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Paës，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。
