有機酸及多元醇類低共熔溶劑預處理木質纖維素研究進展

竹源，齊本坤，梁欣泉,萬印華

(1.廣西大學 輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004；2.中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京 100190)

農業廢棄物秸稈、稻殼、蔗渣和木屑等木質纖維素作為非食用性生物質不僅貯量豐富，而且生長快、易獲得、價格低，極具開發應用價值[1-2]。這些木質纖維素經過化學或生物轉化不僅可以制備生物乙醇、生物丁醇等清潔能源，還可用于制備乳酸、聚氨酯等重要化工原料及生物基材料[3-4]。天然木質纖維素成分多樣、結構復雜，很難被酶或微生物降解利用。預處理可以打破木質纖維素的抗性屏障，增加酶對纖維素的可及性，促進纖維素的酶水解[5]。雖然研究學者對木質纖維素預處理已經進行了大量研究，并開發了微波、稀酸、稀堿、有機溶劑、汽爆等多種預處理方法，但現有的預處理方法仍存在著預處理效果差、污染環境、成本高等問題。低共熔溶劑(DES)是一種新型綠色溶劑，具有與傳統離子液體相似的特性，但與離子液體相比，DES具有原料來源多樣、制備簡單、價格低廉、生物相容性強、無毒或低毒性以及可生物降解等多重優勢[6]。近些年來，DES已在電化學、水處理、有機合成和生物煉制等諸多領域顯示出非常好的應用潛力[7-8]。在生物煉制領域，憑借著其對木質素和半纖維素的選擇性溶解能力，應用DES對木質纖維素進行預處理取得了許多重要研究進展。

1 低共熔溶劑的合成和性質

一般來說，合成DES的方法有三種方法，即加熱法、研磨法和旋轉蒸發法[9]。DES是由氫鍵受體和氫鍵供體組合形成的二元或三元透明液體共晶混合物[10]。最常用于制備DES的氫鍵受體是季銨鹽氯化膽堿，它具有成本低廉、易降解、無毒和原子利用率高等優點。最常用的氫鍵供體是有機酸(如乳酸、甲酸等)和多元醇(如乙二醇和甘油等)等物質，它們能與季銨鹽鹵陰離子之間形成氫鍵。氫鍵作用使電荷離域，導致混合物熔點相對于單個組分熔點降低。DES中氫鍵受體和氫鍵供體之間的氫鍵相互作用越大，則其熔點越低[11]。很多DES的熔點可以降低至室溫[12]。在室溫下，DES粘度高，導電性低。Emma L Smith等[11]用孔理論(Hole Theory)對此現象進行了解釋，即DES在熔化過程中，由于局部高密度熱量產生的波動使離子之間產生空穴。當體系溫度較低時，空穴的平均尺寸較小，再加上較大的離子尺寸，這使得離子遷移困難，因此造成其高粘度、低導電性的特性。DES的密度一般比水大，當溫度升高時，DES的密度會降低[13]。

2 DES在木質纖維素預處理中的應用

雖然文獻報道的用于木質纖維素預處理的DES有很多種，但如果按照氫鍵供體的結構進行分類，則最常用于生物質預處理的是有機酸和多元醇兩大類DES。下面分別就這兩大類DES預處理生物質、不同DES預處理效果比較以及這兩大類DES組合其他預處理等方面的研究進展展開論述。

