《Bioresource Technology Reports》：Harnessing hemicellulose: A systematic review of its role in bioethanol and value-added product synthesis from lignocellulosic feedstocks
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半纤维素作为第二 abundant多糖在木质纤维素生物质中具有高xylose含量，适用于2G乙醇和生物基高值产品生产，但利用率较低。本文系统综述了半纤维素预处理策略（水热处理、绿色溶剂）、生物转化（工程菌定向代谢xylose生成乙醇/木糖醇/木糖酸等）及高值化途径，整合了生物炼制平台构建的最新工业与经济视角。重点讨论化学催化与生物催化协同转化、定制化酶策略、耐热抗抑制微生物及连续强化反应对经济可行性的提升作用，强调半纤维素经济可持续性与碳效率对集成生物炼制系统的关键作用。
迪克莎·索恩尼（Diksha Sawhney）| 苏米特·夏尔马（Sumit Sharma）| 米努·辛格（Meenu Singh）| 普拉巴特·库马尔（Prabhat Kumar）| 罗玛·潘迪（Roma Pandey）
印度拉贾斯坦邦琼朱努（Jhunjhunu）的辛加尼亚大学（Singhania University）生命科学学院，邮编333515
摘要
半纤维素是木质纤维素生物质中含量第二丰富的多糖，尽管其木糖含量丰富，适合用于第二代（2G）乙醇和高价值产品的生产，但其利用率仍然很低。本系统综述探讨了半纤维素的预处理策略，重点介绍了水热预处理和新兴绿色溶剂技术，以及酶法糖化和先进的增值途径。该综述将半纤维素选择性预处理与生物转化木糖的方法以及最新的工业和技术经济视角相结合，提供了一个综合的生物精炼平台。基因工程的最新进展使得通过特定微生物菌株将木糖转化为乙醇、木糖醇、木酮酸、聚羟基烷酸、异丁醇、2,3-丁二醇、赤藓糖醇和其他非天然产品成为可能。文章还讨论了结合化学催化和生物催化的新兴化学生物学方法来生产半纤维素衍生物。化学催化进一步扩展了半纤维素的应用范围，例如生成木寡糖、木拉酸和左旋糠醛。目前工业上，糠醛是主要的半纤维素衍生产品，但仍存在技术经济挑战。未来的建议包括采用定制/改良的以酶为中心的策略、耐热/抗抑制剂的微生物、新型异质催化剂以及强化连续反应，以实现经济可行的综合生物精炼。
引言
为了满足全球能源需求，需要在不消耗有限资源的情况下实现长期的技术突破。可再生能源解决方案具有许多优势，包括稳定能源供需、保障粮食安全、促进经济稳定以及防止环境污染（Mohammad等人，2024年）。在近期对可再生能源的探索中，生物燃料已成为最具前景的选择之一。在第二代（2G）乙醇方面，它被认为是一种长期可行的可再生能源（Das等人，2024b年）。然而，要降低成本以与石油竞争，实现市场竞争力和可持续性，生产低成本的2G乙醇至关重要（Periyasamy等人，2023年）。
鉴于此，本综述涵盖了2G乙醇的生产现状、相关步骤、详细内容以及利用木质纤维素生物质（LCB）中的半纤维素部分生成原生或改良微生物及其生物产物的潜在应用。化石燃料对环境的极端影响及其资源枯竭促使人们研究可持续的生物燃料替代品。可持续的生物燃料替代品必须具有较高的能量产出、环保性、经济可行性，并且能够在不与粮食供应竞争的情况下实现大规模生产（Nair等人，2018年）。根据这些标准，玉米乙醇通过生命周期分析显示出潜力。玉米乙醇的能量产出比其消耗的能量高出约12-50%（De Castro等人，2014年；Papagianni等人，2024年）。最近的生命周期分析表明，玉米乙醇的碳强度比汽油低46%，温室气体排放量也低39-43%（Lewandrowski等人，2020年；Scully等人，2021年）。