综述：木质纤维素生物质预处理的三大关键技术：释放初级生物精炼的潜力

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Triad of lignocellulosic biomass pretreatment: Unlocking potential of primary biorefinery key aspect

提升木质纤维素预处理经济性的核心在于整合转换、功能化与分离三元组，利用绿色溶剂实现原位功能材料制备，突破传统多步骤工艺限制。

　　

作者：Samuel Ntakirutimana、Zhihao Fan、Wenlong Xiong、Shen Zhang、Kai Wang、Bingzhi Li、Jingliang Xu

单位：郑州大学化学工程学院，中国郑州 450001

摘要

预处理是初级生物精炼过程的关键环节，充分利用其综合处理潜力对于提高木质纤维素的附加值具有至关重要的意义。预处理不仅有助于提高生物质的可加工性，还能通过多维度转化创造新的价值实现途径。例如，使用功能性及反应性预处理溶剂可以在不增加化学物质或能耗的情况下释放出高价值产物。本文全面探讨了木质纤维素的预处理技术，涵盖了转化（如解构、相变、荧光化、漂白等）、功能化（如胺化、酯化、醚化、氧化等）以及分离（如溶解、分离、沉淀、回收等）三个关键方面。同时，预处理也被视为一种有前景的平台，可用于原位升级并制备兼具木质素和多糖特性的功能材料，以满足高性能应用的需求。

引言

成功利用木质纤维素资源是推动可持续生物经济的重要突破，而这一过程高度依赖于预处理技术[1-6]。木质纤维素是一种丰富的可再生资源，主要由多糖（纤维素和半纤维素）及木质素组成[7]。由于木质纤维素本身的复杂性和难处理性，传统预处理方法难以有效转化和利用，因此将其作为初级生物精炼过程中的必要步骤已成为高效转化的先决条件[2-9]。预处理的多功能性和高效性对于实现木质纤维素的全面利用至关重要。传统预处理溶剂侧重于破坏生物质结构和提高纤维素的可消化性，而新型绿色及反应性溶剂的出现显著拓展了其应用潜力，使得预处理过程能够实现多维度转化和原位升级[8-12]。目前，预处理的主要评价标准包括其对生物质酶促糖化效率的改善作用[13]以及对木质素结构的保护效果[15]。此外，预处理还能对木质纤维素的所有成分产生广泛影响。本文提出了一个包含转化、分离和功能化三个关键环节的预处理体系（见图1），详细阐述了这些环节的作用机制。具体而言，预处理过程包括多种高价值转化，如物理和物理化学变化（解构、破碎、降解、稳定化、漂白、相变、荧光化等），同时木质素和多糖还会发生多种化学功能化反应（如羟基化、氧化、胺化、醚化、磺化等）。此外，预处理还包含溶解、提取、分离、沉淀等分离过程。这一综合预处理体系在以多糖或木质素为中心的生物精炼过程中都具有重要意义，全面的评估有助于实现木质纤维素的全面价值化，为后续研究奠定基础。

预处理在生物基功能材料制备中的应用

目前，越来越多的研究致力于开发兼具分离和功能化功能的预处理方法，以实现木质纤维素成分的原位转化和功能材料的直接制备（表1）。绿色及反应性溶剂因其兼具分离和功能化的双重作用而受到广泛关注[224]。例如，某些预处理溶剂能够有效分离木质纤维素成分。

结论与展望

本文综述了木质纤维素预处理的转化、功能化和分离三个关键环节及其在功能材料制备中的应用潜力。这些预处理技术不仅有助于提高生物质的可转化性，还能实现原位升级，从而为生物经济的可持续发展奠定基础。

作者贡献声明

李炳志（Li Bing-zhi）：数据验证、监督、资源协调。 徐景亮（Jingliang Xu）：监督、资源管理、项目申请与资金筹集。 Samuel Ntakirutimana：撰写、审稿与编辑、概念构思。 王凯（Kai Wang）：实验研究。 张森（Shen Zhang）：实验研究。 熊文龙（Wenlong Xiong）：实验研究。 范志豪（Zhihao Fan）：实验研究。

利益冲突声明

作者不存在任何利益冲突需要声明。

致谢

本综述项目得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U24A20364、22261132515、22308252）、河南省科技研发计划重点培育项目（项目编号：222301420008）以及河南省科技研究项目（项目编号：242102321053）的支持。

参考文献