（1）纤维素的高值化利用
目前，纤维素是制浆造纸工业的主要利用成分，主要的产品涉及纸浆，溶解浆以及后续的各种纸类产品，但是对半纤维素和木质素应用较少或者应用附加值不高。随着生物质精炼工业的兴起，国内外对纤维素类生物质资源的利用重点放在生物质乙醇技术方面，重视的是将生物质中纤维素和半纤维素组分全部转化为乙醇的能源化利用研究，但是我们应该清楚地意识到，纤维素转化为乙醇虽然从技术上可行，但是相比石油资源，成本和价格依旧较高，也就是说如果采用生物质资源仅生产纤维素乙醇从经济上并不划算。因此，相关的主要技术如下：
①应该充分利用纤维素大分子结晶区和无定形区的结构及反应性能差异性这一特点，根据市场的需求将纤维素转化为其他的高附加值产品。
②在未来生物质精炼过程中还需要关注纤维素大分子的聚集态结构，生产制备更多的纤维素产品，例如微晶纤维素（MCC）、纤维素纳米晶须（CNC）、纳米纤维素晶体（NCC）、纤维素纳米纤维（CNF）和基于纤维素改性或者交联的纤维素高值化材料（纤维素酯、醚衍生物及纤维素丝膜材料、凝胶材料、发光材料、传感材料等先进材料）。
③纤维素改性衍生材料的开发关键在于寻找理想的溶解体系，近些年科研人员开发了很多纤维素溶解体系，也在这些体系中进行了纤维素材料的制备和合成，拓展了纤维素的应用范围。目前发现离子液体是纤维素的良好溶剂，但是纤维素大分子的溶解问题从本质上仍未解决，未来需要科研人员发掘更多纤维素材料的潜在用途，进一步扩大纤维素产品的应用范围，以此来推动上游纤维素的不同溶解体系的发展。
（2）半纤维素的高值化利用
众多的研究报道表明，半纤维素及其功能衍生物可广泛用于造纸、食品、洗涤剂和制药等工业领域。在造纸工业，半纤维素衍生物可以用作纸张添加剂，以增加纸张强度并改善漂白效果。在食品工业，半纤维素可用作食品胶、增稠剂、黏合剂、环保食品包装膜等。在食品和生物制药行业，半纤维素可以用来制备食品药品级低聚糖，这同时也是目前规模化生产的半纤维素基产品的一个成功模式。此外，半纤维素也可以被用来生产新型药物载体，这些药物一般具有增强免疫能力、抑制恶性肿瘤或抗凝血能力。此外，在新型的生物质材料领域，半纤维素也被用来制作凝胶材料、抗菌材料、催化材料等。虽然半纤维素潜在用途众多，但是有市场前景的半纤维素高值化开发利用尚在探索研究中[9]。
目前，根据前期的研究基础，研究人员已经基于结构明确的半纤维素原料构建了半纤维素材料或者材料中间体，如各类智能水凝胶、药物载体、膜材料，这些材料的合成将会大大拓宽半纤维素的高值化利用途径及应用领域（见图4-5）。
图4-5 半纤维素基材料的构建及应用范围
未来在半纤维素材料方面可以开拓以下的材料：
①构建系列的酯化和醚化半纤维素中间体；
②构建半纤维素基系列水凝胶材料（pH、盐和有机溶剂三重响应的离子型智能水凝胶，温度敏感、光敏感水凝胶）；
③凝胶载体材料（纳米基因载体、疏水药物载体）；
⑤纳米颗粒催化剂材料（催化各类化学反应）；
⑥半纤维素复合材料（膜材料、纳米材料等）。
基于制浆造纸的半纤维素的高值化问题涉及以下几个科学问题：
①如果要将半纤维素以低聚糖的形式获得，那预水解（水热预处理）工艺需要根据不同的原料优化低聚糖的制备条件，实现低聚糖的高得率制备；
②如果后期要获得半纤维素的功能材料，首先要通过稀碱溶液处理木质纤维原料获得半纤维素大分子，再通过化学改性，如酯化、醚化以及接枝共聚这一系列的化学反应制备膜材料、水凝胶材料、吸附材料以及医药中间体或者药物载体。
总之，化学改性或衍生化为进一步开发利用半纤维素提供了新的机会。从半纤维素的化学改性转化成新型化工材料的研究开发现状来看，由于半纤维素是非均一性聚糖，其结构及连接方式的不同都会使反应体系、反应机理和结构之间的关系变得极为复杂。当前，由于半纤维素化学改性的反应机理、溶解机理、结构与性能的关系等基础理论研究不足，研究工作尚处于探索性阶段，其性能及成本与应用要求均尚有一定的距离。为了开发更多具有工业应用价值的技术和产品，仍需进行大量基础性和应用性的研究。(www.xing528.com)
