① 如何用三種方法使得木材中的纖維素、半纖維素和木質素的穩定復合物降解，從而利於纖維素酶降解纖維素
目前對木質纖維素原料的預處理方法有物理法、物理化學法、化學法及生物法，各方法各有優缺點，可同時選用多種方法，即組合法。
1.2.1 物理方法
機械粉碎通過剪切或研磨減小原料顆粒尺寸，提高反應面積，同時在一定程度上破壞植物纖維的高級結構，將結晶態纖維素轉化成無定形態，使整個大分子結構鬆散，易於反應。纖維素分解性能與研磨時間和粉碎度直接相關，粒徑越小，越容易反應，但需提供的能量也越多，因此存在最佳粉碎尺度。此法不足之處在於通過物理粉碎產生的無定形態非常不穩定，容易重新結晶化，使應用受限。
高能輻射、超聲波、微波處理法是通過能量的作用產生物理化學效應，破壞分子間氫鍵和結晶態結構，降低聚合度，提高酶解速率。Youn 等用60Co的γ射線處理甘蔗渣使還原糖總量提高了約 3 倍。高能輻射可縮短工藝流程、無污染，但成本過高且輻射過程產生的游離基對後續反應有抑製作用。超聲波通過能量作用打開氫鍵，破壞木質素和纖維素結晶區，使纖維的形態結構和超微結構發生變化，有效降低結晶度和規整度，利於酶解；微波處理主要是使物料內部分子發生碰撞，產生熱量，導致物料升溫，其處理機制為溫度效應，研究表明微波可以改變植物纖維原料的超分子結構，使纖維結晶區尺寸發生變化，提高其反應活性。
1.2.2 物理化學方法
高壓蒸汽爆破法不添加化學試劑，用高壓蒸汽加熱原料到一定溫度（150~220℃），反應一段時間（10~30min）後迅速降壓終止反應。突然減壓時，產生二次蒸汽，使體積猛增，受機械力作用，細胞壁結構被破壞，木質素與纖維素分離，而半纖維素在這個過程中被水解並產生有機酸，酸可進一步催化水解得到可溶性糖。此法可去除大部分的半纖維素和少量的木質素，對纖維素幾乎沒有影響。經蒸汽爆破後的原料孔隙度增大，酶解率明顯提高，但會產生有抑製作用的小分子副產物如醛類和有機酸，因此處理後原料需水洗及中和。該法處理費用低，酶解效果明顯，已成功用於生產，加拿大Staketech 公司在這方面已取得很大成功。
氨纖維爆破法（AFEX），也稱氨冷凍爆破，是利用液氨在相對較低的壓力（1.5MPa）和溫度(50~80℃)下對原料處理一段時間，然後突然釋放壓力爆破原料，此過程中液氨迅速汽化產生驟冷，使纖維素結構發生變化。與其他方法不同的是，AFEX 並沒有直接分離出木質素和半纖維素，也不產生液態產物，該過程是通過氨與木質素作用改變木質纖維素微結構及超分子結構，使纖維素結構從Ⅰ態轉化為Ⅲ態，提高反應活性，可降低酶用量至 1-5 IU/g，大大提高了酶解率。該法避免了高溫處理引起的糖變性，不產生抑制性副產物，但成本比較高。類似的還有二氧化碳爆破法，不同的是處理過程中部分 CO2必須形成碳酸，作為後繼水解反應的催化劑。
1.2.3 化學法
高溫熱水處理法是在高溫（200℃以上）下，壓力高於同溫度下飽和蒸汽壓時，使用液態水去除部分木質素及全部半纖維素，實質上是酸催化的自水解反應，但高溫作用使產物有所損失，並產生一些有機酸抑制酶解及發酵。按水與底物的進料方式不同，分為流動水注入、水與物料相對進料及兩者平行進料 3 種，它們都是利用高壓液態沸水的高介電常數去溶解幾乎所有的半纖維素和 1/3~2/3 的木質素，但反應的 pH 需要控制在 4 到 7 之間，以減少副反應。
稀酸處理植物纖維的研究已有大量報道，尤其在農作物原料中，酸分子的擴散速率很快，且較高溫度下符合阿累尼烏斯方程。酸處理多採用稀硫酸（0.5%~1.0%），在 130~200℃與原料反應數分鍾。處理後，半纖維素幾乎全部水解為單糖（主要為木糖），但也有部分因過度降解轉化為乙醛等小分子副產物；纖維素及木質素作為固體殘留物不發生變化。半纖維素的轉移，增加了纖維素表面積及反應活性，提高水解速率及糖化率。Todd 等通過優化實驗條件，可提高還原糖產率至 93%。酸性物質的腐蝕性對反應器材要求高，且化學試劑的加入造成一定污染，該法工藝技術還有待進一步改善。
鹼處理是通過鹼對纖維素的潤漲作用引起分子的消晶和晶格轉化，可去除原料中的木質素，保留半纖維素和纖維素。相對酸處理而言，反映條件溫和（55~130℃），但易產生不溶性副產物，同時鹼用量大，處理時間長，甚至長達數周。最初選用的是 NaOH,它具有較強的脫木質素能力，但有約 50% 的半纖維素過度降解。常用的鹼性物質還有熟石灰、氨等。用熟石灰與生物質反應時，氧氣/空氣的加入可以促進木質素的去除率，提高糖化率；與氨冷凍爆破（AFEX）不同，氨回收過濾法（ARP）是氨在較高溫度（150~170℃）下與生物質反應，反應後液態氨被回收再利用。較高溫度下，氨溶液可以有效潤漲木質纖維素，破壞木質素與半纖維素間的化學鍵合，降低聚合度，且不會引起糖的降解，該法可有效去除 70%~80%的木質素、水解 40%~60%的半纖維素，保留 95%的纖維素。SEM，X-ray 等分析表明ARP 處理對原料結晶區無影響，但使非結晶區發生了變化，材料孔隙度和表面積明顯增加，大大提高了酶解速率。總之鹼法中鹼耗量大，試劑需回收、中和、洗滌、工序多，應用於大規模生產還有待改進。
氧化處理即利用 O3 或 O2、H2O2 等氧化木質素分子，使其溶出，由此分離木質素和纖維素。常用的還有濕氧化法,即水與空氣/氧氣在 120℃以上與木質素中酚類物質反應並氧化苯丙烷單元側鏈上的烯鍵，溶解木質素，可保留 70%的纖維素。對半纖維素而言，該法主要是將半纖維素從固相轉移到液相，但並不催化液相中的半纖維素水解反應。反應過程產生一些副產物如糠醛及衍生物（如 HMF），對後續反應有一定抑製作用。
1.2.4 生物處理
可分解木質素的天然微生物大多是真菌類，主要有白腐菌、褐腐菌及軟腐菌，其中軟腐菌分解木質素能力較低，褐腐菌只能改變木質素結構但不能分解木質素，白腐菌分解木質素能力較強，能有效地選擇性的分解植物纖維中的木質素。生物法處理條件溫和、能耗低、無污染，但周期太長，而且微生物分解木質素的同時也能產生纖維素和半纖維素酶，影響得糖率，有待於通過基因工程或代謝工程選育選擇性更強的分解木質素的微生物。
總之，處理方法各異，視具體情況，可協調利用多種方法（組合法）以獲得更好效果。如蒸汽爆破法與鹼性過氧化物協同作用，微波處理與鹼同時作用，沸水處理與氨溶液處理聯用等均取得良好效果。預處理方法的選擇、工藝過程的設計及工藝參數的確定需要根據原料種類、預處理目的和要求而定，還需兼顧環境友好和低能耗原則。