水熱協(xié)同酸性低共熔溶劑對(duì)泡桐物化性質(zhì)及酶解效率的影響

中圖分類號(hào)：TS74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 05. 001

Effects of Combined Hydrothermal-acid DES Pretreatment on the Physicochemical Properties and Enzymatic Hydrolysis of Paulownia

CHEN Aini1 SUN Lili1 HAN Ying2 CAO Xuefei1 SUN Shaoni1，* （1. College of Materials Science and Technology，Beijing Key Lab of Lignocellulosic Chemistry，Beijing Forestry University， Beijing，100083；2. China National Pulp and Paper Research Institute Co.，Ltd.，Beijing，100102） （ ^*E -mail：sunshaoni@bjfu. edu. cn）

Abstract：The hydrothermal combined with acidic deep eutectic solvent（DES）treatments were used to pretreat Paulownia to obtain high xylose yield and enzymatic hydrolysis efficiency. Firstly，tartaric acid（TA）assisted hydrothermal pretreatment was utilized to treat Paulownia. The effects of temperature（120～160 ℃），time（15～120 min），and TA quality fraction（ 0～10% ）on xylose yield were investigated. Subsequently， the hydrothermal residue was subjected to post-treatment with deep eutectic solvent（DES）composed of choline chloride and lactic acid operat‐ ed at 90～150 °C for 2～8 h. The results show that the optimal hydrothermal pretreatment conditions were 140‰ ，60 min and quality fraction 4% TA，resulting in a maximum xylose yield of 80.5% . the combined hydrothermal and DES treatments effectively removed hemicellulose and lig‐ nin，leading to increased crystallinity，surface roughness，specific surface area and accessibility of the treated Paulownia. The optimal DES post-treatment conditions were determined to be 130‰ for ^6h . Under the optimal treatment conditions，the removal rates of hemicellulose and lignin reached 100% and 89.7% ，respectively，with a cellulose retention rate of 77.3% and an enzymatic hydrolysis efficiency of 85.2% ，which was 4.6 times higher than that of Paulownia.

Key words：hydrothermal pretreatment；deep eutectic solvent；Paulownia；xylose；enzymatic hydrolysis

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源需求持續(xù)增加，化石能源危機(jī)與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重[1]。在此背景下，探尋清潔、可再生的替代能源迫在眉睫[2]。木質(zhì)纖維素是一種可再生、儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好的生物質(zhì)資源，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成[3]。然而，由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及細(xì)胞壁組分物理《中國(guó)造紙》2025 年第 44 卷 第 5 期化學(xué)性質(zhì)的不均一性使其難以被充分利用。因此，采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理手段破壞木質(zhì)纖維素的天然抗降解屏障，對(duì)實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的高值化利用具有重要意義。

水熱預(yù)處理是一種綠色環(huán)保的處理技術(shù)，其利用高溫液態(tài)水產(chǎn)生水合氫離子，促進(jìn)半纖維素乙酰基團(tuán)脫落生成乙酸，形成酸性環(huán)境進(jìn)而引起半纖維素自水解，用于生產(chǎn)功能性糖和低聚糖[4-5]。然而，單一的水熱預(yù)處理無法有效去除木質(zhì)纖維素中抑制纖維素酶解糖化的木質(zhì)素組分，因此有必要對(duì)水熱預(yù)處理后的木質(zhì)纖維殘?jiān)M(jìn)行后處理以進(jìn)一步解構(gòu)木質(zhì)纖維原料。低共熔溶劑（DES）作為一種類離子液體的綠色化學(xué)溶劑，是由氫鍵受體和氫鍵供體按一定比例混合后形成的低溫共熔混合物，具有價(jià)格低廉、合成簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)[6]，能夠高效解離生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素，有效提高纖維素的酶解效率。根據(jù)氫鍵供體的酸堿性質(zhì)，DES可分為酸性、中性和堿性體系，其中酸性DES 在半纖維素和木質(zhì)素脫除方面具有優(yōu)異的性能[7]，特別是以有機(jī)酸為氫鍵供體時(shí)可以提供大量活性質(zhì)子，其能夠有效裂解木質(zhì)纖維素中不穩(wěn)定的化學(xué)鍵（如醚鍵和糖苷鍵），進(jìn)而促進(jìn)木質(zhì)素的分餾[8-9]。因此，本研究以泡桐為原料，探究水熱預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)木糖得率的影響，隨后采用酸性DES對(duì)水熱殘?jiān)M(jìn)行后處理脫除木質(zhì)素，探究了水熱協(xié)同酸性DES 處理對(duì)泡桐的物化特性、表面特性及纖維素酶解效率的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1. 1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑

