竹源，齊本坤，梁欣泉,萬印華

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈、稻殼、蔗渣和木屑等木質(zhì)纖維素作為非食用性生物質(zhì)不僅貯量豐富，而且生長快、易獲得、價(jià)格低，極具開發(fā)應(yīng)用價(jià)值[1-2]。這些木質(zhì)纖維素經(jīng)過化學(xué)或生物轉(zhuǎn)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(zhì)纖維素成分多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難被酶或微生物降解利用。預(yù)處理可以打破木質(zhì)纖維素的抗性屏障，增加酶對纖維素的可及性，促進(jìn)纖維素的酶水解[5]。雖然研究學(xué)者對木質(zhì)纖維素預(yù)處理已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并開發(fā)了微波、稀酸、稀堿、有機(jī)溶劑、汽爆等多種預(yù)處理方法，但現(xiàn)有的預(yù)處理方法仍存在著預(yù)處理效果差、污染環(huán)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(tǒng)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(jià)格低廉、生物相容性強(qiáng)、無毒或低毒性以及可生物降解等多重優(yōu)勢[6]。近些年來，DES已在電化學(xué)、水處理、有機(jī)合成和生物煉制等諸多領(lǐng)域顯示出非常好的應(yīng)用潛力[7-8]。在生物煉制領(lǐng)域，憑借著其對木質(zhì)素和半纖維素的選擇性溶解能力，應(yīng)用DES對木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理取得了許多重要研究進(jìn)展。

1 低共熔溶劑的合成和性質(zhì)

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(zhuǎn)蒸發(fā)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(yōu)點(diǎn)。最常用的氫鍵供體是有機(jī)酸(如乳酸、甲酸等)和多元醇(如乙二醇和甘油等)等物質(zhì)，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(dǎo)致混合物熔點(diǎn)相對于單個(gè)組分熔點(diǎn)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(diǎn)越低[11]。很多DES的熔點(diǎn)可以降低至室溫[12]。在室溫下，DES粘度高，導(dǎo)電性低。Emma L Smith等[11]用孔理論(Hole Theory)對此現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，即DES在熔化過程中，由于局部高密度熱量產(chǎn)生的波動(dòng)使離子之間產(chǎn)生空穴。當(dāng)體系溫度較低時(shí)，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(dǎo)電性的特性。DES的密度一般比水大，當(dāng)溫度升高時(shí)，DES的密度會(huì)降低[13]。

2 DES在木質(zhì)纖維素預(yù)處理中的應(yīng)用

雖然文獻(xiàn)報(bào)道的用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理的DES有很多種，但如果按照氫鍵供體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，則最常用于生物質(zhì)預(yù)處理的是有機(jī)酸和多元醇兩大類DES。下面分別就這兩大類DES預(yù)處理生物質(zhì)、不同DES預(yù)處理效果比較以及這兩大類DES組合其他預(yù)處理等方面的研究進(jìn)展展開論述。

2.1 有機(jī)酸類DES預(yù)處理生物質(zhì)

有機(jī)酸類DES是以有機(jī)酸為氫鍵供體合成的一類DES。酸性DES能有效的去除木質(zhì)素和半纖維素，大幅提高木質(zhì)纖維素預(yù)處理殘?jiān)拿附馓腔剩蚨犷怐ES被廣泛地用于處理各類木質(zhì)纖維素。有機(jī)酸類DES中有機(jī)酸的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)對預(yù)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(yù)處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以甲酸為氫鍵供體的DES對芒草中木質(zhì)素的去除能力最強(qiáng)，而以草酸為氫鍵供體的DES對樺木中木質(zhì)素的去除效果最佳。說明DES對木質(zhì)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(zhì)高度相關(guān)。他們推斷酸性DES脫除木質(zhì)素的機(jī)理是氫鍵供體中的質(zhì)子(H+)催化斷裂木質(zhì)素與多糖(纖維素和半纖維素)之間的醚鍵和/或酯鍵，導(dǎo)致木質(zhì)素的脫除。由此可知，木質(zhì)纖維素中的木質(zhì)素的脫除能力與DES中質(zhì)子的解離能力直接相關(guān)，而質(zhì)子的解離能力又受到氫鍵供體與氫鍵受體之間的氫鍵強(qiáng)度影響。Tan等[15]詳細(xì)考察了氫鍵供體有機(jī)酸化學(xué)結(jié)構(gòu)對氯化膽堿/有機(jī)酸DES預(yù)處理效果的影響。他們先對3種α-羥基有機(jī)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(yù)處理提取油棕空果殼(oil palm empty fruit bunch)中的木質(zhì)素進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)由3種α-羥基有機(jī)酸合成的DES提取木質(zhì)素的能力大小順序?yàn)椋簡昔人崛樗?二羧酸蘋果酸>三羧酸蘋果酸。作者解釋到，有機(jī)酸中的羧酸基團(tuán)數(shù)量越多，DES內(nèi)部有機(jī)酸和氯化膽堿形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)也就越致密，由此導(dǎo)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(huì)降低溶質(zhì)的擴(kuò)散性，降低木質(zhì)素的提取效率。之后，他們又對5種線性飽和有機(jī)酸(即甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸和丁二酸)合成的DES預(yù)處理油棕空果殼提取木質(zhì)素進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)與單羧酸DES相比，二羧酸丁二酸DES的木質(zhì)素提取能力最差，這與前面α-羥基有機(jī)酸DES的提取情況類似。當(dāng)用單羧酸合成的DES預(yù)處理時(shí)，木質(zhì)素提取效率大小順序?yàn)榧姿?乙酸>丙酸>正丁酸。作者分析到，烷基是供電子基團(tuán)，隨著脂肪鏈長度的增加，有機(jī)羧酸羥基基團(tuán)中氧的電子密度增加，氧和氫之間的氫鍵強(qiáng)度增強(qiáng)，而這會(huì)降低有機(jī)羧酸的電離強(qiáng)度，導(dǎo)致有機(jī)酸酸性減弱。因此，有機(jī)酸中脂肪鏈長度的增加會(huì)降低DES的質(zhì)子強(qiáng)度，導(dǎo)致木質(zhì)素提取效率下降。

