《Bioresource Technology Reports》：Emerging synergistic pretreatment technologies for lignocellulosic biomass deconstruction
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S. Sánchez-Mu?oz | T.M. Rocha | S.G. Barrios-Gutierrez | M. Velez-Mercado | G. Berto | R. Terán-Hilares | F. Segato | J.C. dos Santos | S.S.
S. Sánchez-Mu?oz | T.M. Rocha | S.G. Barrios-Gutierrez | M. Velez-Mercado | G. Berto | R. Terán-Hilares | F. Segato | J.C. dos Santos | S.S. da Silva
生物工艺与可持续产品实验室，生物技术系，洛雷纳工程学院，圣保罗大学（EEL-USP），巴西圣保罗州洛雷纳市，邮编12.602.810
摘要
为了减少木质纤维素生物质分解生产生物燃料和高附加值产品所涉及的能源和运营需求，一系列创新策略在生物精炼系统中受到了越来越多的关注。其中，利用酶和流体动力现象辅助的氧化方法尤为具有潜力。同时，在包括预处理和酶水解在内的不同处理阶段使用添加剂，已被证明对于提高生物质的可消化性和增加可发酵化合物的产量至关重要。本文通过系统分析控制生物质分解的基本机制，批判性地评估了多种辅助策略，如氧化酶、流体动力空化和表面活性剂的作用。此外，本文还重点介绍了最新的技术进展，并讨论了这些策略之间的机制相互作用和协同效应，为优化生物精炼框架下的木质纤维素生物质处理提供了见解。
引言
木质纤维素生物质（LCB）是最丰富的可再生资源，可以直接与化石资源竞争，用于生产生物燃料和产品。实现其高效利用对于实现可持续性至关重要（Seah等人，2023年）。完成这一过程的主要挑战是克服其顽固的结构，这需要通过预处理来实现（Singh等人，2022年）。在各种方法中，如蒸汽爆炸、碱法和酸法、离子液体、超声波等方法之外，近年来氧化酶、流体动力空化和表面活性剂等辅助技术也受到了关注（Velasco等人，2021年；Singh等人，2022年；Prado等人，2022年；Mu?oz等人，2022年）。
氧化酶在分解碳水化合物链接以释放单体可发酵糖类方面发挥着关键作用。例如漆酶、锰过氧化物酶和裂解多糖单加氧酶等酶，作为水解酶的辅助酶参与糖化过程。这些酶用于氧化木质素，在生物精炼过程中具有重要意义（Martínez等人，2009年；Payne等人，2013年）。木质素是通过酶法分离LCB时的主要挑战之一。这种大分子可以与水解酶发生非生产性的吸附作用，从而降低酶的效率，尤其是在碳水化合物组分中（Siqueira等人，2017年；Van der Zwan等人，2019年）。
对于流体动力空化（HC）现象，虽然已在多个领域进行了研究，但近年来其作为辅助技术用于分解木质纤维素材料的潜力受到了重视。HC是一种可以通过不同装置（如孔板、旋转系统、涡流二极管和文丘里管）产生的现象，其中压力差会导致微气泡的形成、增长和崩缩（Nagarajan和Ranade，2019年；Sun等人，2022年）。这些微气泡的崩缩是由于形成了高压和局部高温区域，从而有助于木质纤维素生物质的分解。此外，在这些条件下，水分子的解离会生成强氧化剂；所有这些特性共同作用于一个高级的氧化过程（Hilares等人，2020年）。
另一个用于分解木质纤维素生物质的替代方法是使用添加剂来辅助预处理和糖化步骤，例如表面活性剂。表面活性剂是一种两亲分子，具有重要的特性，使其在生物精炼中不可或缺。由于其亲水和疏水结构，它们可以通过多种机制发挥作用，从而改善质量传递、分子分级以及试剂与生物质之间的相互作用（Lee等人，2016年；Sánchez-Mu?oz等人，2022a；Nogueira等人，2022年）。
本文批判性地评估了氧化酶、流体动力空化和表面活性剂之间的机制相互作用和协同效应，以优化生物精炼框架下的木质纤维素生物质分解。
章节摘录
使用LCB生产生物燃料和高附加值产品的优势
近年来，环境问题（如空气污染、气候变化和资源短缺）日益严重，提高了公众的认识，并促使人们开发策略来减轻负面影响并促进可持续性（Rodionova等人，2022年）。因此，对资源的再利用和回收的兴趣日益增长。由于LCB的广泛可用性，它作为一种有前景且成本效益高的可再生资源脱颖而出，成为生产各种产品的理想选择。
表面活性剂的一般性质
在过去的几十年里，表面活性剂的应用范围已经扩展到包括化妆品、农业、制药和食品工业等多个领域（Jesus等人，2021年）。尽管替代传统化学合成分子的挑战存在，但表面活性剂市场的年增长率仍达到4.5%，预计到2025年将达到524亿美元。这一增长主要由BASF SE（德国）和Evonik等公司推动。
HC、氧化酶和表面活性剂在LCB糖化过程中的应用与整合趋势
正如本综述所述，已经开展了多项工作来增强木质纤维素生物质的分解，以获得生物燃料和高附加值产品。所描述的辅助技术（氧化酶、表面活性剂和流体动力空化）分别被用来优化木质纤维素生物质处理中的两个主要步骤（如预处理和糖化）。然而，关于这些新兴技术的实际应用报道仍然较少。
未来展望与工业影响
氧化酶、流体动力空化（HC）和表面活性剂的整合代表了生物精炼框架下木质纤维素生物质（LCB）分解的重要范式转变。未来的研究应优先考虑这些“辅助”技术的协同作用，以便在更温和的条件下同时实现预处理和糖化，这可能大幅减少抑制性化合物的生成和总体能源需求。这是一个关键的研究方向。
结论
木质纤维素生物质是生产生物燃料和高价值分子的一种有前景的碳源。然而，由于其经济竞争力不如石油衍生产品，其潜力尚未在大规模上得到充分实现。因此，人们越来越关注改进木质纤维素生物质的处理技术。流体动力空化、氧化酶和表面活性剂在这一领域发挥着重要作用。这些技术的整合和协同作用至关重要。
CRediT作者贡献声明
S. Sánchez-Mu?oz：撰写 – 综述与编辑、初稿撰写、研究、概念化。T.M. Rocha：撰写 – 初始草稿、概念化。S.G. Barrios-Gutierrez：撰写 – 初始草稿、研究。M. Velez-Mercado：撰写 – 初始草稿、研究。G. Berto：撰写 – 初始草稿、研究。R. Terán-Hilares：撰写 – 初始草稿、研究。F. Segato：撰写 – 综述与编辑、初稿撰写、研究。J.C. dos Santos：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本综述报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢以下机构的支持：巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）（项目编号：001），圣保罗州研究基金会（FAPESP）（项目编号：23/09789-8；2021/06679-1，以及INCT-CNPq “酵母：生物多样性、保护与生物技术创新”项目（项目编号：406564/2022-1）。SSM还要感谢她的姐姐“Blanquis”（?2020年2月16日）给予的所有帮助。
