综述：木质纤维素生物质精炼的多级协同分级技术

本综述系统探讨了蒸汽爆破（SE）与碱性过氧化氢（AHP）预处理在多级协同分级中的应用，基于键解离焓（BDEs）理论阐释了二者在选择性断裂木质素-碳水化合物复合物（LCC）中的互补作用，提出了优化多级分级的整合策略，为提升生物质转化效率提供了分子层面的新视角。

　　

2. 蒸汽爆破降低反应能垒

2.1. 蒸汽爆破机制

蒸汽爆破（SE）是一种成熟的木质纤维素分级技术，利用高温高压处理生物质。其过程涉及将生物质暴露于160–260°C的饱和蒸汽中，压力范围为0.69–4.83 MPa，随后进行快速减压。此过程水解半纤维素，重新分布木质素，并增强纤维素的可及性。

自水解是SE过程中的关键反应，主要由半纤维素中乙酰基释放的乙酸驱动，辅以少量甲酸和乙酰丙酸。在此过程中，半纤维素被有效解聚和溶解，留下主要由纤维素和木质素组成的多孔固体残渣。同时，释放的乙酸会切割木质素中的β-O-4醚键，并分解酸不稳定的糖苷键。木质素降解会产生衍生物，包括肉桂醇和缩合副产物如酚类、羧酸和寡木质素。

SE降低了生物质原料的反应能垒，增强了其热化学反应性。然而，由于半纤维素降解会形成发酵抑制剂（如糠醛、5-羟甲基糠醛、酚类等），SE的完全商业化受到限制。优化SE过程中的温度、压力和反应器可以增强糖化并去除抑制性化合物。

影响SE过程的因素包括反应时间、温度以及生物质的特性（如水分含量和粒径）。高温在分解半纤维素和木质素组分方面至关重要，导致残余物的结晶度参数更高。反应器的选择也显著影响SE分级，批式和连续式反应器均常用于生物质的SE预处理。

总体而言，SE分级水解半纤维素，重新分布木质素并增强纤维素可及性。SE过程中产生的乙酸促进了木质素中β-O-4醚键的断裂和酸不稳定糖苷键的分解，提高了酶解消化效率。SE以低化学物质用量的方式有效降低了生物质原料的反应能垒。然而，SE通常只是重新分布或部分解聚木质素，并不能像碱性氧化方法那样有效地去除它。残留或再沉积的木质素会限制酶解。此外，反应器成本和蒸汽生成所需的能量使得SE比替代的预处理方法更昂贵。更广泛地说，工业规模的生物质利用受到生物质抗性、组成变异性、异质性和物种多样性等因素的限制，需要进一步研究和优化。

2.2. 蒸汽爆破的生物质特异性应用

SE分级的功效因生物质类型（包括草本、软木和硬木）而异。由于半纤维素中高乙酰基含量和木质素中高β-O-4醚键含量有利于SE预处理，草本生物质最适合SE预处理。

SE对硬木的效果低于草本生物质。例如，桉木在196°C和9.5分钟的条件下进行SE，平衡了能量需求和酶解性能。山毛榉木经SE预处理后，在高固体浓度实验中，使用洗涤固体进行酶解时总糖得率为44–54%，而使用整个预处理浆液进行实验时为13–26%。

由于软木的乙酰基含量低且木质素含量高，SE对软木的效果最低。例如，松木样品在190°C下SE处理10分钟后，在最佳条件下，基于干重木材的乙醇得率接近90%，乙醇浓度接近9.0% (v/v)。

总体而言，SE能有效分级草本生物质。草本生物质中较高的乙酰基含量会释放更多乙酸用于自水解。SE后，半纤维素和纤维素的酶解消化性增强。然而，SE无法断裂高能键（如C–C单元间连接），导致木质素去除不完全。此外，SE预处理后会产生发酵抑制剂（如糠醛），限制后续发酵。

3. 碱性过氧化氢预处理

3.1. 碱性过氧化氢机制

碱性过氧化氢（AHP）预处理，常用于制浆造纸工业，因其强大的脱木素能力而被研究为一种可行的途径。AHP在碱性条件（pH 11.5）下通过产生的羟基（HO•）、超氧阴离子（O₂^?•）和氢过氧阴离子（HOO^?）自由基物种来脱木素。这些自由基源自过氧化氢（H₂O₂），氧化木质素的醚键和酯键，增强纤维素暴露并降解部分半纤维素。