2.1 有機酸類DES預處理生物質

有機酸類DES是以有機酸為氫鍵供體合成的一類DES。酸性DES能有效的去除木質素和半纖維素，大幅提高木質纖維素預處理殘渣的酶解糖化率，因而酸類DES被廣泛地用于處理各類木質纖維素。有機酸類DES中有機酸的結構和化學性質對預處理效果有顯著影響。Kohli等[14]以3種一元羧酸(乳酸、甲酸和乙酸)和兩種二元羧酸(草酸和蘋果酸)為氫鍵供體，以氯化膽堿為氫鍵受體合成了5種DES，在微波條件下，用于芒草和樺木預處理。結果發現，以甲酸為氫鍵供體的DES對芒草中木質素的去除能力最強，而以草酸為氫鍵供體的DES對樺木中木質素的去除效果最佳。說明DES對木質素的去除能力與氫鍵供體的種類以及纖維原料本身的性質高度相關。他們推斷酸性DES脫除木質素的機理是氫鍵供體中的質子(H+)催化斷裂木質素與多糖(纖維素和半纖維素)之間的醚鍵和/或酯鍵，導致木質素的脫除。由此可知，木質纖維素中的木質素的脫除能力與DES中質子的解離能力直接相關，而質子的解離能力又受到氫鍵供體與氫鍵受體之間的氫鍵強度影響。Tan等[15]詳細考察了氫鍵供體有機酸化學結構對氯化膽堿/有機酸DES預處理效果的影響。他們先對3種α-羥基有機酸(即乳酸、蘋果酸和檸檬酸)和氯化膽堿組成的DES(摩爾比1∶1)預處理提取油棕空果殼(oil palm empty fruit bunch)中的木質素進行了研究。發現由3種α-羥基有機酸合成的DES提取木質素的能力大小順序為：單羧酸乳酸>二羧酸蘋果酸>三羧酸蘋果酸。作者解釋到，有機酸中的羧酸基團數量越多，DES內部有機酸和氯化膽堿形成的氫鍵網絡也就越致密，由此導致DES溶劑具有更高的粘度和表面張力，而DES溶劑高粘度的特性會降低溶質的擴散性，降低木質素的提取效率。之后，他們又對5種線性飽和有機酸(即甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸和丁二酸)合成的DES預處理油棕空果殼提取木質素進行了考察，發現與單羧酸DES相比，二羧酸丁二酸DES的木質素提取能力最差，這與前面α-羥基有機酸DES的提取情況類似。當用單羧酸合成的DES預處理時，木質素提取效率大小順序為甲酸>乙酸>丙酸>正丁酸。作者分析到，烷基是供電子基團，隨著脂肪鏈長度的增加，有機羧酸羥基基團中氧的電子密度增加，氧和氫之間的氫鍵強度增強，而這會降低有機羧酸的電離強度，導致有機酸酸性減弱。因此，有機酸中脂肪鏈長度的增加會降低DES的質子強度，導致木質素提取效率下降。

除了氫鍵供體有機酸外，有機酸類DES中氫鍵受體的結構和化學性質對生物質預處理也有顯著影響。Ling等[16]以氯化膽堿、乙酰胺和甜菜堿為氫鍵受體，以乙酰丙酸為氫鍵供體，分別合成了3種DES用于毛竹預處理。他們發現毛竹經由氯化膽堿/乙酰丙酸DES預處理后，木質素去除率和預處理底物的酶解糖化率最高。他們認為氯化膽堿在DES中有助于快速溶解木質素，同時又可防止木質素在纖維素微纖維表面的沉積，但在DES回用過程中，由甜菜堿合成的DES的回用表現最好。經過3輪回用后，木質素去除率的下降幅度最低。Guo等[17]分別以三甲基芐基氯化銨和三乙基芐基氯化銨為氫鍵受體，以乳酸為氫鍵供體合成了兩種DES用于預處理玉米芯(140 ℃，2 h)。三甲基芐基氯化銨/乳酸DES的預處理性能優于三乙基芐基氯化銨/乳酸DES，前者對木聚糖和木質素的去除率分別達到80.8%和63.4%，預處理玉米芯的酶解糖化率達到94.0%。三乙基芐基氯化銨/乳酸DES較強的空間位阻和較弱的酸性可能是導致其預處理效果差的原因。

有機酸類DES對木質纖維素的預處理效果還與氫鍵受體與氫鍵供體之間的用量比及操作條件密切相關。Lin等[18]采用氯化膽堿和乳酸組成的DES對竹子殘渣進行預處理，發現增加預處理溫度(從110～130 ℃)或增加DES中氯化膽堿/乳酸摩爾比例(從2∶1增加到1∶8)，木聚糖和木質素去除率均顯著增加，但纖維素的保留率始終保持在92%以上。

2.2 多元醇類DES預處理木質纖維素

多元醇類DES是以甘油、乙二醇等多元醇作為氫鍵供體而合成的一類DES。在多元醇類DES中，游離的羥基可與木質素結構中的醚鍵相互作用，從而促進木質纖維素中木質素的去除[19]。與有機酸類DES類似，多元醇的化學結構對多元醇類DES的預處理效果影響顯著。Hou 等[19]以氯化膽堿為氫鍵受體，研究了由乙二醇、甘油和木糖醇3種含不同羥基數量的多元醇合成的DES對稻草預處理的影響。 他們發現隨著多元醇中羥基數量的增加，DES去除木質素和木聚糖的能力減弱。這是因為過多的羥基會使DES中氫鍵強度變大，從而形成高粘度且穩定的DES溶液，而這不利于DES溶解纖維原料中的木質素和半纖維素。隨后，他們又選取乙二醇、1,3-丙二醇和1,2-丙二醇3種不同鏈長的多元醇，考察了多元醇鏈長及羥基位置對DES預處理效果的影響，發現當多元醇中含有較長的烷基鏈時，DES對木質素的提取率增加。這是因為隨著多元醇中烷基鏈的延長，DES的疏水性增加，而這會導致DES與木質素之間的疏水相互作用增強，從而更有利于木質素的提取。

