等酶解助剂。NIPAm类聚合物的另一个优点是它自身的温敏性，当环境温度低于其低临界溶解温度(lower critical solution temperature，LCST)时，NIPAm类聚合物溶解于水相中，当环境温度高于其LCST时，NIPAm类聚合物可以很快地从水相中沉淀析出，这一特性有利于聚合物的回收。

纤维素酶作为蛋白质，其催化作用通过活性中心少数特异的氨基酸与底物的结合来实现，金属离子通过构成酶活性中心、在酶蛋白与底物之间桥连、稳定蛋白的空间结构、传递氧化还原反应中的电子等方式起着促进酶解的作用。Wang等^[48]考察了不同添加量的阳离子Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Co²⁺对两种纤维素酶cellulase I和cellulase II活性的影响。以羧甲基纤维素为底物，1 mmol/L时，Na⁺对酶活性有促进作用，浓度在10、100 mmol/L时则对酶活性有抑制作用，K⁺在以上三个浓度下对酶活性均有抑制，两种金属离子对酶活性的促进/抑制作用的影响均在10%之内；Ca²⁺浓度低于0.1 mmol/L时对酶的活性具有促进作用，高于0.1 mmol/L，则抑制酶活性；不同浓度的 Mg²⁺均使酶活性降低；Al³⁺浓度低于1 mmol/L时，酶活性随着Al³⁺浓度的增加而增加，高于1 mmol/L时，酶活性迅速降低，当Al³⁺浓度为10 mmol/L时，酶活性只有起始的5.7%±0.33%；Co²⁺对酶的影响与Al³⁺相似，当浓度超过1 mmol/L后，抑制随着浓度的增加缓慢地表现出来。

反应助剂相对比较廉价，用量也较少，是一种低成本提高酶解效率的有效手段。值得注意的是，酶解助剂随着添加量的变化而发挥不同的作用，另外，同一助剂在不同的酶解体系中也可能有起着相反的作用。因此，在生产中，应根据具体情况添加适量适当的酶解助剂。此外，反应助剂的混合添加往往比单一添加剂对酶解的促进作用更大一些，会得到更高的纤维素转化率。

纤维素酶固定化(Immobilization of Cellulase,IC)的研究始于上世纪70年代初，1989年美国橡树岭国家实验室发表了纤维素酶固定化综述^[49]。纤维素酶固定化的原理是将酶固定于水不溶性载体，使其不溶于水，与游离的纤维素酶相比，具有可重复操作、耐温性好等优势，并且较易分离回收、可重复利用、操作连续可控、更可以简化酶解工艺设备。

随着酶固定化技术的发展，新的固定化技术不断涌现，如定向固定^[50]、多酶共固^[51]等，新的载体材料也在陆续开发^[52]。

纳米纤维膜和磁性氧化铁纳米粒子是两种常用的酶载体^{[53, 54]}，被较多的用于纤维素酶的固定化。Huang等^[55]利用聚丙烯腈纳米纤维膜将纤维素酶固定化，使酶的载量达到了30 mg/g载体，固定化后的纤维素酶活性为3.2 U/mg，对环境的pH和温度变化有较好的抵抗能力；Chang等^[56]设计合成了孔径为600 nm的多孔硅纳米颗粒并用TESP-SA [(3-triethoxysilypropyl)succinic acid anhydride]将其功能化，之后通过化学交联将纤维素酶固定于纳米颗粒上，使用固定化纤维素酶，纤维素到葡萄糖的转化率可以接近85%，与游离态纤维素酶的效率相当，但是其稳定性要明显地高于游离态纤维素酶，即便是在室温条件下“老化”23 天，酶解纤维素的效率仍然高达82.15%。Zang等^[57]将壳聚糖包覆于磁性Fe₃O₄纳米颗粒材料上，利用共价键的方式将纤维素酶固定于这种磁性纳米上，固定化后的纤维素酶经过10个24 h酶解循环后，酶活性依旧可以维持在初始的50%，酶解羧甲基纤维素钠盐24 h后，葡萄糖的得率高达80%以上。另外，通过上述工艺得到固定化酶的饱和磁化强度约为46.6 emu/g，这样高的磁化强度完全满足通过外置磁场回收固定化纤维素酶的条件，使纤维素酶的回收更加便利，也正是因为这一特性，磁性载体材料的开发得到了深入的研究^{[58, 59]}。