泡桐采自海南，粉碎后篩分至40～60 目 （ 250～ 425μm ）；酒石酸（TA）、氯化膽堿（ChCl）、乳酸（LA） 和直接紅染料 （DR28），均為分析純，邁瑞達(dá)科技有限公司；乙酸鈉、乙酸、亞氯酸鈉和銅乙二胺溶液，均為分析純，上海麥克林生化科技有限公司；纖維素酶（CTec2， 100FPU/mL ），諾維信生物技術(shù)有限公司；吐溫80，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1. 2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

高 效 陰 離 子 交 換 色 譜 （ICS6000， Thermo FisherScientific Inc）；高效液相色譜法 （1260 Infinity II，Agi‐lent Technologies Inc）；傅里葉變換紅外光譜儀 （FT-IR，Nicolet iN10，Thermo Fisher Scientific Inc）；X 射線衍射儀 （XRD，D8 Advance，Bruker Corporation）；掃描電子顯微鏡 （SEM，Regulus 8100，Hitachi High-TechnologiesCorporation）；比表面積分析儀 （Kubo X1000，彼奧德電子技術(shù)有限公司）；紫外可見光分光光度計(jì)（TU1901，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）。

1. 3 DES溶液的配制

將一定量的TA 和去離子水加入到玻璃燒杯中攪拌形成透明均勻的TA 水溶液，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0 、 2% 、 4% 、 6% 和 10% 。此外，分別以ChCl 和LA為氫鍵受體和氫鍵供體，將二者按 1：10 的物質(zhì)的量比在玻璃燒杯中混合，在 90°C 條件下加熱直至形成透明澄清液體，即DES溶劑。

1. 4 水熱協(xié)同酸性DES預(yù)處理

將泡桐原料和TA水溶液以固液比 1：15 （ Π_g：Π_mL ）添加至高壓反應(yīng)釜并混合均勻，將混合物加熱至 120～ 160^°C 反應(yīng) 15～120min 。反應(yīng)結(jié)束后，通過真空抽濾將水熱殘?jiān)c預(yù)水解液分離，用去離子水充分洗滌殘?jiān)林行圆龈傻玫剿疅釟堅(jiān)黂-HP。收集預(yù)水解液用于測(cè)定木糖含量并計(jì)算得率。

將 水 熱 殘 渣 與 配 制 的 酸 性 DES 以 固 液 比1：15 （ Π_g：Π_mL ）置于高壓反應(yīng)釜中，在 90～150^°C 下反應(yīng) 2～8h 。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾分離殘?jiān)c反應(yīng)液并依次采用 60mL 體積分?jǐn)?shù) 50% 乙醇和 600mL 去離子水洗滌DES 后處理殘?jiān)林行圆龈桑脷堅(jiān)鼧悠窐?biāo)記為R-溫度-時(shí)間。收集洗滌液與反應(yīng)液混合并通過旋蒸蒸發(fā)乙醇得到懸濁液，離心并收集上清液后再次旋蒸去除水分，即為回收的DES 溶劑。按上述步驟循環(huán)使用3次探究ChCl/LA的循環(huán)性能。

