張琛蔚，楊富裕

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京100193；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京100193）

生物質(zhì)能源與太陽能、風(fēng)能等可再生能源是目前世界新能源的重要組成部分［1］。我國在《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中指出：到2020年，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)可再生能源消費(fèi)量占總能源消耗量的15%，其中生物質(zhì)能源占據(jù)重要比重，因此其越來越受到相關(guān)領(lǐng)域重視［2］。生物質(zhì)能源原料主要包括非糧能源植物、農(nóng)業(yè)廢棄物和城市廢棄物等，非糧能源植物是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，其主要包括多種能源草本、木本植物和經(jīng)濟(jì)作物。其中，能源草本植物因具備生物質(zhì)產(chǎn)量高、抗逆性強(qiáng)、多年生特性和其易種植、收獲、運(yùn)輸和儲(chǔ)存性質(zhì)而備受關(guān)注［2］。美國早于1984年啟動(dòng)了能源草研究項(xiàng)目，計(jì)劃到2030年，能源草產(chǎn)能將占所有生物能源的35.2%［3］，預(yù)計(jì)可提供2290億升生物乙醇；歐洲自1989年以來先后啟動(dòng)了多個(gè)專項(xiàng)，進(jìn)行能源草選育研究；德國興建發(fā)電能力為12萬千瓦發(fā)電廠，其燃料為芒屬植物與其他作物的混合物。目前，部分發(fā)達(dá)國家已實(shí)現(xiàn)能源草產(chǎn)生物能源產(chǎn)業(yè)化，而我國在此方面起步較晚，對(duì)其育種、栽培、管理等方面研究偏少，因此需加快推進(jìn)對(duì)能源草的研究進(jìn)程。

能源草是指可用于制備生物能源的富含木質(zhì)纖維素的草本植物，主要包括柳枝稷（Panicumvirgatum）、芒草（Miscanthus）、雜交狼尾草（Pennisetum glaucum）和虉草（Phalarisarundinacea）等，種類繁多。其細(xì)胞壁由大量纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，半纖維素、木質(zhì)素通過共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維素鑲嵌其中［4］。由于木質(zhì)素在外圍的阻礙，直接對(duì)纖維素進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用較為困難。因此，對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理降低纖維素結(jié)晶度、破壞木質(zhì)素以增加纖維素接觸面積是十分必要的。本文綜述了物理、化學(xué)和生物預(yù)處理技術(shù)，從預(yù)處理方法的成本、效率和污染程度等角度，對(duì)能源草預(yù)處理方法進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，旨在選出成本低、污染小的高效預(yù)處理方法或組合方式，以期為生物燃料生產(chǎn)提供參考。

1 能源草制備生物燃料的預(yù)處理方法

預(yù)處理也稱前處理，是指在厭氧發(fā)酵前利用物理、化學(xué)、生物及混合預(yù)處理法［5］對(duì)材料進(jìn)行作用。預(yù)處理可增大材料與沼液中微生物接觸面積，提高木質(zhì)素破壞程度與纖維素降解度，同時(shí)，根據(jù)不同材料選取合適的方法可獲得較高產(chǎn)能效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般預(yù)處理法的處理效率為10%～90%不等。

1.1 物理預(yù)處理方法

物理方法是通過外界手段如機(jī)械工具、溫度、壓強(qiáng)改變等對(duì)材料進(jìn)行作用，破壞木質(zhì)纖維素致密結(jié)構(gòu)，增大材料與接種物的接觸面積。其主要包括：粉碎、切短、擠壓、加熱處理、蒸汽爆破法、射線輻射處理、液體高溫水、脈沖電場(chǎng)預(yù)處理［5］等方法。物理預(yù)處理法是非?；A(chǔ)且重要的預(yù)處理方法。

1.1.1 切短和粉碎預(yù)處理 切短與粉碎處理，顧名思義，是通過機(jī)械工具，如閘刀、粉碎機(jī)和磨碎機(jī)等，將材料的粒徑或長度減小，破壞材料結(jié)構(gòu)，增加能源草與發(fā)酵接種物的接觸面積，提高產(chǎn)能效率。絕大多數(shù)化學(xué)及生物預(yù)處理前均會(huì)進(jìn)行切短、粉碎處理，根據(jù)切短長度、粉碎粒徑不同，產(chǎn)能效率也有所不同。目前以農(nóng)業(yè)廢棄物為材料的預(yù)處理方法研究較多，能源草相關(guān)研究偏少，在此只舉一例：

徐然［6］將柳枝稷切短為1，3，5，7和9cm 后于37℃下進(jìn)行產(chǎn)氣試驗(yàn)，結(jié)果顯示，材料長度為1cm時(shí)產(chǎn)甲烷量和纖維素降解率最高，分別為202.29 mL·（g·VS）-1和19.63%。不同能源草發(fā)酵的最佳長度和粒徑不同，目前經(jīng)粉碎處理后粒徑集中于0.003～30mm之間，材料過長則會(huì)減小與接種物的接觸面積［7］，過短則可能破壞其中某些結(jié)構(gòu)，因此需根據(jù)不同材料特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析確定最佳長度。