AHP能有效破坏木质纤维素的紧密结构，去除木质素，分离无定形半纤维素，并保留结晶纤维素。AHP预处理后，纤维素向葡萄糖的转化率显著提高，更易于后续的酶或化学处理。酶解产率与木质素去除率之间存在正相关关系，表明木质素去除极大地提高了酶可及性以及酶解效率。

AHP中自由基的产生已有很好总结。在pH 11.5时，H₂O₂解离产生氢过氧根离子（HOO^?），进一步形成氧化羰基和乙烯基反应并引发自由基。这些HOO^?会与过氧化氢反应产生高反应性的HO•和O₂^?•。木质素在碱性溶液中溶解，以KOH或NaOH为催化剂。木质素的酚OH基团被活化并很快被空气、氧气或过氧化氢氧化。然后，O₂^?•与酚盐反应形成酚氧自由基，这是第一个氧化产物。O₂^?•攻击间位并断裂木质素的甲氧基，将其转化为醌。此外，锰、铁和铜等过渡金属可以加速H₂O₂的分解。主导的活性氧组随着AHP分级过程中氧化剂的变化而变化。

AHP在温和条件下有效操作，特点是低温和最少的化学品用量，使其成为一种节能的预处理策略。AHP的极低温度是众多预处理方法中的一大优势。道格拉斯冷杉木在20°C下成功用AHP脱木素。Sida hermaphrodita的沼气生产在25°C下得到优化。除了较低的操作温度外，AHP预处理成功地在开放容器中于大气压下进行。

AHP适合生物质的进一步生物转化。首先，AHP预处理大大减少了发酵抑制剂的形成，包括羟甲基糠醛（5-HMF）和糠醛。此外，AHP减少了乙酸的生成，有利于水解物脱毒。使用碱性H₂O₂可为预处理和酶解提供无菌条件，无需抗生素。AHP预处理还降低了多糖降解，保留了纤维素和半纤维素，并提高了发酵效率。

AHP非常适合大规模生物质处理。首先，AHP中使用的H₂O₂和NaOH广泛可得且成本相对较低。其次，AHP与高固体负载兼容，避免了废水的产生。更高的固体负载在工业规模上是可取的，因为它们可以降低反应器成本并提高产品回收率。此外，在AHP中可以省略筛选步骤以降低成本。经过AHP处理后，筛选和未筛选的蔗渣在预处理效率上没有显著差异。尽管AHP可以在高固体负载下增强酶解消化性，但必须解决实际挑战——包括有效混合H₂O₂和碱，以及在搅拌釜反应器中精确控制pH——以优化工艺性能。此外，在高温下进行AHP需要使用耐腐蚀的反应器、泵和管道，以及适当的过氧化物储存安全系统。

尽管AHP在相对温和的温度和压力条件下操作，但其高pH水平对操作员构成重大安全风险，并可能带来环境问题。此外，AHP介质的腐蚀性需要使用耐腐蚀或专用的反应器材料，从而增加了资本投资。生物质发酵前需要中和步骤，产生的盐会通过破坏渗透平衡来抑制微生物生长。例如，经过碱去除后，碱性过氧化物处理的小麦秸秆的丙酮-丁醇-乙醇产量为22.2 g/L，但未经碱去除则降至2.6 g/L以下。加上H₂O₂的高成本，这凸显了有效回收和足量生产高附加值产品的必要性，以使工业AHP应用在经济上可行。

总之，AHP预处理具有能耗低、多糖得率高、抑制剂形成少、与高固体负载兼容以及预处理条件温和等优点。然而，某些局限性仍然存在，包括停留时间长、化学品成本高以及木质素去除不完全，需要进一步优化以实现更有效的脱木素。AHP令人不快的长停留时间可以通过顺序或催化预处理来解决。因此，需要进行全面的技术经济和成本效益分析以确保过程的可行性。

3.2. 碱性过氧化氢的进展

单独应用时，AHP的效果有限，因为它难以破坏生物质内稳定的木质素-碳水化合物复合结构。因此，本讨论主要集中于AHP在草本生物质中的应用。在草本案例中，研究了草废物、菊芋、玉米秸秆和小麦秸秆。

与单独使用H₂O₂或NaOH预处理相比，组合工艺可以选择性地将木质素去除率提高至73.2%。同时，AHP以73.8%的高半纤维素回收率完成，以及83.5%的高酶水解效率。补充的H₂O₂破坏了草废物的结构，促进了NaOH对木质素的去除，稀NaOH对木质素去除和酶解表现出协同效应。在30 wt%的预处理草废物负载下，实现了100.7 g/L的高滴度乙醇。