1. 5 酶解糖化實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取 300mg 預(yù)處理前后的泡桐置于錐形瓶中，加入 15mL0.05mmol/L 乙酸鈉/乙酸緩沖液（ pH 值 ="4 . 8）和 0.045mL 纖維素酶，在密閉恒溫?fù)u床中以50°C 震蕩反應(yīng) 72h 。另外，將 6mg 吐溫80 添加到酶水解體系中優(yōu)化酶解效率。分別在6、12、24、48 和72h 時(shí)各取 100μL 上清液在沸水浴中靜置 5min 滅活用于葡萄糖含量測(cè)定。

1. 6 測(cè)試與表征

1. 6. 1 化學(xué)組分

泡桐、水熱預(yù)處理殘?jiān)八疅釁f(xié)同DES 處理殘?jiān)幕瘜W(xué)組成分析均采用美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）方法進(jìn)行測(cè)定[10]。

1. 6. 2 單糖含量

木糖和葡萄糖含量均采用高效陰離子交換色譜測(cè)定，CarboPac? PA20分析柱，流動(dòng)相為A： 100mmol/L NaOH/400 mmol/L NaCOOH；B：純水；C： 200mmol/L NaOH；D： 20mmol/LNaOH ，流速 0.4mL/min ，柱溫30^°C^[11] 。采用高效液相色譜法測(cè)定預(yù)水解液中糠醛濃度，色譜柱為UPLC T3，流動(dòng)相為 5mmol/LH₂S0₄ ，柱溫 65^°C 。

1. 6. 3 FT-IR 表征

采用FT-IR 采集處理前后泡桐的紅外譜圖，其中掃描范圍為 400～4000cm^-1 、分辨率為 4cm^-1 。

1. 6. 4 XRD表征

采用 測(cè)定處理前后泡桐的結(jié)晶度。掃描衍射角 2θ 范圍為 10^°～40^° ，掃描速度 2^°/min 。使用 Segal 法計(jì)算結(jié)晶度指數(shù)（ CrI ）[12]，具體見式（1）。

式中， I₀₀₂ 為（002）晶格最大衍射峰強(qiáng)度； I_am 為無定形區(qū)衍射散射峰強(qiáng)度。

晶粒尺寸采用 Scherrer 方程計(jì)算[12]，見式（2）。

式中， L_hkl 為垂直于 晶面的微晶尺寸， nm ； λ 為入射 ΔX 射線波長(zhǎng)， nm ； θ 為入射 ΔX 射線與原子平面間夾角， ）； β 為衍射線增寬， Ξ（Λ^°） ； K 為 Scherer 常數(shù)，取 0.94 。

1. 6. 5 SEM表征

將處理前后的泡桐原料黏附在導(dǎo)電膠帶上，并進(jìn)行噴金處理，采用SEM 觀察處理前后樣品的微觀形貌。

1. 6. 6 BET和可及度

通過比表面積分析儀解析處理前后泡桐原料的比表面積變化和孔結(jié)構(gòu)特征。將處理前后的泡桐原料在120^°C 下進(jìn)行脫氣處理 ^2h 后，在液氮溫度 -196^°C 的條件下，對(duì)樣品進(jìn)行氮?dú)馕摳綔y(cè)試并通過BET 模型分析比表面積、孔容和孔徑[13]。

采用直接紅染料（DR28）吸附法確定處理前后泡桐的可及度[14]。稱取一定量的直接紅染料與去離子水混合配制質(zhì)量濃度為5、10、20、30、40、 50mg/L 的直接紅水溶液。將 0.2g 處理前后的泡桐原料與20mL 不同濃度的直接紅水溶液混合，放入密閉恒溫?fù)u床，并在 50°C 下震蕩 24h 達(dá)到吸附平衡，冷卻至室溫后，通過離心分離上清液并使用紫外可見光分光光度計(jì)在 498nm 下，測(cè)量吸光度。利用Langmuir 吸附等溫線計(jì)算吸附量并以此表示可及度。