多元醇類DES預處理生物質過程中的反應溫度、固液比和反應時間等操作條件對預處理效果有不同程度的影響。Procentese等[20]在對氯化膽堿/甘油和氯化膽堿/乙二醇兩種DES預處理蘋果渣、土豆皮、咖啡銀皮和釀酒酒糟4種工農業食物垃圾的研究中發現：隨著預處理溫度(60～150 ℃)以及固液比(1∶8～1∶32)的增加，預處理殘渣的回收率、半纖維素以及木質素含量顯著降低，而預處理殘渣的酶解葡萄糖產率則顯著增加。

在各種多元醇中，甘油作為生物柴油合成過程中的主要副產物，是一種便宜的DES合成原料。很多研究學者對甘油類DES預處理生物質開展了廣泛研究。Procentese等[21]用甘油/氯化膽堿DES在150 ℃下預處理廢萵苣葉16 h后，酶解預處理底物的葡萄糖和木糖產率分別達到94.9%和75.0%。Kumar等[22]采用氯化膽堿/甘油(摩爾比1∶1)在121 ℃下預處理稻草15 min，木質素的去除率達到60%以上。但是一些學者在用甘油類DES預處理纖維原料時，發現其無法有效去除纖維原料中的半纖維素和木質素。Xia等[23]應用密度泛函理論、光譜表征和K-T溶劑變色法等對甘油類DES預處理效果差的原因進行了詳細研究，他們發現由于甘油和氯化膽堿在DES中形成了致密的氫鍵網絡，導致甘油類DES的質子活性不足和氫鍵接受能力差，無法有效催化木質素-碳水化合物復合物中化學鍵的斷裂并與之發生溶劑作用?；谒嵝远辔稽c配位理論，他們設計了AlCl3/氯化膽堿/甘油三組分DES。在此三元DES中，甘油通過其羥基與氯化膽堿以及三氯化鋁相互作用形成氯離子-金屬陽離子-甘油超分子復合物。該復合物的氫鍵接受能力和酸性均得到增強，因此能有效催化斷裂木質素-碳水化合物復合物中的醚鍵和氫鍵。在甘油類DES中引入AlCl3后，三元DES對木質素的去除能力從3.61%增加到95.46%。Guo等[24]采用3種雜多酸(磷鎢酸、磷鉬酸和硅鎢酸)提高氯化膽堿-甘油DES預處理性能。研究表明，硅鎢酸酸化的DES的預處理效果最好，木質素去除率達到89.5%，預處理底物的酶解率達到97.3%。Chen等[25]考察了硫酸酸化的氯化膽堿-乙二醇DES的預處理效果。在高達20%的底物濃度下，酸化DES對柳枝稷中木聚糖和木質素的去除率仍然分別達到75%和80%。當向酸化DES中分別添加10%和20%的水時，酸化DES去除木聚糖和木質素的能力并未受到顯著影響。由此可見，在多元醇類 DES體系中引入路易酸和布朗斯特酸等酸性物質可以極大提高多元醇類DES的預處理效果。

2.3 不同DES預處理比較

有些研究學者對有機酸和多元醇兩大類DES及其與其他類DES的預處理效果進行了比較，發現有機酸DES的預處理效果優于多元醇類DES(未酸化)，而這兩類DES的預處理效果顯著優于其他類DES預處理。Tan等[26]應用6種DES，即兩種酸性DES(氯化膽堿/乳酸DES和乳酸/葡萄糖DES)、兩種中性DES(氯化膽堿/葡萄糖DES和氯化膽堿/甘油DES)和兩種堿性DES(氯化膽堿/尿素DES和甘油/碳酸鈉DES)，對油棕空果殼進行了預處理研究，研究發現酸性DES的預處理最好，堿性DES次之，而中性DES的預處理效果最差。酸性氯化膽堿/乳酸DES分別能實現100%的半纖維素去除率以及88%的木質素去除率。Procentese 等[27]分別使用氯化膽堿/甘油、氯化膽堿/尿素和氯化膽堿/咪唑3種DES預處理玉米芯。結果表明，隨著預處理溫度的升高，3種DES 對木質素的去除率逐漸增加。玉米芯經氯化膽堿/甘油預處理后，其酶解葡萄糖產量最高。Mamilla等[28]以氯化膽堿為氫鍵受體,以草酸、氫氧化鉀、乳酸和尿素為氫鍵供體合成了4種DES用于預處理山毛櫸木(80 ℃，8 h)，發現山毛櫸木經氯化膽堿/草酸(摩爾比1∶2)和氯化膽堿/氫氧化鉀(摩爾比1∶4)預處理后的固體回收率比較低，進一步表征及測試發現氯化膽堿/草酸DES主要溶解底物中的木質素而保留纖維素，但氯化膽堿/氫氧化鉀DES則主要溶解底物中的纖維素而保留木質素。Kim等[29]獨辟蹊徑，以4種木質素衍生物鄰苯二酚、對羥基苯甲醇、香草醛、香豆酸為氫鍵供體,以氯化膽堿為氫鍵受體合成了4種DES，在160 ℃下預處理柳枝稷3 h，發現4種DES去除木質素的能力大小為：氯化膽堿/香豆酸(60.8%)>氯化膽堿/香草醛(52.5%)>氯化膽堿/鄰苯二酚(49.0%)>氯化膽堿/對羥基苯甲醇(0.4%)。由木質素來源的酚類化合物為原料合成DES，可以就地利用木質纖維素原料中的木質素組分，降低預處理劑的外購成本，實現閉環生物煉制。