1.1.2 加熱預(yù)處理 加熱預(yù)處理是通過高溫或高溫蒸汽作用加速物質(zhì)內(nèi)分子的碰撞、提高木質(zhì)纖維素內(nèi)疏離程度進(jìn)而提升木質(zhì)素去除率、纖維素降解率，最終可較大幅度提高產(chǎn)氣能力，不同材料提高程度不同。目前能源草預(yù)處理一般以柳枝稷作為研究材料，具體情況如下：

Jackowiak等［8］發(fā)現(xiàn)在微波處理基礎(chǔ)上對(duì)柳枝稷進(jìn)行50℃加熱處理，其總產(chǎn)氣量可提高4.5%。Wang等［9］將木質(zhì)纖維在60℃條件下進(jìn)行加熱處理和離子液處理，其木質(zhì)素破壞程度達(dá)70%。試驗(yàn)證明，加熱預(yù)處理與其他方法共同使用效果更好。

對(duì)于其他能源草作為預(yù)處理原料的研究目前較分散，如學(xué)者們針對(duì)狗牙根在3個(gè)溫度（150，160和170℃）和不同處理時(shí)間（30和60min）預(yù)處理效果進(jìn)行了研究，其中在150℃，60min條件下所得產(chǎn)還原糖率最高，為70%；當(dāng)在170℃，60min條件下半纖維素溶解量最高，達(dá)83.3%。李連華等［10］將雜交狼尾草置于121℃高壓滅菌鍋內(nèi)進(jìn)行蒸汽加熱，最終其厭氧發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)甲烷量提高11.13%；另外，將禾本科王草（PennisetumpurpureumK.Scbumacb）進(jìn)行加熱處理后，其結(jié)晶度從4.73降低至3.29并提高62%的產(chǎn)氣量，同時(shí)縮短了發(fā)酵的滯延期。

在加熱預(yù)處理中并非所需加熱溫度越高、時(shí)間越長越好，而是存在最佳條件，如柳枝稷在100℃下產(chǎn)氣量提高多，而狗牙根在150℃下產(chǎn)氣量提高較多。不同能源草所需最適處理溫度可能不同，因此需集中材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，總結(jié)處理?xiàng)l件并節(jié)省能源。

1.1.3 蒸汽爆破預(yù)處理 蒸汽爆破法是指在高壓蒸汽初始溫度為160～260℃，壓強(qiáng)為0.69～4.83 MPa下處理材料［5］，在特定時(shí)間壓力驟然下降，使材料氫鍵斷裂，降低材料緊密程度。在蒸汽爆破過程中加入酸或堿性催化劑，可提高反應(yīng)速率，使處理效果更佳，目前蒸汽爆破的種類包括普通蒸汽爆破，氨法蒸汽爆破（AFFX）和CO2蒸汽爆破法。

普通蒸汽爆破在早期預(yù)處理研究中較常見，如羅鵬等［11］用普通蒸汽爆破法處理麥草（Psathyrostachysjuncea（Fisch.）Nevski），經(jīng)試驗(yàn)證明，在溫度為190℃（停留時(shí)間為2min）條件下，汽爆麥草得率和纖維素回收率最高，分別為81.2%和58.4%；在溫度為210℃（停留時(shí)間為8min）條件下，麥草纖維分離程度最佳，纖維素酶水解得率最高，達(dá)73.2%。除此之外，芒草預(yù)處理也應(yīng)用到了蒸汽爆破法，王麗婷等［12］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在爆破溫度為220℃、維壓時(shí)間為5min的條件下，將芒草處理后還原糖產(chǎn)量最高達(dá)117.4mg·g-1。目前蒸汽爆破法被廣泛應(yīng)用于秸稈處理中，但由于和本文材料不同不再贅述。

當(dāng)加入0.5%～4%的酸或堿催化劑（H2SO4，H3PO4，NaOH或氨水）時(shí)可提升氣爆效果，同時(shí)降低處理溫度節(jié)省能源。目前，氨法蒸汽爆破應(yīng)用廣，研究也較深入，其首先用于秸稈預(yù)處理，后用于能源草處理中。如Holtzapple等［13］將秸稈進(jìn)行AFFX處理（每千克材料中加入1～2kg氨水后進(jìn)行蒸汽爆破處理），并在155℃下用2.1%的H2SO4稀溶液催化并持續(xù)15min，最終可將甲烷產(chǎn)氣率提高67%。Alizadeh等［14］優(yōu)化了AFFX處理?xiàng)l件并將其運(yùn)用于柳枝稷處理，在溫度為100℃、氨添加量為1g氨·g-1生物質(zhì)以及停留時(shí)間為5min的條件下，預(yù)處理組較對(duì)照組纖維素轉(zhuǎn)化效率提高93%，乙醇產(chǎn)量為0.2g乙醇·g-1干物質(zhì)，是未處理組的2.5倍。因此用于秸稈處理中的很多方法值得借鑒。