1. 6. 7 聚合度和保水值

為減少木質(zhì)素對(duì)聚合度和保水值的影響，將泡桐和水熱殘?jiān)黂-HP用質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1.5% 的亞氯酸鈉水溶液在 80^°C 下進(jìn)行 ^8h 漂白處理，分別記作漂白泡桐和漂白R(shí)-HP。

根據(jù)ASTM D1795，將漂白泡桐、漂白R(shí)-HP和協(xié)同處理殘?jiān)黂 溶解在銅乙二胺溶液中，聚合度（DP）的計(jì)算如式（3）所示。其中 [η] 是根據(jù)ASTM D1795法使用烏氏黏度計(jì)測(cè)定的特性黏度， dL/g 。

DP^0.906=0.75[η]

根據(jù) TAPPI-256 測(cè)定漂白泡桐、漂白 R-HP 和協(xié)同處理殘?jiān)黂 的保水值（WRV），將 0.5g 上述樣品置于離心管中，并在過量蒸餾水中浸泡過夜。隨后，將浸泡過的混合物以 9000r/min 離心 5min ，稱量濕樣品質(zhì)量記作 m₁ 。在 105^°C 下將濕樣品干燥 6h 后測(cè)定質(zhì)量記作 m₂ ，WRV的計(jì)算如式（4）所示。

2 結(jié)果與討論

2. 1 水熱預(yù)處理水解液中糖含量測(cè)定

木質(zhì)纖維素中半纖維素組分的糖苷鍵對(duì)酸較敏感，在添加了少量有機(jī)酸的水熱處理過程中易斷裂，促進(jìn)半纖維素大分子降解轉(zhuǎn)化成低聚糖或單糖。本研究以TA 為催化劑，研究了水熱預(yù)處理過程中處理溫度、時(shí)間和TA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)預(yù)水解液中葡萄糖、木糖、糠醛得率的影響（表1），由表1可知，葡萄糖得率和糠醛得率較低，范圍分別為 1.2%～6.1% 和 0～16.8% ；木糖得率較高，范圍為 0.3%80.5% 。當(dāng)處理時(shí)間為60min 、TA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4% 時(shí)，處理溫度從 120^°C 升高至 140°C ，預(yù)水解液中木糖得率從 15.4% 增加至80.5% ，這是因?yàn)轶w系中的水合氫離子的數(shù)量和活躍程度隨著溫度的上升而增加，使得半纖維素更易發(fā)生水解并轉(zhuǎn)化成木糖[15]。然而，進(jìn)一步升高溫度至 150～ 160°C ，木糖得率下降至 63.0%～77.9% ，這可能是由于反應(yīng)條件過于劇烈，木糖發(fā)生了異構(gòu)化反應(yīng)而進(jìn)一步降解[16]。控制處理溫度為 140°C 、TA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% 時(shí)，發(fā)現(xiàn)木糖得率隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)也呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，在 140°C 、 60min 時(shí)木糖得率最高為80.5% 。隨后，探究了TA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)木糖得率的影響。當(dāng)水熱處理過程中沒有添加TA 時(shí)，預(yù)水解液中的木糖得率僅為 0.3% ；當(dāng)TA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 2% ～10% 時(shí)，木糖得率大幅度上升至 64.3%～80.5% 。當(dāng)TA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4% 時(shí)，木糖得率達(dá)到最大，說明TA對(duì)木糖得率的影響顯著，這是由于適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)酸參與反應(yīng)可以增加反應(yīng)體系的酸性，促進(jìn)半纖維素中糖苷鍵的水解[17]。總體而言，當(dāng)反應(yīng)條件為 140^°C 、60min 、質(zhì)量分?jǐn)?shù) 4% 的TA 添加量時(shí)，泡桐中半纖維素轉(zhuǎn)化為木糖的得率最高為 80.5% 。