2.4 DES組合預處理

采用兩種不同DES或將DES與其他理化預處理方法組合可以發揮兩種預處理方法的協同作用，實現最優的預處理效果。近年來，有些研究學者對有機酸或多元醇類DES組合預處理展開了研究。Xing等[30]考察了氯化膽堿/甲酸/乙酸雙氫鍵供體DES和碳酸鈉組合預處理對稻草的影響，發現稻草經組合預處理后的酶解糖產量比單獨DES預處理和單獨碳酸鈉預處理時分別高118%左右和54%左右。Hou等[31]采用蘋果酸/脯氨酸(MP)和氯化膽堿/尿素(CU)DES組合以及氯化膽堿/草酸(CO)和氯化膽堿/尿素(CU)DES組合預處理稻草，發現兩階段組合預處理中DES的使用順序顯著影響預處理效果，順序MP-CU組合預處理中由于第一階段酸性MP能使生物質膨脹，破壞木聚糖和木質素之間的結構鍵，從而有助于第二階段CU溶解木質素和木聚糖，因此，順序MP-CU組合的預處理效果顯著優于單獨MP或CO預處理以及順序CU-MP組合預處理。稻草經上述組合DES在優化條件預處理后，酶解葡萄糖產率達到90.2%。Fang等[32]使用組合的水熱和氯化膽堿/甘油DES預處理時，預處理底物的酶解糖產率與單獨使用水熱預處理時相比提高約68%。預處理殘渣中木質素、木聚糖及其來源的抑制物的去除是組合預處理優于水熱單獨預處理的主要原因。Tian等[33]先采用液態水預處理楊木，去除大部分半纖維素，然后再采用乳酸/氯化膽堿、乙酸/氯化膽堿和甲酸/氯化膽堿3種DES去除木質素獲得高反應活性的纖維素殘渣。Liu等[34]采用氯化膽堿/乳酸DES和細菌組合預處理稻草。稻草先經DES在140 ℃下預處理稻草8 h，然后再用細菌Pandoraeasp.B-6預處理3 d。稻草經組合預處理后的酶解還原糖產率比僅用DES預處理時提高152%。作者分析到，雖然DES預處理能去除大部分木質素，但被DES提取的木質素液滴會沉積到纖維素表面，阻止纖維素酶接觸并水解纖維素組分，細菌對木質素液滴的降解是組合預處理具有出色預處理效果的主要原因。

綜上所述，通過選擇不同的DES組合或DES與其他預處理方法的組合以及預處理順序，可以更高效的去除木質素，獲得更高的酶解糖產量，這對生物質預處理提供了新思路。

3 結論與展望

DES被認為是理想的木質纖維素預處理溶劑。到目前為止，雖然在DES預處理木質纖維素方面已取得了一些重要研究進展，但總體而言，此方面的研究仍處于起始階段，尚需開展以下幾個方面的研究，以進一步推動DES預處理的工業化應用。

(1)DES預處理機理及構效關系研究。已有文獻報道了組成DES的少數幾種氫鍵受體的結構對預處理效果的影響，但無法形成規律性的、有價值的認識。亟需深入探究DES理化性質(pH、導電性、粘度、疏水性、表面張力和極性等)及其組成氫鍵受體和供體的結構對木質纖維素三組分含量和結構的影響規律，這可為理性設計適用于木質纖維素預處理的DES提供理論基礎。

(2)DES重復使用影響因素研究。已有研究表明，DES在重復利用過程中其預處理效果會逐漸下降，因此，系統研究生物質預處理過程中影響DES重復使用的各種因素，進而采取對策，提高DES的循環利用次數，對降低DES預處理成本具有重要意義。

(3)DES木質素的分離及高值化利用。DES提取的木質素具有純度高、分子量低和化學活性高等特點。開發綠色節能的從木質纖維素DES預處理液高效分離木質素的技術，同時以DES木質素為原料制備各種高值化學品和功能材料，可為提高木質纖維素生物煉制的經濟性提供技術支撐。