此外，Dale等［15］利用特殊CO2蒸汽爆破法處理材料，在壓力為5.62MPa溫度為160℃的條件下每千克材料用4kg CO2處理24h，可提高75%的總產(chǎn)氣量。這種CO2蒸汽爆破法是利用CO2產(chǎn)生壓力破壞材料結(jié)構(gòu)，提升其降解率，但此法并未運(yùn)用到能源草處理中。

綜上，AFFX是目前最佳的氣爆處理方法，其運(yùn)用廣泛，可提高約90%的材料轉(zhuǎn)化率、60%的產(chǎn)氣率，且氨水成本低廉，易于投入生產(chǎn)。另外，蒸汽爆破法多和其他處理方法結(jié)合使用，可進(jìn)一步提高材料降解率。

1.1.4 射線輻射預(yù)處理 射線輻射預(yù)處理是指運(yùn)用微波、超聲波、γ-射線和電子束等射線對(duì)材料進(jìn)行作用，使其內(nèi)部發(fā)生震蕩，從而破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，提高纖維素降解程度。其中微波與超聲波因使用便捷且對(duì)人體傷害較小而被廣泛運(yùn)用。Jackowiak等運(yùn)用微波在150℃下分別處理小麥秸稈和柳枝稷50min，秸稈甲烷產(chǎn)氣率提高28%，但柳枝稷甲烷產(chǎn)氣率提升并不顯著，這可能與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨后其提高處理溫度并延長了作用時(shí)間，在180℃下對(duì)柳枝稷進(jìn)行微波處理90min，材料溶解性化學(xué)需氧量與總化學(xué)需氧量的比值（sCOD·tCOD-1）較對(duì)照組上升13.8%，說明其產(chǎn)還原糖量上升13.8%［16］。目前微波處理廣泛應(yīng)用于秸稈、柳枝稷等材料預(yù)處理當(dāng)中，其材料降解效率為30%左右，在物理預(yù)處理中占據(jù)重要地位。另外，微波通常與加熱處理結(jié)合使用，加熱溫度為150～180℃（目前較優(yōu)方法為150℃下微波處理20min），此組合方法對(duì)木質(zhì)纖維素降解有較大作用。

1.1.5 脈沖電場(chǎng)預(yù)處理 脈沖電場(chǎng)是一種新型的預(yù)處理方法，其利用電場(chǎng)脈沖對(duì)細(xì)胞壁的作用，破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究者在室溫下以8kV·cm-1的電場(chǎng)強(qiáng)度及單位時(shí)間內(nèi)2000次脈沖處理木質(zhì)纖維素材料，結(jié)果顯示，木質(zhì)纖維素降解率較對(duì)照組提高3.6%［17］。此種預(yù)處理方法所需裝置較復(fù)雜，使用較少，目前僅被運(yùn)用于秸稈處理中，對(duì)于能源草作用效果需將其運(yùn)用于能源草處理后方可知曉。

1.2 化學(xué)預(yù)處理方法

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)于化學(xué)預(yù)處理法的研究十分詳盡。化學(xué)預(yù)處理中包括酸、堿處理法，氧化法［18］（包括過氧化氫法、濕法氧化法和臭氧分解法），離子液體法和酸性電解水法。其中酸、堿預(yù)處理效果良好，如NaOH處理可將破壞程度提高50%以上，較大程度提高材料產(chǎn)能效果。

1.2.1 酸預(yù)處理法 在酸預(yù)處理中常用稀酸主要包括 H2SO4，HNO3，H3PO4和 HAc等，其利用強(qiáng)酸腐蝕性和氧化性破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，且主要針對(duì)半纖維素進(jìn)行作用。目前在酸處理法中運(yùn)用較多的是H2SO4處理，其可將材料降解程度提高50%～80%，產(chǎn)氣能力也有相應(yīng)提高。

Wyman等［19］用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的H2SO4溶液于140℃條件下對(duì)柳枝稷進(jìn)行處理并持續(xù)1h，最終其纖維素降解率達(dá)70%。Alireza于170～180℃下利用0.9%的稀H2SO4處理柳枝稷，產(chǎn)甲烷量比對(duì)照組提高80%。之后研究者們?nèi)∠思訜徇^程，在室溫下用1.2%H2SO4浸泡柳枝稷4h后，材料降解率增加50.4%。Zhang等［20］為確定酸處理中H2SO4最佳體積分?jǐn)?shù)，于常溫常壓下用0.8%～4.2%的H2SO4溶液作用于柳枝稷，試驗(yàn)證明，當(dāng)H2SO4體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)其材料降解效率最高，達(dá)83%。

利用稀H2SO4溶液處理其他能源草，如芒草、荻（Triarrhenasacchariflora（Maxim.）Nakai）等也有相關(guān)研究。袁振宏等［21］證明在121℃下芒草內(nèi)部結(jié)構(gòu)降解程度隨H2SO4體積分?jǐn)?shù)變化而變化，其中半纖維素在H2SO4體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)會(huì)全部降解，酸體積分?jǐn)?shù)過高會(huì)產(chǎn)生糖類以外的雜質(zhì)。廖沃日汗等［22］在120℃下用1.5%H2SO4稀溶液對(duì)荻進(jìn)行30min預(yù)處理，木質(zhì)纖維素降解程度較對(duì)照組提高15%。另外，研究發(fā)現(xiàn)，虉草經(jīng)稀H2SO4處理后纖維素轉(zhuǎn)化率提升35%。