2. 2 水熱協(xié)同酸性DES預(yù)處理殘?jiān)慕M分分析

由TA 催化的水熱預(yù)處理能夠有效實(shí)現(xiàn)泡桐中半纖維素轉(zhuǎn)化為木糖，而木質(zhì)素組分仍殘留在水熱處理殘?jiān)邢拗屏死w維素的酶水解，故采用ChCl/LA 對(duì)水熱殘?jiān)M(jìn)行后處理以脫除其中的木質(zhì)素。泡桐、水熱殘?jiān)虳ES 后處理殘?jiān)慕M分分析如表2 所示。由表2 可知，水熱處理泡桐后R-HP 中纖維素和木質(zhì)素含量變化不大，半纖維素含量由原料中的 13.0% 降為1.8% ，其去除率達(dá) 86.3% 。經(jīng)水熱協(xié)同酸性DES 處理后，半纖維素和木質(zhì)素的去除率分別為 100% 和31.7%～89.7% 。當(dāng)在 90°C 和 110°C 進(jìn)行DES 處理時(shí)，延長(zhǎng)預(yù)處理時(shí)間，纖維素保留率稍有下降，木質(zhì)素去除率增加，但仍有 30.4%～68.3% 殘留在DES 殘?jiān)小＿M(jìn)一步升高DES 處理溫度至130 和 150°C ，木質(zhì)素去除率明顯增加至 73.0%～89.7% 。這歸因于較高溫度下DES黏度下降，增加了DES在水熱殘?jiān)械臐B透，加速了木質(zhì)素分子間氫鍵斷裂，促進(jìn)了木質(zhì)素脫除[18]。值得注意的是，反應(yīng)條件為 130°C 、 時(shí)，木質(zhì)素去除率最高為 89.7% ，纖維素保留率為 77.3% 。結(jié)果表明，水熱協(xié)同酸性DES 預(yù)處理能有效將泡桐原料中的半纖維素轉(zhuǎn)化為木糖，并將木質(zhì)素高效解離出來，有利于后續(xù)纖維殘?jiān)拿杆狻?/p>

表1 TA輔助水熱預(yù)處理對(duì)預(yù)水解液組分的影響

為了評(píng)估DES 的可循環(huán)性，采用ChCl/LA 對(duì)水熱殘?jiān)?130°C 、 6h 下進(jìn)行了3 次循環(huán)處理，見表2。由表2可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，木質(zhì)素去除率由89.7% 降為 60.8% ，這歸因于回收的DES 中氫鍵相互作用減少以及黏度增大使得預(yù)處理性能有所下降，木質(zhì)素的去除能力減弱[19]。同時(shí)，纖維素保留率保持在77% 以上。可見，雖然ChCl/LA 解構(gòu)生物質(zhì)的性能隨著循環(huán)次數(shù)增加出現(xiàn)了一定程度的減弱，但仍可以去除泡桐原料中大部分木質(zhì)素且保留纖維素組分。

2. 3 FT-IR 分析

采用紅外光譜對(duì)處理前后泡桐原料的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如圖1 所示。由圖1 可知， 1 239cm^-1 處的吸收峰代表半纖維素C—O 彎曲振動(dòng)，在水熱預(yù)處理后該特征峰基本消失，這歸因于大量半纖維素的去除[20]。1600cm^-1 、 1505cm^-1 和 1462cm^-1 處的吸收峰是木質(zhì)素的芳香骨架特征峰，水熱協(xié)同酸性DES 預(yù)處理后的殘?jiān)鼧悠分校@些峰強(qiáng)度均有所下降，且隨著處理溫度增加而降低，這與木質(zhì)素的脫除有關(guān)，該趨勢(shì)與ChCl/LA 處理前后水熱殘?jiān)瘜W(xué)成分（表1）的變化一致[21]。 1 113cm^-1 和 1162cm^-1 處的特征峰對(duì)應(yīng)于纖維素中 _β-1，4 糖苷鍵的C—O—C伸縮振動(dòng)[22]。ChCl/LA處理后二者的峰強(qiáng)隨處理強(qiáng)度加劇呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這是由于殘?jiān)鼧悠分欣w維素的相對(duì)含量增加引起的。

