综述：木质纤维素生物质的价值化：生物精炼和生物材料的新一代

《Biotechnology for Sustainable Materials》：Valorisation of lignocellulosic biomass: a new generation in biorefinery and biomaterials

　　本综述系统阐述了非粮作物来源木质纤维素生物质（LCBs）在促进生物经济和循环生物精炼中的关键作用，重点探讨了其作为生物燃料、生物材料和生化品可持续原料的预处理策略（如物理、化学及生物法）、转化技术瓶颈（如结构复杂性、酶解效率低）及解决方案（如CRISPR-Cas9基因组编辑、纳米材料应用），并展望了通过多技术集成与政策支持实现工业化规模化的前景。

　　

木质纤维素生物质：从废弃物到高值产品的绿色引擎

木质纤维素生物质（Lignocellulosic Biomass, LCBs）作为植物细胞壁的主要成分，由纤维素（23–50%）、半纤维素（12–29%）和木质素（13–31%）通过复杂键合形成天然抗降解屏障。近年来，非粮作物（如农业残余物、能源作物）衍生的LCBs因其丰富性、可再生性及非食物竞争性，成为替代化石资源、推动可持续生物经济的关键原料。本文聚焦LCBs的价值化路径，系统梳理其来源、预处理技术、生物转化策略及多维影响，为新一代生物精炼提供理论支撑与实践方向。

潜在LCBs来源：粮食与非粮原料的博弈

LCBs原料可分为粮食基（如玉米秸秆、小麦秆）与非粮源（如林业废弃物、专用能源作物）。非粮原料如甘蔗渣、棉花秆、芒草等虽避免了与粮食系统的竞争，但其高硅质/木质素含量、季节性供应及异质性化学组成对预处理工艺提出严峻挑战。例如，甘蔗渣碳含量高利于生物炭产率，但运输成本制约其规模化；藻类生物质（如螺旋藻、小球藻）生长快且不占耕地，但高水分收获能耗限制其经济可行性。原料选择需权衡可获得性、成分稳定性及预处理成本，是生物精炼设计的第一道关卡。

预处理技术：破解LCBs抗降解屏障的“钥匙”

预处理是破解LCBs顽固结构的核心环节，占生物精炼总成本高达30%。当前策略主要包括物理（机械粉碎、微波、超声波）、化学（酸/碱、离子液体、深共熔溶剂）、物理化学（蒸汽爆破、氨纤维膨胀）及生物法（白腐真菌、酶解）四大类。其中，深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）如胆碱氯化物-乳酸体系，能选择性溶解木质素并保留纤维素完整性，木质素去除率可达87%；离子液体（Ionic Liquids, ILs）如[BMIM][AlCl₄]与乳酸联用，可协同提升酶解效率。生物预处理虽环保低耗，但周期长、菌株适应性差，制约其工业应用。组合策略（如微波辅助DES、酸-碱序贯处理）通过协同效应显著降低抑制剂生成并提高糖化率，是未来优化方向。

生物转化前沿：从基因组编辑到纳米催化

consolidated bioprocessing, CBP）通过整合水解与发酵步骤降低成本，但其效率依赖于高效微生物底盘。CRISPR-Cas9、碱基编辑（Base Editing）及Prime Editing等基因编辑技术可精准改造微生物（如Saccharomyces cerevisiae、Zymomonas mobilis），增强其五碳糖（木糖）共利用、耐抑制剂（如乙酸、糠醛）及热稳定性。例如，在Bacillus subtilis中染色体整合eglS、cel48S等纤维素酶基因，可稳定提升酶活；纳米材料（如甲基功能化CoFe₂O₄@SiO₂）作为酶固定化载体或代谢促进剂，使生物乙醇产量提升213.5%。机器学习（Machine Learning, ML）与动力学模型进一步加速预处理条件优化与产物预测，推动生物精炼智能化。

集成生物精炼：多维影响与循环经济潜力

LCBs基生物精炼通过多产品联产（生物乙醇、木质素基聚氨酯、纳米纤维素）最大化资源价值，减少温室气体排放。例如，木质素可转化为1,5-戊二醇（1,5-PDO）或功能性芳香族化合物；纳米纤维素因其生物相容性与可打印性，在组织工程、柔性电子领域前景广阔。然而，工业规模化仍面临原料供应链不稳定、反应器热管理难度大、木质素高值化技术不成熟等挑战。政策支持（如碳定价）、循环设计（如废水回收硫酸）及跨学科合作（人工智慧+生物技术）是突破瓶颈的关键。

挑战与未来展望：迈向可持续生物经济

LCBs价值化仍处于从实验室到工业化的过渡期。未来研究需聚焦：①开发低成本通用预处理平台；②通过合成生物学定制“超级菌株”；③构建 lignin-first 精炼模型以挖掘木质素潜力；④结合生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）与技经分析（Techno-Economic Analysis, TEA）优化系统能耗。唯有通过技术创新、产业链整合与政策激励三重驱动，LCBs基生物精炼方能真正成为替代化石经济的绿色支柱。