目前，對(duì)于柳枝稷H2SO4處理研究的十分詳盡，其中H2SO4溶液處理濃度一般為1%～4%。另外，各類能源草組分含量基本一致，僅少數(shù)有較大差異，因此各類能源草H2SO4處理濃度不會(huì)有較大浮動(dòng)。其他酸溶液對(duì)能源草處理的研究不多，且成本有時(shí)會(huì)高于H2SO4，因此H2SO4是酸處理中的較優(yōu)選擇。

1.2.2 堿預(yù)處理法 堿處理方法包括NaOH、Ca（OH）2、KOH和稀氨水法，其利用稀堿溶液對(duì)材料進(jìn)行處理，破壞木質(zhì)素。以柳枝稷為材料的堿處理目前研究較多，具體如下。

堿處理中運(yùn)用較多的是NaOH和稀氨水法。如Guang等［23］在100℃、濕度為91.7%條件下用NaOH溶液對(duì)柳枝稷進(jìn)行處理，產(chǎn)能效率達(dá)63%。Kurakake等［24］于120℃下利用25%～28%氨水將柳枝稷酶解20min，處理組還原糖產(chǎn)量是未處理組的5倍。Isci等［25］常溫常壓下用30%氨水浸泡柳枝稷材料，結(jié)果顯示，木質(zhì)素含量減少40%～50%，半纖維素含量減少50%。

關(guān)于其他能源草堿處理的研究如下：李連華等［10］在室溫下用1%NaOH溶液作用于雜交狼尾草，其木質(zhì)素含量從12.78%降低至6.51%，并對(duì)材料結(jié)晶度產(chǎn)生一定影響。Haque等［26］運(yùn)用0.75%～2.5%NaOH稀溶液在105℃下對(duì)芒草進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)2.5%NaOH溶液處理效果最好，木質(zhì)素和半纖維素?fù)p失率分別達(dá)74%和55%。Chaudhary等［27］以甜根子草（SaccharumspontaneumLinn）為研究材料，于30℃下使用不同堿（NaOH，NaOH+10%尿素，氨水）對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，其中NaOH+10%尿素處理效果較佳，木質(zhì)素降解率為63%。張樹河等［28］優(yōu)化了斑茅的堿處理?xiàng)l件，其在2%NaOH作用下、60℃抽提1h后木質(zhì)素的含量降低為3.34%，纖維素提高到72.54%，半纖維素為28.57%。另外，如將虉草用Ca（OH）2處理后，纖維素轉(zhuǎn)化率可提高3%。

從上述研究結(jié)果看，氨水、Ca（OH）2等堿處理弱于NaOH處理效果，因此目前NaOH運(yùn)用最為廣泛，其處理濃度一般集中于0.5%～2.5%，使用成本低且木質(zhì)素去除率高，但對(duì)環(huán)境有較大負(fù)面影響。因此對(duì)其污染防治手段應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化。

1.2.3 臭氧分解法和濕法氧化法 臭氧分解與濕法氧化原理相似，均利用強(qiáng)氧化性對(duì)材料進(jìn)行作用。前者是臭氧首先分解為氫氧自由基，利用強(qiáng)氧化性降解材料；后者是在高溫（125～300℃）高壓（0.5～20MPa）下，于材料中加入水和氧化劑（如H2O2），設(shè)定溫度、時(shí)間和壓強(qiáng)從而對(duì)材料進(jìn)行處理。臭氧分解和濕法氧化法均不具選擇性，在處理過程中材料可能會(huì)損失部分碳水化合物，其相關(guān)研究進(jìn)展如下：

Panneerselvam用3種不同濃度（40，50和58 mg·L-1）的臭氧在常溫常壓下對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行處理，結(jié)果表明58mg·L-1的臭氧處理效果最好，可破壞59.9%的木質(zhì)素。之后，Panneerselvam等［29］還發(fā)現(xiàn)，將芒草用臭氧處理后，其還原糖產(chǎn)率較對(duì)照組增大146.2～431.9mg·g-1。此外，Uellendahl等［30］發(fā)現(xiàn)，將木質(zhì)纖維素在150℃，0.5 MPa下進(jìn)行濕法氧化處理之后，甲烷產(chǎn)量從200 L·kg-1增長到360L·kg-1，將此方法運(yùn)用于柳枝稷處理也可一定程度提高產(chǎn)能量。

在氧化法中H2O2常和其他方式混合使用，如酸、堿或微波處理，其處理效果良好，可破壞50%以上木質(zhì)素。另外，因成本問題上述兩類氧化法并未大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)中，仍有待于進(jìn)一步研究。

1.2.4 離子液體預(yù)處理法 離子液體處理法是指在不同處理溫度下利用70%～85%的咪唑氯化物、N-甲基嗎啉-N-氧化物、1-丁基-3-甲基咪唑氯化物等溶液對(duì)能源草進(jìn)行作用，破壞木質(zhì)素，提高發(fā)酵效率。