（3）木质素的高值化利用
木质素可通过热化学转化、生物催化、化学催化等多种手段，用于制备各类生物能源、生物基材料及生物基化学品，美国能源部的西北太平洋国家实验室将木质素的利用分为近期、中期和远期三个阶段目标。
①近期目标——用于制备各类能源及能源化学品。木质素可通过热化学转化-化学催化转化或热化学转化-生物催化转化这2种级联手段，制备能源及能源化学品。例如，木质素首先通过热化学转化平台，经由热裂解途径制备生物油，再通过化学催化转化经由氢化裂解/加氢脱氧提质来制备轻质烯烃，可用于合成汽油或柴油组分。或将木质素直接气化制备合成气，用于合成甲醇或二甲醚，进一步可通过MTG途径合成汽油或MTO途径合成烯烃。
②中期目标——用于制备高附加值的高分子材料。尽管木质素作为高分子材料组分已被运用于如分散剂、乳化剂、胶黏剂等功能助剂的合成中，但在这些制备过程中木质素仅充当共混原料或经过简单的修饰改性（如磺化或羟甲基化）进行使用，产品的精细化程度及附加值均较低，未挖掘出木质素大分子潜在的价值。木质素分子自身结构的特殊性及其含有的多种活泼功能基团，使其可用于制备高附加值的高分子材料。例如，利用木质素分子中富含羟基及其高度的超分子结构特性，可通过直接共混或进一步修饰改性的方式，用于代替多元醇作为合成聚氨酯的原料。此外，活化的木质素可高比例地替代苯酚用于合成酚醛树脂胶黏剂，该技术已经广泛地用于木质素基环保胶黏剂的制备中。
③远期目标——制备芳香化学品。木质素由于其分子内部的天然芳环交联结构，成为自然界中唯一一种能够提供芳香化合物的可再生非化石资源，利用木质素降解生产芳香化学品无疑是未来木质素高值化利用的理想途径。
例如，挪威的Borregaard公司开发了以木质素或木质素磺酸盐为原料，制备香兰素的工艺，成为世界第二大的香兰素制造商和欧洲最大的香兰素供应商。然而，实现木质素制备芳香化学品这一远景目标前，仍存在着以下主要技术难题：
①高效高选择性的定向催化降解体系的构建；
②缺乏高效低成本的分离工艺。该方向是目前木质素利用基础研究领域的前沿和热门方向，涉及催化剂的设计、筛选和优化[9-10]。
木质素的后期转化和结构密切相关，将木质素用作一种中间体材料参与到高分子的合成，需要木质素具有较好的反应活性（更多的羟基含量）；如木质素作为原料制备芳环小分子，则需要木质素结构较为完整，芳基醚键含量高并且缩合度较低[9-10]。这些基础科学问题都是当前木质素高值化领域研究的热点和难点。总之，如何将生物质精炼中的木质素解离和后续的木质素高值化统一起来是当前的研究难点。
根据目前在木质素材料和化学品方面的研究结果，后期的研究工作还需要关注以下研究方面：
①活化或者改性木质素作为材料或材料中间体，如木质素基环保酚醛胶、改性环氧树脂胶、碳纤维等；
②作为共聚物的组分参与材料的合成，如木质素基聚氨酯和水凝胶；
④木质素的定向催化解聚，制备低分子化合物，如香草醛、紫丁香醛以及混合产物的分离和综合利用途径，或者采用针叶材木质素直接解聚制备香草醛；
⑤木质素以催化加氢的方式制备苯酚、苯酚衍生物、环烷类、乙酸等小分子化学品；
⑥采用催化加氢技术和链扩增手段将木质素转化为生物汽油；
⑦木质素基新型材料的设计及制备，如木质素基吸附剂材料、木质素基缓控释肥料、木质素-石墨烯共混材料、木质素电极材料、木质素碳材料和木质素表面活性剂等其他基于木质素的高值化产品。
这个领域目前发展较为迅速，相信更多的木质素基材料和化学品会被大规模开发和利用成功，真正实现木质素资源的高值化利用[9]。
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