在从菊芋生产生物燃料的稀氢氧化钠预处理中加入H₂O₂带来多重优势。H₂O₂可以显著减少碱基预处理过程中发酵抑制剂的生成。此外，碱基预处理可以显著改变纤维素结晶指数和聚合度，适合高生物质糖化。

AHP显著增强了玉米秸秆的酶解消化性和糖转化率。经过AHP分级后，经过水洗和未水洗的玉米秸秆的葡聚糖转化率分别为50.0%和28.4%，高于原材料。改进的酶解可归因于木质素的去除以及纤维素和半纤维素内氢键的破坏。这些修饰增加了纤维素可及性并减少了非生产性纤维素酶吸附。使用71 g/L H₂O₂在50°C下处理7.6小时，对小麦秸秆进行AHP预处理的优化，在固体负载下产生了200 g/L的糖，纤维素和半纤维素的回收率分别为97.5%和84.3%，木质素去除率为75.0%。随后在50°C下进行37小时的酶解，使用10.8 FPU/gds酶、88 g/L生物质和0.3 wt% Tween-80，实现了纤维素和半纤维素的转化率分别为94.0%和83.5%。

为了克服AHP典型的脱木素饱和点并进一步促进木质素去除，添加乙醇或修改H₂O₂负载量是有用的。通过修改H₂O₂负载量，AHP预处理可以选择性去除生物质中80%以上的木质素。在50至500 mg H₂O₂/g干玉米秸秆的负载量中，在50°C下处理3小时，最佳负载量为250 mg H₂O₂/g干玉米秸秆，使预处理固体的脱木素率超过80%。此负载量将碳水化合物部分富集至90%以上。在120小时后，以20 mg/g葡聚糖的酶量对此预处理残渣进行酶解，分别产生了90%和80%的葡萄糖和木糖得率。

在优化H₂O₂和乙醇剂量以及预处理温度后，在100°C下使用3 wt% H₂O₂和1 wt%乙醇，最大木质素去除率达到79.3%，同时保留了76.5%的葡聚糖和56.0%的木聚糖。通过克服脱木素饱和点，酶解显著增强，葡聚糖和木聚糖转化率分别达到96.8%和97.38%。这意味着与未处理的竹子相比，葡聚糖和木聚糖转化率分别提高了7.4倍和11.4倍。此外，同步糖化和发酵结果表明，当糖化和发酵固体负载从5%提高到30%时，乙醇得率相同，为75%。根据顺序糖化发酵和木糖发酵结果，生产1吨乙醇需要约5.6吨竹子。

为了缩短预处理时间并减少H₂O₂负载量，将金属催化剂或超声波与AHP结合。金属铁四酰胺大环配体可以加速木质素的氧化。反应时间从典型的24小时缩短到4.4小时。使用5 ppm的铁四酰胺大环配体，还原糖浓度增加了15%，达到27.9 g/L，与没有铁四酰胺大环配体的相比。在碱性溶液中处理10%的玉米秸秆，含有8850 ppm H₂O₂和0.91 ppm催化剂，持续4.4小时，残留的生物质可以回收并用10 U/mL的纤维素酶在12%固体负载下进行水解。水解24小时后，获得36.2 g/L的还原糖，与传统AHP在相同优化条件下相比增加了39.6%。超声波显著减少了玉米淀粉在AHP中的时间。它在液化过程中迅速达到最合适的糖化葡萄糖当量值。

AHP后揭示了木质素结构修饰。除了可发酵的葡萄糖和有机酸之外，还产生了来自山核桃壳的富含高芳基醚含量的木质素。在最佳条件下，几乎完全去除木质素和半纤维素，纤维素酶解达到98.1%，超过原材料15倍以上。同时，半纤维素转化为高价值有机酸，得率为33.5%。值得注意的是，分级后的木质素在AHP后富含芳基醚连接，有利于后续转化为芳香化学品。

总之，乙醇添加和H₂O₂负载优化增强了AHP分级的木质素去除。超声波和催化剂金属的添加缩短了AHP的反应时间。总体导致与H₂O₂或NaOH预处理相比更高的半纤维素回收率和酶解效率。同时，通过AHP获得的分级木质素富含芳基醚连接，有利于后续转化为有价值的芳香化学品。尽管AHP在较温和的温度和压力条件下操作，但它需要高pH，这对操作员构成重大安全担忧。此外，AHP预处理的腐蚀性将要求使用特殊材料建造反应容器。中和产生大量盐，这可能通过破坏细胞的渗透压来抑制发酵。