目前咪唑氯化物應(yīng)用較多。Socha等［31］運(yùn)用咪唑氯化物處理木質(zhì)纖維素72h，其產(chǎn)葡萄糖量和產(chǎn)木糖量分別較對(duì)照組提升90%～95%和70%～75%。Li等［32］將此溶液運(yùn)用于柳枝稷處理，利用1-丁基-3-甲基咪唑氯化物在常溫常壓下處理材料后，其降解率提升16.7倍，產(chǎn)甲烷率提高96%。Montalbo等［33］將1-丁基-3-甲基咪唑氯化物與超聲波共同作用于柳枝稷，較單用超聲波處理木質(zhì)纖維素降解率高50.8%；同時(shí)用離子液體處理柳枝稷并在130℃下持續(xù)加熱12h，其木質(zhì)素降解率比單獨(dú)加熱處理高53%。另外，其他離子液體如N-甲基嗎啉-N-氧化物也被用于預(yù)處理，如 Akhand等［34］在90℃條件下用N-甲基嗎啉-N-氧化物作為處理試劑對(duì)秸稈進(jìn)行處理并持續(xù)7h，材料甲烷產(chǎn)量增加47%。其產(chǎn)能提升效果良好，有待于運(yùn)用于能源草處理中。

此外，還有一種與離子液體相似的處理方式，即酸性電解水［35］。這種預(yù)處理方式利用特定濃度（不同處理材料所用濃度不同）的FeCl3稀溶液對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行降解，如Jing等［36］在木質(zhì)纖維素樣品中加入35%的FeCl3并持續(xù)處理30min，結(jié)果產(chǎn)還原糖量提高126.5%，但此方法同樣未用于能源草預(yù)處理，有待進(jìn)一步研究。

總體來說，離子液體處理法中運(yùn)用較多的是咪唑氯化物、嗎啉氧化物等化學(xué)物質(zhì)，其可對(duì)材料木質(zhì)素進(jìn)行破壞，將材料降解率提高40%～90%不等，效果良好，但因離子液體成本比酸、堿處理高，其在生產(chǎn)中運(yùn)用不廣泛。

1.3 生物預(yù)處理法

生物預(yù)處理可分為自然和人為加入微生物預(yù)處理，其中人為加入微生物處理針對(duì)性更強(qiáng)，可將材料降解效率提高約30%～60%，效果良好且污染程度低［37］。生物預(yù)處理主要使用的添加劑為細(xì)菌、真菌和酶制劑，其中真菌在作用時(shí)首先吸附在木質(zhì)纖維素端部，菌絲由內(nèi)而外延伸；而細(xì)菌則吸附在木質(zhì)纖維素表面，由外向內(nèi)延伸，進(jìn)而破壞材料結(jié)構(gòu)，在降解過程中微生物產(chǎn)生纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素降解酶等，共同對(duì)材料進(jìn)行作用。

1.3.1 酶法處理 酶法處理是在溫和條件下直接利用纖維素酶或其他酶類對(duì)木質(zhì)纖維素作用，從而提高發(fā)酵過程中的反應(yīng)速率。其中所用的纖維素酶可由梭菌（Colstridium）、纖維單胞菌屬（Cellulomonas）和芽孢桿菌（Bacillales）等微生物［38-39］或蛋白表達(dá)系統(tǒng)中產(chǎn)生，其他種類酶如漆酶則由毀絲霉（Myceliophthora）等微生物產(chǎn)生，也可用于預(yù)處理中，如研究者們利用250AU·（g·VS）-1濃度的漆酶（此酶對(duì)木質(zhì)素有降解作用）對(duì)柳枝稷在常溫下處理4h后，其甲烷產(chǎn)量提高34.2%。

目前以能源草為材料的纖維素酶預(yù)處理研究較少。師靜等［40］探究纖維素酶用量、酶解時(shí)間、底物濃度、緩沖液pH值、反應(yīng)溫度5種因素對(duì)巨菌草纖維素降解的影響，結(jié)果顯示，各因素的影響程度依次為纖維素酶用量＞酶解時(shí)間＞底物濃度＞緩沖液pH值＞反應(yīng)溫度，其中最佳酶解條件為：反應(yīng)時(shí)間60h，酶用量44.8U·g-1，底物濃度10g·L-1，pH值5.0，酶解溫度45℃。另外，相關(guān)學(xué)者于pH 4.0～6.0條件下探究纖維素酶預(yù)處理中添加劑的效應(yīng)，其中正丁醇在酶法水解中起到了抑制作用，而辛醇、正癸醇等都在酶解預(yù)處理過程起了促進(jìn)作用，將正丁醇加入到酶處理裝置中可將材料產(chǎn)甲烷率提高37%～57%。

總之，酶處理對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染小，處理效果好，但和其他生物處理方法相似，成本較高，且目前纖維素酶的表達(dá)和生產(chǎn)工藝并不成熟，需進(jìn)一步降低成本、提高生產(chǎn)技術(shù)水平。目前多用微生物菌劑添加代替純纖維素酶制劑添加。

