科学网博主杨志（http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=374141）在我的博客留言中问我：“我想请教您一个问题，阻碍生物质能源（纤维素，半纤维素）在中国应用的主要瓶颈是什么呢？您是否看好生物质利用技术的前景？”

杨博主所说的生物质资源，其实是指木质纤维素资源（纤维素和半纤维素）。我从本科到博士，几乎一直在接触生物质资源这个领域。接触过木质纤维素资源利用的上游生物技术（酶学和基因）以及中下游技术（发酵和热解等）。所以就谈谈自己对这个问题的认识吧！

我们现在可以利用的生物质资源主要有两类：一类是淀粉类的资源，另一类是木质纤维素类的资源。生物质资源可以通过发酵或者热解、气化等方式，转化成我们所需要的产品，其中通过微生物发酵的方式比较温和，能够生产的产品比较多。本文重点讨论利用这种发酵方式生产产品。

先介绍一下淀粉和纤维素吧！淀粉是大家都知道的，不用多介绍了，淀粉可以通过淀粉酶水解为葡萄糖，为动物提供营养，还可以作为微生物的粮食，让微生物生长。通过控制发酵的条件，来生产出乙醇、丙酮、丁醇等若干产品。纤维素也是由葡萄糖组成的，和淀粉不同的是，淀粉中的葡萄糖主要是通过α-1，4-糖苷键或α-1，6-糖苷键连接的，而纤维素中的葡萄糖是通过β-1，4-糖苷键连接的。别看就这小小的区别，但化学性质却相差千里。淀粉很容易被水解成葡萄糖，我们人类唾液中的淀粉酶，就可以水解淀粉。而纤维素呢？也有纤维素酶可以水解它，但是水解效率却比淀粉酶低两个数量级。也就是说，将纤维素水解利用在原理上不存在任何问题，纤维素酶就可以做到，但最关键的是纤维素难以被水解，这就涉及到成本问题。

因为现在耕地越来越少，粮食都不够吃，更别谈用淀粉这样的粮食资源来造燃料乙醇等化学品了。所以生物质资源的利用只能靠木质纤维素等非淀粉类的资源。我国每年产生的秸秆就有7亿吨，林业废弃物资源每年也有好几亿吨，如果能够好好地利用，就可以避免跟人争粮了。

为何纤维素比较难被水解？我想，这是植物长期进化自然选择的结果。木质纤维素是植物细胞壁的主要成分，是用于保护植物细胞的。试想，如果植物的细胞壁非常容易被降解，那么植物岂不是很容易就受到伤害？

纤维素转化成葡萄糖的效率低，主要有两个原因，一个是刚才所说的纤维素酶的水解效率问题，另外一个是纤维素的结构问题。天然的木质纤维素的结构会使纤维素酶对纤维素的可及性差，酶作用不到恰当的位置上，因此难以酶解了。因此，为了降低成本，需要在这两个难点问题上下手，进行突破。除此之外，水解成葡萄糖之后，由于水解液浓度低、可能存在抑制物等问题，纤维素水解成的葡萄糖发酵也是一个问题。

1、对于纤维素酶的水解效率问题，现在有很多筛选高产纤维素酶的菌株以及克隆工程菌株的研究，以产生水解效率更高的纤维素酶。然而，即使这样，纤维素酶的成本依然很高。那么如何解决这个问题？除了在高产纤维素酶的菌株方面下手之外，我们还可以通过其他方式来降低成本。例如，纤维素酶发酵出来了，要和发酵的底物以及菌株分开，涉及到分离纯化问题。分离纯化也是一块很大的成本。其实，我们在后续利用纤维素酶水解的过程中，未必一定要用到很纯的纤维素酶，在酶里稍微混点其他的东西，只要不影响发酵，也是无妨的。所以这一点做好了也能够使成本降低。

此外，纤维素酶的水解未必一定要使用纤维素酶，还可以通过酸水解等方式。酸水解虽然成本略低，但是存在着污染大以及存有发酵抑制物等问题。还是酶解更温和。酸水解等方式这里不再讨论。

2、对于纤维素的天然结构问题，可以使用汽爆等处理方式，使这种天然的结晶结构疏松，使纤维素酶更容易作用于纤维素。这个方面看似简单，但也有很多要探讨的东西，更学术等等问题这里就不再深入探讨了。这里想说的是，现在这个方面的受重视程度往往不如对纤维素酶的重视程度，其实，这个方面如果做好了，可以使纤维素酶能够发挥的效果提高几倍甚至几十倍。我之前做过一个实验研究，是将玉米皮（主要成分是木质纤维素）汽爆处理之后（相当于做了好的预处理）酶解，跟机械粉碎处理之后再酶解相比，在同样的酶解条件下（加的纤维素酶等完全一样），酶解率提高了几十倍。从这个就可以看出预处理的重要性了。

3、发酵问题。目前有很多利用纤维素酶的水解成的葡萄糖来发酵生产各种产品的研究，具体技术细节这里也不探讨了。总之这方面做好了，纤维素利用的成本也会降低很多。

4、综合利用问题。如果利用秸秆等纤维素资源仅仅生产单一产品，那么会存在很多浪费。但如果能够综合利用，则会让成本降低很多。例如，秸秆中的长纤维不容易被酶解，但却是造纸的好材料，用来造纸比用来生产乙醇等产品卖价要高得多。秸秆中的薄壁细胞，可以用来提取制备纳米级二氧化硅。发酵之后的发酵渣，可以用来堆肥，会成为很好的有机肥。如果能够物尽其用，成本又会降低很多。

前几年写了一篇论文，对比了一下美国、加拿大以及中国目前利用秸秆资源生产燃料乙醇的情况，加拿大某公司的燃料乙醇成本约3500元/吨，美国某公司的成本约4100元/吨。中国天冠集团约6300元，丰原集团约6000元（文献中看到的数据，不知道准确度多高）。如果能够在我上述所说的这几个环节都做好的话，成本应该能够降低很多。现在我国的燃料乙醇卖价约5000元左右，其实生产乙醇是赔本的。但国家对生产乙醇是有补贴的，每生产一吨乙醇可以补贴至少1500多。这些企业其实靠着这个补贴才能赚钱。如果上述各个环节能够做得稍微好一些，我国利用生物质成本应该能够降到5000元以下，甚至4000元以下。这样，企业才能够不靠国家补贴而真正实现盈利。