然而，用乙醇等生物燃料替代大量石油可能会对粮食供应产生不利影响。历史上，由于生产成本高，生物燃料在没有补贴的情况下在经济上不可行，但最近石油价格上涨和碳税的增加提高了其竞争力（Dragicevic等人，2025年）。来自边际土地的低价值生物质的纤维素乙醇可以提供更大的供应量，并带来更大的环境效益（Pancaldi和Trindade，2020年；Sallustio等人，2022年）。关于从粮食作物中增加乙醇生产的问题引起了关注，这可能会减少玉米出口、推高商品价格，并可能导致全球土地利用变化和环境影响（Lark等人，2022年；Wallington等人，2012年）。过去十年中，由于技术进步，玉米乙醇产量的增加抵消了这些负面影响（Fausti，2015年）。这种“粮食与燃料”的困境促使人们开发来自木质纤维素废物的第二代生物燃料，以缓解这些问题（Liang，2024年）。
为了获取内燃机使用的能源，来自各种生物质的碳水化合物被发酵以生产第一代（1G）乙醇。在美国，玉米是主要原料；在巴西，甘蔗是主要原料。甘蔗经过加工提取蔗糖，而玉米则首先被水解以释放糖分。其他1G乙醇原料还包括甜菜和小麦（欧洲国家）、油菜籽、大豆、高粱、木薯（泰国）、甘蔗糖蜜和受损的稻谷（印度）（Cavelius等人，2023年；Kumar等人，2024年；Muktham等人，2016年；Rodionova等人，2022年）。然而，过度依赖农作物最终会与人类食品消费和牲畜饲料产生竞争。为了解决“粮食与燃料”的问题，人们提出了丰富且可再生的木质纤维素生物质（LCB）作为替代原料，减少对粮食基生物燃料的依赖（Mujtaba等人，2023年）。其他主要的木质纤维素生物质来源包括甘蔗渣和玉米秸秆；能源作物如柳枝稷和芒草；以及纸浆厂的纤维素废弃物。这些来源易于获取，也是现有生物精炼厂的副产品。因此，丰富且可再生的LCB被提议作为燃料的替代品（Periyasamy等人，2023年）。LCB的主要来源包括：农业残余物（小麦秸秆、稻壳、玉米秸秆、甘蔗渣、玉米纤维、森林残余物）、木质纤维素多年生作物（短轮作作物、不可食用草类）以及工业和农业过程产生的废弃物（纸浆厂废料、锯末、城市固体废物、纸浆厂污泥）（Sharma等人，2024a）。这些原料具有多个优点，如不可食用、成本效益高、环保且易于获取。LCB的成分包括纤维素、半纤维素和芳香族聚合物木质素（Rai等人，2022年）。LCB分解后，纤维素和半纤维素分别解聚释放出葡萄糖和木糖。将木糖转化为高附加值产品具有显著的经济价值，因为从LCB中水解半纤维素可产生高达90%的木糖（Devi等人，2022年；Zoghlami和Pa?s，2019年）。木糖是一种戊糖，可用于生产木糖醇（商业甜味剂）和木寡糖（益生元来源），以及使用戊糖发酵酵母或细菌进行2G乙醇生物加工。
对于许多工业生物产品（包括生物乙醇）来说，半纤维素中的木糖远不如纤维素中的葡萄糖受重视。然而，其在可持续利用方面具有巨大潜力。半纤维素是从任何木质纤维素原料的半纤维素部分中提取的第二丰富的糖类。有多种天然微生物可以通过其整合的木糖吸收途径发酵木糖（Zhao等人，2020a）。然而，基因工程已被应用于提高效率并使木糖成为更有价值的底物（Kwak等人，2019年；Zhou等人，2012年）。微生物不仅被用于生产乙醇，还用于生产其他生物产品，如木酮酸和木糖醇（Herrera等人，2021年；Kogje和Ghosalkar，2017年；Wang等人，2025a）。本综述重点关注2G乙醇的生产，特别是利用木糖作为唯一的碳源或与葡萄糖共同作为底物，这在木质纤维素水解物中很常见。除了生物乙醇外，还总结了其他生物加工和化学方法、工程途径、商业潜力以及当前的工业增值情况。这是对木糖作为有价值底物的潜力的全面评估，推动了从替代糖类开发生物燃料和生物产品的进展。