1.3.2 真菌預(yù)處理法 真菌預(yù)處理法是指利用白腐菌（Phanerochaetechrysosprium）、青霉（Penicillium）和曲霉（Aspergillus）等大型真菌產(chǎn)酶特性，在28～37℃溫和條件下對(duì)材料進(jìn)行處理，選擇性降解木質(zhì)素和纖維素，從而提高產(chǎn)能效率。目前白腐菌是真菌中運(yùn)用最頻繁的菌種，對(duì)其研究也相對(duì)較多。Liggenstoffer等于180～200℃條件下對(duì)木質(zhì)纖維素處理5～15min，之后利用白腐菌C1A（Pycnoporussp.SYBC-L3）菌株作用于材料，最終28.34%～38.22% 的木質(zhì)素被降解。Liu等［41］利用白腐菌對(duì)柳枝稷進(jìn)行36d持續(xù)處理，最終木質(zhì)素降解度達(dá)30%，發(fā)酵效率較未處理組高50%。Yao等［42］在濕度為80%～85%、溫度為35℃條件下利用白腐菌作用于芒草和柳枝稷，結(jié)果表明，這2種材料的產(chǎn)還原糖量分別較未處理之前提升了25.48和8.33 mg·g-1，其差異原因可能是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同。

其他菌種如黑曲霉（Aspergillusniger）、綠色木霉（Trichodermaviride）等也可用于預(yù)處理，但目前其未被運(yùn)用到能源草處理中。如趙曉農(nóng)等［43］以黃孢原毛平革菌（Phanerochaetechrysosporium）等單菌及其與黑曲霉復(fù)合的雙菌對(duì)蘋果渣進(jìn)行預(yù)處理。固態(tài)條件下，黃孢原毛平革菌促進(jìn)糖化效果最強(qiáng)，總還原糖含量提高70.8%；液態(tài)條件下，黑曲霉與白腐菌混合作用最強(qiáng)，處理后總還原糖含量提高66.2%。陳莉等［44］對(duì)綠色木霉降解纖維素的最佳條件進(jìn)行探究，結(jié)果表明其最佳條件為：接種量5%，初始pH值4.5。因此對(duì)于能源草真菌處理仍有待于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

總之，真菌處理是目前預(yù)處理方法主流研究方向之一，污染程度小，處理效率較高且節(jié)省能源，在溫和條件下木質(zhì)素降解率為30%，降解后還原糖量提高程度為70%左右。其不足之處在于所需處理時(shí)間長，成本也較化學(xué)預(yù)處理高。

1.3.3 微生物群落預(yù)處理法對(duì)能源草產(chǎn)能影響 細(xì)菌在預(yù)處理和發(fā)酵過程中均有重要作用，其種類繁多，一般在溫度為20～55℃范圍內(nèi)對(duì)底物進(jìn)行作用。細(xì)菌的主要作用是破壞木質(zhì)纖維素緊密結(jié)構(gòu)，選擇性降解纖維素和半纖維素［47］。其對(duì)材料降解率達(dá)60%左右，產(chǎn)氣能力提升20%～30%，可作為良好的預(yù)處理添加劑。

楊洪巖等［45］篩選出可高效產(chǎn)酶的細(xì)菌復(fù)合系并用其對(duì)柳枝稷處理14d，結(jié)果表明，在50℃、pH為4.5條件下柳枝稷纖維素及半纖維素降解率分別達(dá)50%及60%，對(duì)應(yīng)的酶活分別為0.21和3.57 IU。Bai等［46］建立了MEG細(xì)菌菌群體系，在35±2℃的條件下對(duì)木質(zhì)纖維素處理7d，其甲烷產(chǎn)氣率提升25%，此菌群有待運(yùn)用于能源草處理中。Eichorst等［47］在38℃下運(yùn)用微生物菌群處理柳枝稷，所得纖維素降解率較對(duì)照組高2倍。Ahn等［48］將柳枝稷和禽類糞便共同發(fā)酵，結(jié)果表明，利用禽糞中天然微生物群可將柳枝稷甲烷產(chǎn)氣提高至299mL·（g·VS）-1。目前可穩(wěn)定繁殖的纖維素降解菌群已被應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)預(yù)處理過程，但未投入生產(chǎn)中。

另外，雖青貯不屬于預(yù)處理范疇，但其有時(shí)也可達(dá)到提升能源草產(chǎn)甲烷量的效果。因青貯本身是利用厭氧條件下乳酸菌等有益微生物的活動(dòng)將植物中碳水化合物轉(zhuǎn)化為乳酸、乙酸等有機(jī)酸（同時(shí)pH值降到4.2以下），而乙酸是甲烷的前體物質(zhì)，可能對(duì)后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生影響，因此也將其相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。目前青貯多用于牧草飼料保存，較少用于能源草產(chǎn)能青貯，相關(guān)的研究也較少。其中張寶藝［49］在雜交狼尾草青貯過程中添加不同濃度（1.0×105，1.5×105和2.0×105cfu·g-1）乳酸菌及不同濃度（0.01，0.02和0.03g·t-1鮮重）纖維素酶，持續(xù)45 d，結(jié)果顯示纖維素酶添加量為0.03g·t-1鮮重時(shí)甲烷產(chǎn)量最大，為2916.17mL，產(chǎn)氣率為294.17 mL·（g·VS）-1。對(duì)于青貯是否能提升產(chǎn)氣量，提升程度如何，不同能源草可能存在很大差異，因此此方向仍需探索。

