2011 年第 2 期

工艺与技术

过稀酸水解、发酵制得乙醇。剩余物料仍用于制浆
造纸。

热水预抽提破坏了半纤维素上的乙酰基、糠醛酸

取代物等，生成乙酸及其他有机酸，乙酸等有机酸的
形成有助于打破纤维原料细胞壁的醚键连接，对低聚
糖的形成及去除起到了催化作用。另外，温度显著影
响液态热水的介电常数，在高温作用下，水也起到了
酸的作用。多聚糖特别是半纤维素，可以被水解生成
单糖，而酸的存在会使部分单糖进一步水解为醛，主
要是戊糖中的糠醛以及六碳糖中的 5- 羟甲基糠醛，
它们对微生物的发酵都有抑制作用。因此，采用碱（如
KOH

）来保持热水的 pH 值在 5~7 之间，使得生物质

尽可能不要水解为单糖，并且控制预处理过程中的化
学反应

[2]

。

由于木质纤维素颗粒在热水预处理的时候得到分

离，所以不需要另再减小生物质颗粒的粒径。预处理后
的纤维素具有极高的酶消化性。同时预处理过程可以
得到高产率的半纤维素转化的糖，水解产物可以直接
用来发酵生成乙醇。另外，植物纤维中的半纤维素通常
是和木素以木素 - 碳水化合物复合体的形式结合在一
起，半纤维素的溶出，可以提高木素的反应活性，还能
提高药液的渗透能力，从而提高蒸煮脱木素的程度，降
低浆料的卡伯值，缩短蒸煮时间，减少化学品消耗，还
可以降低黑液的污染负荷和碱回收的处理成本。研究
表明，蒸煮之前可以在相对温和的条件下提取出部分
半纤维素，该工艺不会对纤维数量和质量产生负面影
响。

研究现状
目前，制浆造纸是木质生物质的主要利用途径之

一。但是，长期以来除了将原料中纤维素纤维用于制
浆造纸外，人们一直忽略原料中半纤维素的利用，原
因是传统碱法制浆过程，半纤维素被降解和氧化为甲
酸、乙醇酸和乳酸等无法利用。近年来，随着生物质精
炼受到全球高度关注，对木质生物质原料中半纤维素
的分离分级利用，如发酵为燃料乙醇等产物的研究重
新受到研究者的重视。将这部分可以用作生物炼制原
料的半纤维素和其他抽提组分在制浆造纸过程有效
分离，用于发酵生产燃料乙醇或其他化学品。

美国纽约州立大学 Amidon，Thomas E 等人对综

合森林生物精炼厂的新产品和方法进行了研究，在制
浆和漂白前对糖枫木木片进行热水提取

[3]

。

在 160℃

的温度下，用热水抽提 2h，30%的半纤维素被抽提出
来，抽提液中的半纤维素通过稀硫酸水解、发酵制取

乙醇

[4]

。Alexandra

等人研究发现随着热水抽提温度升

高，半纤维素的提取率提高，但多聚糖的分子量变小，
半纤维素受破坏程度提高

[5]

。

西班牙穆尔西亚大学将

玉米秆粉碎处理后，对其进行不添加任何化学物质的
热水预处理，可获得木糖的最大产率为 53%，而葡萄
糖产率不超过 8%

[6]

。Charles

等人研究了用稀硫酸从

玉米杆中抽提部分半纤维素，通过氨水控制抽提液的
pH

值

[7]

。

另外，有研究显示，200~230℃的高压水和生

物质混合 15min 以后，40％~60％的生物质被溶解，其
中包括 4％~22％的纤维素、35％- 60％的木质素以及
所有的半纤维素。预处理时间为 2min，蔗渣的热水预
处理温度从 200℃上升到 220℃，木糖的溶解程度从
34%

提高到 88%，糖化率从 43%提高到 61%

[8]

。

国内，华南理工大学于建仁等以桉木为原料，热水

预处理温度 170℃ ，升温时间为 40- 60min，保温
60min

，半纤维素提取率为 33%

[9]

。

研究表明，随着预处

理温度的升高，戊糖提取率显著增加

[10]

。

华南理工大学

还对桉木水抽提液中糖类组分进行了分析，并对酒精
发酵条件进行了初步研究。结果表明，桉木热水抽提条
件对抽提液中糖类组分有很大影响，较高温度下长时
间保温预抽提获得的抽提液样品中木糖含量最高，达
到 16.56g/L

[11]

。

华南理工大学和纽约州立大学对蔗渣的

热水抽提和碱法制浆进行了实验研究

[12]

。

南京林业大

学与山东轻工业学院对热水预处理麦草碱法化机浆
进行了研究

[13]

。

南京林业大学以水为介质对麦草进行

蒸煮前的预水解处理，以最大限度的溶出麦草中的半
纤维素，为回收半纤维素水解产物，减少蒸煮黑液碳
水化合物含量创造条件

[14]

。

山东轻工业学院陈嘉川等

对半纤维素对浆纸质量的影响进行了研究。从纸浆中
半纤维素的存在方式，半纤维素制浆过程中的变化以
及半纤维素对纸浆特性和成纸性能的影响等方面做
了分析

[15]

。

研究前景

生物质精炼是一个复杂的生物转化和化学品合

成的工业过程。利用木质生物质原料生产燃料乙醇的
研究现已成为当前生物炼制的热点，也是一个世界性
的难题。半纤维素通常占植物纤维原料组分总量的
10％~40％

，是自然界含量第二丰富的糖类资源。木质

生物质制取燃料乙醇要想真正进入产业化阶段，面临
的瓶颈技术之一是如何对木质生物质中的半纤维素
进行合理利用

[16]

。

半纤维素戊糖的高效率转化是实现

木质生物质生产乙醇工艺实用化的一个技术关键。

制浆造纸过程能利用的成分是纤维素纤维和少