半纤维素的转化与其他基于纤维素的生物质转化有不同的特点。半纤维素是一种无定形、分支且异质的多糖，由多种糖分子组成，其结构与高度结晶的纤维素不同。半纤维素不易分解，在温和条件下容易水解，所需能量输入低，产生的废物流毒性较低，从而减少了下游处理的挑战。另一个关键优势在于其结构：其主要成分是木聚糖，由木糖组成，为生成高附加值产品提供了非传统的糖源，而不会与常用的食品糖资源竞争。半纤维素糖可以转化为燃料和化学品，包括酒精、有机酸和平台化学品，从而为木质纤维素原料提供广泛的生物基替代品。这种多样性有助于提高产品供应链的经济稳定性。
在木质纤维素生物质中，半纤维素是第二丰富的多糖，由于其比结晶纤维素更容易水解，因此在当前的2G乙醇生产中占有重要地位（水解物/黑液）。尽管有仅使用葡萄糖的系统，但将其与纤维素共同利用可以提高碳效率和生物精炼的经济性。本综述独特地介绍了富含半纤维素的原料、绿色预处理方法以及生产乙醇、木糖醇、木酮酸/木拉酸、XOS和糠醛衍生物的化学和生物途径。
当前全球乙醇状况
2G乙醇的生产仍处于初级阶段，市场规模非常小。整个乙醇市场依赖于第一代乙醇的生产，尤其是美国和巴西使用的玉米和甘蔗。2G乙醇的几个关键缺点包括产量有限、分解复杂生物质的技术挑战、高生产成本以及较低的产量和效率。这些挑战使得2G乙醇在市场上仍不具备竞争力。
从木质纤维素生物质（LCB）生产2G乙醇的过程
由于全纤维素含量丰富，LCB成为更有利可图的选择。然而，由于LCB的结构复杂性，工艺成本增加。2G乙醇合成的生化方法包括三个关键步骤：预处理、糖化和发酵。预处理过程破坏复杂的木质纤维素基质，以便水解酶更容易接触结构中的碳水化合物（Ethaib等人，2020年）。
利用木糖生产2G乙醇的进展
在预处理开始时，半纤维素是首先分解的成分，并且在纤维素开始水解之前大部分被溶解，这使得选择性分离策略成为可能。这种先处理半纤维素的方法有助于有效利用每种生物质组分，从而提高产品的整体产量。目前，这种策略已在SSCF中得到应用。
利用木糖生产其他高附加值产品的进展
在工业层面，需要利用LCB中的所有碳水化合物组分。因此，除了生产2G乙醇外，从半纤维素组分中制造高附加值产品对于提高生物精炼过程的经济可行性至关重要（Patel等人，2023年）。通过微生物（尤其是酵母和细菌）的代谢工程，已经生产出多种其他生物产品（表5）。列出了这些高附加值产品、它们的生产方法、产量等。
工业上木糖的利用和增值现状
通过整合木质纤维素生物质，生物乙醇的工业规模生产正在得到改进。许多制造商使用木质纤维素生物质（如甘蔗渣、玉米秸秆、柳枝稷、小麦秸秆、芒草和大麦秸秆）来生产生物乙醇。所有制造商都限制使用葡萄糖和木糖作为共同底物，目前还没有公司仅使用木糖作为底物生产第二代乙醇。
结论和未来建议
不断增长的全球能源需求迫切需要替代的、经济可行、可再生且高度可持续的资源。在这种背景下，由于其经济性、可再生性和广泛可用性，木质纤维素生物质作为第二代乙醇生产的底物受到了广泛关注。然而，研究与生产相关的高成本阻碍了2G乙醇的大规模商业化应用。
作者贡献声明
迪克莎·索恩尼（Diksha Sawhney）：撰写初稿、资源收集、数据管理、概念构思。苏米特·夏尔马（Sumit Sharma）：撰写与编辑、撰写初稿、数据管理。米努·辛格（Meenu Singh）：撰写与编辑、可视化。普拉巴特·库马尔（Prabhat Kumar）：撰写与编辑、可视化、验证、监督。罗玛·潘迪（Roma Pandey）：验证、监督、正式分析。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了生成式AI工具ChatGPT来改进概念写作和语言表达，以提高可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
所有作者感谢各自的组织为完成这项研究提供了必要的支持。