總之，細(xì)菌處理法專一性強(qiáng)，污染程度低，處理效率良好，但其和真菌處理局限性相似，處理時(shí)間長、成本較高。目前，發(fā)掘極端環(huán)境內(nèi)存在的菌群（如深湖泊底層污泥內(nèi)、牛糞中存在的纖維素降解菌群等）進(jìn)而研究其纖維素降解性能也是十分必要的，因?yàn)榇朔N環(huán)境下生長的菌群對(duì)纖維素降解能力、專一性和抗逆性均較強(qiáng)，更具開發(fā)價(jià)值。

1.4 混合預(yù)處理法

混合預(yù)處理是指物理、化學(xué)和生物等不同預(yù)處理方法組合使用，對(duì)能源草進(jìn)行處理。不同方法之間結(jié)合導(dǎo)致處理效率不同，其大多較單一預(yù)處理法效率高，且效率因不同能源草而異。目前在工業(yè)生產(chǎn)中預(yù)處理方法幾乎均為混合預(yù)處理。

Keshwani在綜述中提到［50］將1%NaOH 溶液與微波輻射（10min，250W）結(jié)合用于柳枝稷處理，其還原糖產(chǎn)量較對(duì)照組高3～5倍。Hu和wen［51］利用1%NaOH與微波輻射對(duì)柳枝稷進(jìn)行處理，在190℃、固體含量為50g·L-1條件下處理30min后，纖維素降解率提高99%。余醉等［52］以蘆竹為材料將稀酸、稀堿、加熱處理和稀酸催化加熱處理法進(jìn)行比較，結(jié)果表明，稀酸催化下的高溫?zé)崴ㄐ首罡撸偹饴蔬_(dá)47.91%，木質(zhì)素減少12.99%。Li等［53］利用加熱預(yù)處理，將能源草混合樣品進(jìn)行處理后，其產(chǎn)氣速率和產(chǎn)能量分別提升7%和8%。另外，化學(xué)預(yù)處理也可作為物理處理輔助手段，如Yandapalli等［54］發(fā) 現(xiàn)，分 別 將（0.05，0.1 和 0.2 g·g-1生物量）的石灰運(yùn)用于柳枝稷處理中，并于121℃下持續(xù)30min之后于室溫下保存72h，結(jié)果表明0.2g石灰·g-1柳枝稷的石灰處理對(duì)后續(xù)粉碎和制備固體燃料的影響最大。此外還有前文提到的微波加熱預(yù)處理、微波與酸處理、加熱與微生物處理結(jié)合等均為混合處理方法。

針對(duì)于能源草混合預(yù)處理的研究目前多集中于物理、化學(xué)組合，其他方法組合還被未大規(guī)模使用，尤其是生物處理與其他方法的結(jié)合（如微波處理與白腐菌、堿處理與白腐菌結(jié)合等），仍需進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)并總結(jié)。另外，以秸稈為材料的混合預(yù)處理研究成果較多，在對(duì)能源草預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)可加以借鑒。

2 預(yù)處理方法間的對(duì)比分析

上述預(yù)處理方法均各具優(yōu)缺點(diǎn)，如物理預(yù)處理方法對(duì)環(huán)境的污染程度低、成本低、處理時(shí)間短但處理效率有限且消耗能量較大；化學(xué)方法中酸、堿預(yù)處理法處理效率相對(duì)較高，如 H2SO4或NaOH預(yù)處理法是目前最經(jīng)濟(jì)高效的方法，但其對(duì)環(huán)境污染程度較大且選擇性較低；生物預(yù)處理成本普遍偏高、處理時(shí)間長，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境污染程度小，選擇性強(qiáng)且處理效率良好；混合預(yù)處理因其處理過程復(fù)雜、擁有很多不定性因素，因此各個(gè)指標(biāo)均不易確定，但就上述提到的混合預(yù)處理（包括微波處理與加熱處理混合、微波與真菌處理混合等）來說，其處理效率高，并且不同方法間具有互補(bǔ)作用，值得深入研究。具體情況如表1所示。

表1 能源草不同預(yù)處理方法比較Table 1 The comparison of different pretreatment methods of bioenergy grass

3 總結(jié)與展望

目前預(yù)處理方法種類繁多，需要學(xué)者研究的方面也是多樣性的，因此對(duì)此類研究需有明確的目的和方向，本文從以下幾點(diǎn)對(duì)預(yù)處理方法今后研究進(jìn)行了總結(jié)和展望。

3.1 物理處理方法是所有預(yù)處理方法的前處理

在進(jìn)行化學(xué)、生物處理前都應(yīng)首先進(jìn)行切短、粉碎或其他物理方法處理，這樣可以較大程度破壞木質(zhì)纖維素的緊密結(jié)構(gòu)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供方便。不同實(shí)驗(yàn)所需材料切短長度有所不同，需粉碎的材料經(jīng)處理后粒徑一般集中于0.003～30mm間即可，而其他物理處理方法可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行選擇。