4. 蒸汽爆破与碱性过氧化氢的协同分级

4.1. 协同分级的理论基础

理解木质纤维素结构及其在不同生物质资源中的多样性，以及木质纤维素内的BDEs，有助于设计理想的协同分级。协同分级的核心目的是实现生物质全组分利用，同时降低成本。下文将讨论协同分级的机械设计、预处理产物的可能应用场景以及工业规模化的经济可行性。

三种组分之间的BDEs差异显著，决定了生物质解构的顺序。纤维素-木聚糖系统的BDEs低于100 kJ/mol，处于氢键范围。对于木聚糖-木质素系统，C1–O键的BDE弱于O–C4键。总而言之，半纤维素是SE分级过程中第一个被分离的组分。SE后半纤维素的典型形式包含木糖单体、木寡糖、乙酰化寡糖以及降解产物如乙酸、低水平的呋喃和酚类。木糖单体可以转化为平台化学品糠醛。而木寡糖可用作食品成分和饲料添加剂。然而，SE过程中会产生发酵抑制剂，包括乙酸、HMF/糠醛和酚类。这些抑制剂在生物转化前应被去除。

木质素是下一个要分离的组分。木质素C–O和C–C连接键的BDE分别为215–372 kJ/mol和224–529 kJ/mol。这表明在单一均裂步骤的纯热过程中打破所有C–C/C–O连接的困难。因此，脱木素从α-O-4和β-O-4键的氢解开始。木质素可以在AHP分级过程中被去除。AHP增加了木质素中的羧基和羰基官能团，产生具有更低平均分子量和更大碎片化的氧化木质素。考虑到木质素的价值，增强木质素衍生品的反应性和功能化可以重塑可持续的生物质精炼，从而促进有利可图和可持续的生物精炼工艺的发展。较低的分子量适于生物升级为单芳香族化合物，如香草醛和紫丁香醛。同时，氧化木质素更容易进行化学改性，因此对功能材料应用具有吸引力。AHP木质素中的酚类结构可用作紫外线吸收添加剂。另一方面，AHP木质素的较低分子量适合通过生物漏斗效应生物转化为单体芳香族化合物。通过生物漏斗效应，工程菌群可以代谢解聚的木质素单体以生产香草醛和其他平台化学品。

纤维素链在结晶区域高度有序，形成紧密堆积的阵列。大量的分子内和分子间氢键形成氢键网络，像分子支架一样抵抗环境干扰。纤维素结晶域氢键的BDE远高于生物质中的其他化学键，证明了纤维素的坚固结构。此外，纤维素的低溶解度阻止了其在常见溶剂中的直接溶解，增加了纤维素解构的难度。所有这些原因使得纤维素成为生物质预处理中最难解构的组分。纤维素在SE和AHP预处理后得到良好保留。纤维素最直接的出路是酶水解成葡萄糖，然后发酵生产生物乙醇或生物化学品。AHP可以减少酶负载量并提高得率，有利于生化路线的工艺经济性。同时，增强的可及性和纤维素质量促进了其向高附加值纤维素基材料的转化。

总体而言，提出了SE和AHP的协同分级以实现高价值木质纤维素分级。SE利用自水解水解半纤维素乙酰基，释放乙酸，导致木质素中β-O-4醚键的断裂。所有三种组分都有良好的应用出路。然而，SE过程中不完全的木质素去除通常导致木质素再沉积在纤维素表面，降低了酶可及性。AHP通过选择性断裂顽固的木质素-碳水化合物连接来补充SE，从而增强木质素去除，特别是在硬木中。此外，木质素在SE中酸催化然后在AHP中氧化，防止其抑制性再沉积。同时，SE预松动生物质基质，有助于减少AHP试剂消耗，从而提高整体预处理效率。

4.2. 协同分级的进展与优势

SE和AHP预处理各自表现出不同的优点和约束，使它们适用于不同的应用情境。SE在快速分级、大规模处理和成本效益优先时具有优势，但会产生显著的发酵抑制剂。相反，AHP提供选择性脱木素、更高的酶解消化性和减少的抑制剂形成，使其适用于实验室规模或高纯度应用，尽管化学品成本较高。为木质纤维素生物质选择合适的预处理方法需要仔细考虑原料类型、目标产品、工厂规模、运营成本和下游加工要求。SE和AHP的协同分级利用了SE的结构破坏和AHP的氧化脱木素， resulting in superior lignin removal, reduced inhibitor concentration, and the highest enzymatic digestibility among the three approaches. Although the combined method involves greater process complexity, it offers the most balanced performance in efficiency, scalability, and environmental compatibility.