2. 4 XRD分析

采用XRD 對(duì)處理前后泡桐的結(jié)晶度和（002）晶面結(jié)晶尺寸進(jìn)行表征，以進(jìn)一步分析水熱協(xié)同ChCl/LA處理對(duì)泡桐結(jié)晶區(qū)纖維素比例和晶粒大小的影響，如圖2 所示。由圖2 可知，預(yù)處理前后泡桐在 2θ=16^° 和22^° 處均有明顯的衍射峰，說明泡桐的纖維素I型結(jié)構(gòu)沒有改變[23]。泡桐的CrI 值和（002）晶面結(jié)晶尺寸分別為 44.9% 和 5.33nm ，而水熱處理后殘?jiān)黂-HP 的CrI值和（002）晶面結(jié)晶尺寸分別增至 51.6% 和 5.52nm ，這主要與水熱預(yù)處理過程中半纖維素的大量脫除和無定形區(qū)纖維素的降解有關(guān)。當(dāng)R-HP 經(jīng)ChCl/LA 處理后，所得殘?jiān)?CrI 值和 002 晶面結(jié)晶尺寸升至53.5%～55.6% 和 5.61～5.67nm ，這是因?yàn)?ChCl/LA 處理有效去除了R-HP 中的木質(zhì)素組分。需要指出的是，隨著ChCl/LA 處理溫度的增加，協(xié)同處理后殘?jiān)腃rI 呈現(xiàn)先增后降的變化，而（002）晶面結(jié)晶尺寸緩慢增加。當(dāng)ChCl/LA 處理溫度在 130^°C 和 150°C 時(shí)，處理后泡桐殘?jiān)谢瘜W(xué)組分的相對(duì)含量和（002）晶面結(jié)晶尺寸變化不大，從 5.66nm 增加到 5.67nm ，纖維素結(jié)晶度發(fā)生明顯變化，分別為 55.6% 和 53.5% ，表明高溫ChCl/LA 處理破壞了泡桐部分結(jié)晶區(qū)纖維素，使其轉(zhuǎn)化為無定形纖維素。

表2 水熱協(xié)同DES預(yù)處理對(duì)泡桐化學(xué)組分的影響

Table 2 Effects of synergistic hydrothermal-DES pretreatment on chemical compositions of Paulownia

圖1 水熱協(xié)同DES預(yù)處理前后泡桐的FT-IR譜圖Fig. 1 FT-IR spectra of Paulownia before and aftersynergistic hydrothermal-DES pretreatment

2. 5 SEM分析

采用SEM 對(duì)處理前后泡桐的表面形貌進(jìn)行了表征，如圖3 所示。由圖3 可知，泡桐表面光滑平整，水熱處理后泡桐R-HP 表面變得粗糙，出現(xiàn)少量纖維碎片，這歸因于半纖維素被大量去除[24]。水熱協(xié)同ChCl/LA 處理后泡桐纖維碎片化程度加劇，特別是當(dāng)ChCl/LA 處理溫度在 130^°C 和 150°C 時(shí)，其纖維明顯縮短，呈現(xiàn)出大量不規(guī)則的絲狀碎片，這是因?yàn)镈ES預(yù)處理過程中去除了大量木質(zhì)素，同時(shí)纖維發(fā)生潤(rùn)脹并斷裂。水熱協(xié)同酸性DES 預(yù)處理有效破壞了泡桐的天然致密結(jié)構(gòu)，有利于纖維素酶與纖維素的結(jié)合，從而促進(jìn)了酶解反應(yīng)進(jìn)行[25]。

圖2 水熱協(xié)同DES預(yù)處理前后泡桐的XRD譜圖

圖3 水熱協(xié)同DES預(yù)處理前后泡桐的SEM圖

Fig. 3 SEM images of Paulownia before and after synergistic hydrothermal-DES pretreatment