上述固定化纤维素酶虽然有利于酶活性的稳定及酶的回收，但是由于所用载体均为水不溶性载体，使纤维素酶与木质纤维素的结合会受到阻碍，研究发现，不溶与可溶转化(soluble-insoluble,S-IS)的载体更适合于纤维素酶的固定化。该聚合物载体的溶解性质随着溶液pH、温度或者其他外界因素的影响而变化。

丙烯酸树脂Eudragit L-100为甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯以50∶50比例聚合而成，其在水中溶解/不溶解可以由溶液pH控制，Zhang等^[60]通过化学交联将纤维素酶固定于Eudragit L-100，其临界溶解pH为5.0，在体系pH值大于5.0时，该固定化酶可以溶解于水相，有利于结合底物和酶解，当体系pH值降至5.0以下，固定化酶以沉淀的形式析出，通过离心等简单的操作就可以回收。

前面提到NIPAm是一类温敏性聚合物，其水溶性随着LCST改变，因此，除作为促进酶解的添加剂以外，还可以作为纤维素酶的S-IS 载体。Mackenzie等^[61]利用NIPAm聚合物为载体，将内切葡聚糖酶EGPh交联到上述两种载体上获得对应的固定化酶，以微晶纤维素为底物的固定化酶稳定性评价中，两个酶解循环后其酶活性可以维持在60%；以芒草为底物，酶解3个循环，与游离酶相比，还原糖的收率提高了2.8倍。

虽然固定化纤维素酶的材料和方法研究在不断深入，但遗憾的是多数还停留在模拟的酶解体系中，很少在实际的纤维素酶解体系中得到应用。

超声波和微波作为物理能，对各种反应进程有多方面的催化效应，在木质纤维素酶解糖化的研究中，通常以外场的方式引入，作为一种辅助的手段作用于木质纤维素的预处理和酶解过程中，对酶解效率的提高有重要作用。

超声波在液体介质中的空化作用使其产生空化气泡，气泡的破裂在液相中产生较强的剪切力，可有效地破坏纤维素分子中的氢键和结晶结构，降低其聚合度。王献玲等^[62]将微晶纤维素经超声波处理后，纤维素的氢键被破坏，其结晶度下降，结构疏松度增大，从而使其保水值和比表面积增大，纤维素对纤维素酶的可及性和反应活性显著提高。

木质纤维素的酶解为固/液两相反应，相对较大的三维酶分子在反应体系中的扩散速率较低，超声波机械传质和空化作用可以破坏纤维素的界面边界层，使纤维素酶分子可以更好地由液相转移到纤维素的表面，促进传质，从而达到高的酶解效率^[63]。此外，超声波作用的能量在提高纤维素酶分子动能的同时，使酶分子的分子构象及催化部位的微环境发生变化，深刻地影响其稳定性及催化活力^[64]。

需要注意的是，超声波作用过程中，产生的热量逐渐增大，会导致酶的失活，因此在实际应用中，要注意超声波和微波的作用时间和功率大小。

微波是一种新的加热方式，能使木质纤维素中极性分子在高频交变电磁场中发生振动，相互碰撞、摩擦、极化而产生高热，可以破坏木质素的保护层，改变纤维素晶体结构。潘晓辉^[65]采用AFM (atomic force microscopy)对微波处理前后样品进行形貌分析，发现经微波预处理后的秸秆表面有很多微孔，推测水分子在微波辐射的作用下起着“钻孔器”的作用，切断纤维丝，在秸秆表面形成多孔状，从而增大表面面积，使纤维素酶容易进入底物内部。Gong^[66]等研究发现，与酸浓度、固液比等预处理条件相比，微波强度对稻秸中木质素的去除和酶解还原糖的产量有着更重要的影响。Luengnaruemitchai等^[67]在2%NaOH、100℃，30 min，相对温和、短时间的条件下，利用微波辅助对玉米芯进行预处理，进一步酶解后可得到高达683.97 mg/g玉米芯的总糖量。