3.2 酸、堿預(yù)處理是目前主要應(yīng)用的預(yù)處理方法

稀 H2SO4（4%）及稀 NaOH（0.5%～2.5%）溶液成本低廉且對(duì)材料處理效果好，因此，在實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)中主要應(yīng)用其對(duì)材料進(jìn)行處理，根據(jù)能源草種類不同稀酸和稀堿處理濃度可能略有不同，但大體相近。目前由于環(huán)境問題，化學(xué)預(yù)處理受到較大限制。

3.3 生物預(yù)處理應(yīng)成為預(yù)處理方法中主流研究方向

微生物因其天然的木質(zhì)纖維素降解專一性及其對(duì)環(huán)境低污染性受到較多關(guān)注。目前運(yùn)用較多的是白腐菌。微生物繁殖迅速，其所產(chǎn)生的纖維素酶、漆酶等可不同程度降解纖維素或木質(zhì)素，提高產(chǎn)能效果。從表1中可以看出，生物處理專一性、無污染性在其領(lǐng)域都占有優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)不足之處進(jìn)行優(yōu)化是首要任務(wù)。生物預(yù)處理的限制是成本高、處理時(shí)間長，降低成本、縮短處理時(shí)間是其目前的研究方向。如欲縮短時(shí)間需提高酶的活性，欲降低成本則需提高預(yù)處理技術(shù)水平，因此對(duì)于預(yù)處理裝置改進(jìn)、條件優(yōu)化、微生物培養(yǎng)技術(shù)以及蛋白表達(dá)技術(shù)提高等均迫在眉睫。另外，應(yīng)針對(duì)產(chǎn)酶微生物群落應(yīng)深入研究，篩選新型纖維素降解菌群，并對(duì)目前已被廣泛運(yùn)用的蛋白表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使表達(dá)效果提升。此外，還需細(xì)化生物預(yù)處理中涉及到的各項(xiàng)指標(biāo)，如溫度、pH和時(shí)間等，選擇最適條件，提升生物預(yù)處理效率。

3.4 能源草預(yù)處理方法研究趨勢(shì)應(yīng)向高效率、低污染方向發(fā)展

低成本、高效率和低污染是目前預(yù)處理技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，酸、堿預(yù)處理雖處理效果好、成本低，但其對(duì)環(huán)境有較大負(fù)面影響并可能破壞材料本身的結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)對(duì)其處理后的排污手段進(jìn)行進(jìn)一步探究，降低環(huán)境污染程度，同時(shí)與生物處理結(jié)合以提升處理專一性。另外，物理預(yù)處理一般為初步處理，切短、粉碎等幾乎是每種預(yù)處理方法所必經(jīng)的途徑，蒸汽爆破、射線輻射、液體高溫水等處理效果良好，但能源損耗程度大，有些耗損能源甚至?xí)^能源草制備的能源，因此尋找前期能源消耗少、處理效果較優(yōu)的新預(yù)處理方法也同樣是目前研究的重要任務(wù)。

3.5 多種預(yù)處理方法綜合應(yīng)用是能源草預(yù)處理的發(fā)展趨勢(shì)

多種預(yù)處理法組合會(huì)彌補(bǔ)單一預(yù)處理法的不足，并可能達(dá)到“一加一大于二”的效果，如微波處理和白腐菌處理結(jié)合、微波處理與NaOH處理結(jié)合等，這些組合在秸稈預(yù)處理中都有所運(yùn)用，值得借鑒。另外，預(yù)處理過程中應(yīng)有較強(qiáng)針對(duì)性，如化學(xué)預(yù)處理中某些有用成分也被化學(xué)試劑破壞，而生物處理則具有較強(qiáng)選擇性，因此將不同處理結(jié)合使用可達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。目前，物理、化學(xué)預(yù)處理組合已被多方面研究，而生物處理與其他預(yù)處理的結(jié)合研究較少，需要研究者進(jìn)一步探索、分析更多可能的組合，以提高木質(zhì)纖維素的降解程度。

3.6 建立能源草預(yù)處理綜合評(píng)價(jià)體系

系統(tǒng)測(cè)定不同預(yù)處理法對(duì)能源草的影響后，應(yīng)建立完善的預(yù)處理評(píng)價(jià)體系，如李峰等［55］對(duì)部分能源草建立了初步評(píng)價(jià)體系，其產(chǎn)能效率、分布、熱值、抗逆性等特性均在體系中有清晰的體現(xiàn)和評(píng)分。因此，對(duì)于不同材料、不同預(yù)處理法也應(yīng)進(jìn)行類似的總結(jié)歸納，對(duì)材料降解效率、成本、環(huán)境污染程度和能源消耗進(jìn)行詳細(xì)闡述、評(píng)價(jià)和綜合分析。另外，后續(xù)應(yīng)及時(shí)更新處理方法，以便研究者根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)室設(shè)備選取最佳的預(yù)處理方法，提高實(shí)驗(yàn)效率。