2. 6 BET 和可及度分析

水熱協(xié)同DES 預(yù)處理前后泡桐原料的比表面積、孔容、孔徑和可及度如表3所示。由表3可知，與泡桐相比，水熱處理后殘?jiān)黂-HP的比表面積、孔容、孔徑和可及度均有所增加。當(dāng)R-HP經(jīng)ChCl/LA處理后，泡桐細(xì)胞壁中的半纖維素和木質(zhì)素大量降解和溶出，使得協(xié)同處理后所得殘?jiān)谋缺砻娣e和可及度均顯著提升，且孔容和孔徑也有所增加。當(dāng)ChCl/LA 處理在130^°C 時(shí)，殘?jiān)黂-130-6的比表面積、孔容、孔徑和可及度均達(dá)到最大，分別為 2.64m²/g 、 0.023cm³/g 、3.63nm 和 3.65mg/g 。而在 150°C 時(shí)，殘?jiān)?R-150-6 的比表面積、孔容、孔徑和可及度均有所降低，可能是由于高溫ChCl/LA 處理導(dǎo)致殘?jiān)牟糠侄嗫捉Y(jié)構(gòu)發(fā)生了塌陷。

表3 水熱協(xié)同DES預(yù)處理對(duì)泡桐比表面積、孔容、孔徑和可及度的影響Table 3 Effects of synergistic hydrothermal-DES pretreatment on the specific surface area， pore volume， pore size， andaccessibility of Paulownia

2. 7 聚合度和保水值分析

表4為水熱協(xié)同DES 預(yù)處理對(duì)泡桐聚合度和保水值的影響。由表4可知，由于預(yù)處理過程中纖維表面發(fā)生輕微破壞，漂白R(shí)-HP相比于漂白泡桐原料其DP從 1 082 降至 946。當(dāng) R-HP 經(jīng) ChCl/LA 處理后，部分纖維素發(fā)生降解導(dǎo)致DP 進(jìn)一步降至679～759，但數(shù)值仍較高，表明纖維素大分子結(jié)構(gòu)未被嚴(yán)重破壞，具有后續(xù)衍生化反應(yīng)的良好潛力。

表4 水熱協(xié)同DES預(yù)處理對(duì)泡桐聚合度和保水值的影響 Table 4 Effects of synergistic hydrothermal-DES pretreat? ment on DP and WRV of Paulownia

纖維素保水值WRV 的變化與纖維表面親水羥基數(shù)與比表面積相關(guān)。由表4 可知，漂白泡桐的WRV為 114% ，漂白R(shí)-HP的WRV略微增至 115% ，這可能是由于經(jīng)水熱預(yù)處理后泡桐的比表面積稍有增加引起的（表2）。同時(shí)，協(xié)同預(yù)處理后殘?jiān)黂 的WRV 增加到 125%～158% ，可能與殘?jiān)鼧悠返谋缺砻娣e和纖維素的親水性末端基團(tuán)數(shù)量有關(guān)。

2. 8 殘?jiān)附庑史治?/p>

泡桐和協(xié)同處理殘?jiān)拿附庑嗜鐖D4 所示。由圖4可知，經(jīng) 72h 酶解后泡桐的酶解效率為 18.7% ，水熱處理后殘?jiān)黂-HP 的酶解效率稍有增加，為 21.8% ，表明水熱處理即使有效去除了泡桐中的半纖維素組分，但對(duì)酶解效率影響不大，主要是由于水熱處理后殘?jiān)谋砻嫘蚊沧兓幻黠@，且比表面積、孔徑大小及可及度也未明顯增加。經(jīng)水熱協(xié)同ChCl/LA 處理后殘?jiān)拿附庑试鲋?32.7%～60.8% ，特別是R-130-6的酶解效率最高，為泡桐的3.3倍。這表明水熱協(xié)同ChCl/LA對(duì)提高纖維素的酶解效率有一定的效果，源于處理過程中木質(zhì)素的大量去除，泡桐原料的抗降解屏障作用被破壞，纖維素酶的可及性提高。添加吐溫80后，R-130-6 的 ^72h 酶解效率顯著提升至 85.2% ，為泡桐的4.6倍，這歸因于吐溫80能降低酶解過程殘余木質(zhì)素對(duì)酶的非特異性吸附。