通过酶的复配/重组、添加反应助剂、外场作用等方法使得纤维素酶的使用成本大幅度降低，但仍旧无法满足生物燃料生产的经济性要求，以纤维素乙醇工业生产为例，如果生产过程中的纤维素酶是一次性使用，那么酶的成本约占纤维素乙醇生产成本的40%~50%，回收及重复利用纤维素酶对于提高木质纤维素酶解效率，降低纤维素乙醇生产成本具有重要意义。

超滤是一种压力驱动下的膜过滤过程，超滤膜可以截留分子量在1000~100 000 g/mol的大分子，广泛应用于生物产品的分离，尤其是蛋白产品。Qi等^[68]利用聚醚砜超滤膜PES10对汽爆麦秸酶解的悬浮液进行过滤，有73.9%的纤维素酶得到截留回收重利用，减少纤维素酶的经济投入，而葡萄糖分子则可以顺利通过滤膜，进行后续的发酵；在超滤膜的基础上，将电场加于膜过滤过程，可有效地降低滤膜两侧的浓差极化，从而提高过滤的速率，实验证明，当过滤小麦秸秆的酶解液时，在滤膜两侧加入836 V/m的电场可以提高4.4倍的过滤流速^[69]。

超滤虽能够最大程度上对纤维素酶进行截留回收利用，但是超滤膜的堵塞及经济性问题依旧是其工业生产推广利用的瓶颈，而新鲜底物重吸附法因其具有操作简单、成本低廉的优势逐渐受到重视。新鲜底物重吸附法包括两个部分，一是利用纤维素酶对纤维素的特异吸附性，通过添加新鲜底物的方式对酶解液中的游离酶进行简单的重吸附回收利用，二是对吸附在酶解固体残渣上纤维素酶的脱附回收利用。Tu等^[70]以乙醇处理混合软木为底物，利用响应面法确定温度、pH及脱附剂为影响纤维素酶脱附的三个关键因素，并将其优化为温度44.4℃、pH值5.3，0.5%的Tween 80脱附剂，在此优化条件下，利用新鲜底物重吸附法进行三轮酶解后，纤维素酶解产率增加25%。

无论是超滤，还是新鲜底物重吸附，酶解后的固体部分，尤其是其中的木质素对纤维素酶的“非生产性”吸附都会造成游离酶含量降低、酶失活等问题，虽然通过加入脱附剂，可以有效地降低这种吸附，但无法从根本上解决这一问题，还需要对纤维素酶的吸/脱附行为进行更为深入地研究，建立相应的理论模型对吸/脱附以及重吸附过程进行预测和评估，从而对实际生产给予更为准确的指导。

传统的酶解工艺，在立式搅拌反应釜中间歇进行，搅拌桨的设计研发尤为重要，好的搅拌桨可以在较低的能耗下增加酶解固液两相反应中纤维素与酶的接触机率，增加酶的可及性，并且使反应物料均匀混合，无静态死角，酶解体系温度均一，从而提高酶解效率。

立式搅拌反应釜存在传热效果不好，搅拌功率耗费大、间歇操作等缺点，带来酶解耗时长、效率低、成本高等问题，吴泽等^[71]设计了一种卧式平推流酶解反应器，在高传质、低能耗的环境下实现酶解工艺的连续化。该反应器为圆柱形，水平放置，配备不同的混合输送器，并且对输送器的混合、输送、返混、功耗以及破碎性能进行了综合评价，为优化其结构提供了理论依据。