SE预处理的经济可行性很大程度上取决于生物质原料成本。常见的残余物如稻草（37–54 USD/t）和玉米秸秆（43–52 USD/t）通常比硬木片（≈60–65 USD/t）便宜。由于SE占生物精炼总运营成本的20–35%，主要来自蒸汽生成和设备，将SE与低成本农业残余物耦合提高了竞争力。SE特别适合大规模、连续操作，其中最小化化学品输入和利用生物质的机械/热破坏是优先事项。SE有效增加孔隙率和半纤维素水解，促进酶可及性，但木质素去除中等，且过程可能产生抑制性化合物，如糠醛、5-羟甲基糠醛、有机酸和酚类。相比之下，AHP在选择性木质素去除和增强酶解方面表现出色，产生更少的抑制性化合物。它在最大化糖得率和发酵效率方面特别有利，特别是对于农业残余物和高木质素原料。然而，AHP需要仔细管理化学品输入、残留过氧化物和废水处理，这可能会增加运营成本。

SE和AHP的协同分级是罕见的。因此，在已发表的论文中很少找到关于SE和AHP组合的研究。然而，SE和碱性预处理的组合得到了很好的研究。鉴于碱性预处理和AHP之间的相似性，以下介绍基于SE和碱性预处理组合的实际演示，作为次优选择。在SE预处理前进行碱浸渍步骤有利于木聚糖生物聚合物和生物乙醇的联产。此过程未使用过氧化氢。对甘蔗渣和白杨木进行了蒸汽增强木聚糖提取。进行了木聚糖提取和纤维素消化率的统计分析，以确定最大化性能的最佳参数。最佳条件被确定为204°C持续10分钟，在此条件下，甘蔗渣的最大木聚糖得率和纤维素消化率分别达到51%和92%。在相同条件下，白杨木实现了最大木聚糖和纤维素消化率值，分别为24%和81%。在最严苛的条件下，在半纤维素提取物中未观察到木糖或糠醛。总之，对木质纤维素进行碱浸渍的SE预处理作为可行的生物精炼方法，以联产木聚糖生物聚合物和生物乙醇。

SE和碱性预处理的组合用于绿椰子纤维生产乙醇。SE后， subsequent alkaline pretreatment could improve lignin removal and enzymatic digestibility. The alkaline pretreatment uses NaOH to increase delignification. The sequential SE/alkaline pretreatment provided higher hydrolysis yield of 54.7%, higher total reducing sugars titer of 29.2 g/L, and higher glucose production of 16.7 g/L, compared to the separated pretreatments. Simultaneous and semi-simultaneous saccharification and fermentation were evaluated using Saccharomyces cerevisiae PE2, S. cerevisiae CAT-1, and Kluyveromyces marxianus ATCC 36907 at varying solid loadings. The inclusion of a pre-saccharification step enhanced ethanol yield and concentration, with the highest ethanol titer (24.9 g/L) achieved under semi-simultaneous operation at 15 wt% solids, compared to 21.6 g/L for simultaneous fermentation. The sequential SE/alkaline pretreatment proved effective, improving sugar recovery and enabling high ethanol production.

使用响应面方法对不同年份的竹样品进行了SE followed by green-liquor pretreatments。值得注意的是，SE和green-liquor pretreatments的组合导致了半纤维素-木质素复合物的有效共提取。有效的共提取主要源于细胞壁聚合物特征的修饰，包括增强的纤维素可及性以及半纤维素木聚糖/阿拉伯半乳聚糖和木质素S/G的变化率。该修饰显著降低了木质纤维素抗性，因此导致一年生竹样品中生物质酶解糖化的增强。

与单独应用任一方法相比，协同分级可以带来显著的经济效益。SE主要提供生物质的机械和热破坏并水解半纤维素。这通过提高试剂可及性和反应效率减少了后续AHP处理的化学品需求。在SE之后应用AHP，选择性去除木质素并进一步