2. 9 物質(zhì)平衡分析

圖4 水熱協(xié)同DES預(yù)處理前后泡桐的酶解效率 Fig. 4 Enzymatic hydrolysis efficiency of Paulownia before and after synergistic hydrothermal-DES pretreatment

圖5 物質(zhì)平衡

Fig. 5 Mass balance

圖5 為本研究的物質(zhì)平衡分析。由圖5 可知，以100.0g 泡桐為例進(jìn)行物質(zhì)平衡計(jì)算，其中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為 44.7g 、 13.0g 和31.6g 。泡桐經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù) 4% TA、 140°C 處理 60min 后，預(yù)水解液含 10.6g 木糖、 2.0g 葡萄糖和 0.6g 糠醛，且可回收 72.7g 水熱殘?jiān)黂-HP，其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別降為 41.6g 、 1.8g 和 27.4g_? 。隨后采用 ChCl/LA 在 130°C 、 6h 條件下處理R-HP，發(fā)現(xiàn)協(xié)同處理殘?jiān)黂-130-6 中 34.5g 纖維素被保留下來，半纖維素被完全脫除，木質(zhì)素含量降至 2.9g_? 。半纖維素和木質(zhì)素的大量脫除有利于纖維殘?jiān)暮罄m(xù)酶解發(fā)酵，R-130-6經(jīng) 50°C 、 72h 酶解后可得到 29.4g 葡萄糖。

3 結(jié) 論

本研究采用水熱協(xié)同酸性DES 預(yù)處理的方法對(duì)泡桐進(jìn)行解構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)半纖維素和纖維素高效轉(zhuǎn)化利用。

3. 1 以酒石酸（TA）作為催化劑對(duì)泡桐進(jìn)行水熱預(yù)處理，探究了溫度、時(shí)間和TA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)木糖得率的影響。發(fā)現(xiàn)在 140°C 、 60min 、質(zhì)量分?jǐn)?shù) 4% TA 的條件下，木糖得率達(dá) 80.5% ，同時(shí)保留了大部分木質(zhì)素和纖維素。水熱殘?jiān)黂-HP 經(jīng)ChCl/LA 后處理，殘?jiān)邪肜w維素去除率和木質(zhì)素去除率分別達(dá) 100% 和89.7% ，且纖維素保留率為 77.3% 。同時(shí)，ChCl/LA 具有良好的可循環(huán)性，循環(huán)3次仍可有效去除木質(zhì)素并保留纖維素組分。

3. 2 利用多種表征手段和直接紅染料吸附法，對(duì)處理前后泡桐的結(jié)構(gòu)特性、表面形態(tài)、比表面積和可及度進(jìn)行了深入的分析研究。結(jié)果表明，水熱協(xié)同酸性DES預(yù)處理能高效去除泡桐中半纖維素和木質(zhì)素，使泡桐結(jié)構(gòu)被破壞，纖維素的結(jié)晶度、比表面積、可及度和保水值分別從 44.9% 、 1.23m²/g 、 1.74mg/g 和 114% 升高至 51.6%～55.6% 、 1.42～2.64m²/g 、 2.31～3.65mg/g 和125%～158% 。

3. 3 水熱協(xié)同酸性DES 預(yù)處理能夠有效提高泡桐酶解效率，從泡桐的 18.7% 提高到 60.8% ，是泡桐的3. 3倍。酶水解體系中吐溫80的添加使其酶解效率進(jìn)一步提高至 85.2% ，為泡桐的4. 6倍。

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（責(zé)任編輯：蔡 慧）