将新技术耦合到现有的酶解反应器上，是新型酶解反应器的一个研发方向。Zhang等^[72]将聚砜的平板膜与间歇反应釜耦合在一起，设计了一体式酶膜生物反应器，通过补料方式酶解玉米秸秆的实验证实，与传统间歇式反应器相比，由于有效地去除了葡萄糖和纤维二糖的抑制作用，酶膜生物反应器的纤维素转化率提高了15%，纤维素酶的利用率为传统酶解工艺的1.32倍，酶解速率也得到了明显的提高。

纤维素酶解工艺中固体底物浓度是影响过程经济性和能量平衡的重要因素之一。提高酶解反应的固液比固然可以增大酶解后单糖的浓度，但过高的底物浓度会抑制酶解；另外，当木质纤维素固体含量高于10%时将使体系粘度增大致使原料难以混合均匀并增加搅拌能耗。Jørgensen等^[73]设计了一种带有加热夹套的水平滚筒式液化反应器，该装置可进行纤维素浓度大于20%的液化酶解。以小麦秸秆为原料，在固体含量40%、碳酸钠调节pH为4.8～5.0、酶加量7 FPU/g物料、酶解温度50±1℃，搅拌速率6 r/min的条件下，酶解96 h，反应体系中葡萄糖浓度高达86 g/kg。

固定床反应器主要用于实现气固相/液固相催化反应，是炼油工业中的催化重整、异构化工艺中的常规设备，作为固/液两相反应的木质纤维素酶解反应同样可以在高压的条件下用固定床反应器来完成，并且高压的条件可以增加酶的稳定性，缩短反应时间。另外，原料的预处理和酶解反应可以在同一个固定床反应器中完成，这样可以在增加原料的装填量的同时，减少原料在不同反应器中的转移。Krisch等^[74]研究发现纤维素酶Celluclast 1.5L在100ba高压、pH值4.8、60℃条件下保持24 h后，纤维素酶活性为初始的50%，稳定性是1 bar压力下的5倍，在固定床反应器进行酶解实验中，将纤维素酶Celluclast 1.5L的缓冲溶液循环泵入固定床反应器内预处理好的物料中，使总纤维素酶的浓度为11 FPU/g纤维素，在100 bar，60℃，pH值4.8、10%稻草物料条件下，酶解5.5 h，葡萄糖产率可以达到40%，而利用常压反应釜，50℃下，达到相同的葡萄糖产率需要14 h。

酶解反应器可看作是纤维素酶活性的保持及酶解工艺方法的支撑，其研发应在两者的基础之上进行，将两者有机结合在一起，保证原料、纤维素酶、供能等在低消耗的前提下，使整个酶解过程处于最优的状态。

木质纤维素类生物质是丰富的可再生资源，开发利用这一资源，对人类的可持续发展具有不可估量的价值，利用纤维素酶降解纤维素来实现生物质的转化利用，在对环境和生态问题日益重视的今天，具有重大的经济和社会效益。如何提高木质纤维素酶解的效率，降低纤维素酶的使用成本是这一可再生资源“绿色”开发利用的关键，各国科研工作者对其进入了深入的研究，并取得了很大的进展。然而，现阶段大部分的工作依旧停留在实验室到工业示范阶段，距工业化还有很长的路。具体的研发可以分两方面进行，“内在”上深入探索酶解机理，通过筛选高产优产纤维素酶菌株，其生产的纤维素酶不仅活性高，酶系组分相对均衡，并且耐受性好，可适用于生物质转化技术的“逻辑终点”统合加工(consolidated bioprocessing,CBP)；“外因”上研究开发能够提高对纤维素酶解效率的助剂、反应器等，“内在”和“外因”相辅相成，在提高酶解效率的同时降低酶解成本，随着两者进一步的发展，相信在将来，酶解糖化不再是木质纤维素类生物质能源工业化的瓶颈。