除了氫鍵供體有機(jī)酸外，有機(jī)酸類DES中氫鍵受體的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)對生物質(zhì)預(yù)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(yù)處理。他們發(fā)現(xiàn)毛竹經(jīng)由氯化膽堿/乙酰丙酸DES預(yù)處理后，木質(zhì)素去除率和預(yù)處理底物的酶解糖化率最高。他們認(rèn)為氯化膽堿在DES中有助于快速溶解木質(zhì)素，同時(shí)又可防止木質(zhì)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(xiàn)最好。經(jīng)過3輪回用后，木質(zhì)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(yù)處理玉米芯(140 ℃，2 h)。三甲基芐基氯化銨/乳酸DES的預(yù)處理性能優(yōu)于三乙基芐基氯化銨/乳酸DES，前者對木聚糖和木質(zhì)素的去除率分別達(dá)到80.8%和63.4%，預(yù)處理玉米芯的酶解糖化率達(dá)到94.0%。三乙基芐基氯化銨/乳酸DES較強(qiáng)的空間位阻和較弱的酸性可能是導(dǎo)致其預(yù)處理效果差的原因。

有機(jī)酸類DES對木質(zhì)纖維素的預(yù)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(guān)。Lin等[18]采用氯化膽堿和乳酸組成的DES對竹子殘?jiān)M(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)增加預(yù)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(zhì)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(yù)處理木質(zhì)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(zhì)素結(jié)構(gòu)中的醚鍵相互作用，從而促進(jìn)木質(zhì)纖維素中木質(zhì)素的去除[19]。與有機(jī)酸類DES類似，多元醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)對多元醇類DES的預(yù)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(shù)量的多元醇合成的DES對稻草預(yù)處理的影響。 他們發(fā)現(xiàn)隨著多元醇中羥基數(shù)量的增加，DES去除木質(zhì)素和木聚糖的能力減弱。這是因?yàn)檫^多的羥基會(huì)使DES中氫鍵強(qiáng)度變大，從而形成高粘度且穩(wěn)定的DES溶液，而這不利于DES溶解纖維原料中的木質(zhì)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(yù)處理效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)多元醇中含有較長的烷基鏈時(shí)，DES對木質(zhì)素的提取率增加。這是因?yàn)殡S著多元醇中烷基鏈的延長，DES的疏水性增加，而這會(huì)導(dǎo)致DES與木質(zhì)素之間的疏水相互作用增強(qiáng)，從而更有利于木質(zhì)素的提取。

多元醇類DES預(yù)處理生物質(zhì)過程中的反應(yīng)溫度、固液比和反應(yīng)時(shí)間等操作條件對預(yù)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(yù)處理蘋果渣、土豆皮、咖啡銀皮和釀酒酒糟4種工農(nóng)業(yè)食物垃圾的研究中發(fā)現(xiàn)：隨著預(yù)處理溫度(60～150 ℃)以及固液比(1∶8～1∶32)的增加，預(yù)處理殘?jiān)幕厥章?、半纖維素以及木質(zhì)素含量顯著降低，而預(yù)處理殘?jiān)拿附馄咸烟钱a(chǎn)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(chǎn)物，是一種便宜的DES合成原料。很多研究學(xué)者對甘油類DES預(yù)處理生物質(zhì)開展了廣泛研究。Procentese等[21]用甘油/氯化膽堿DES在150 ℃下預(yù)處理廢萵苣葉16 h后，酶解預(yù)處理底物的葡萄糖和木糖產(chǎn)率分別達(dá)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(yù)處理稻草15 min，木質(zhì)素的去除率達(dá)到60%以上。但是一些學(xué)者在用甘油類DES預(yù)處理纖維原料時(shí)，發(fā)現(xiàn)其無法有效去除纖維原料中的半纖維素和木質(zhì)素。Xia等[23]應(yīng)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(yù)處理效果差的原因進(jìn)行了詳細(xì)研究，他們發(fā)現(xiàn)由于甘油和氯化膽堿在DES中形成了致密的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致甘油類DES的質(zhì)子活性不足和氫鍵接受能力差，無法有效催化木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合物中化學(xué)鍵的斷裂并與之發(fā)生溶劑作用?；谒嵝远辔稽c(diǎn)配位理論，他們設(shè)計(jì)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(fù)合物。該復(fù)合物的氫鍵接受能力和酸性均得到增強(qiáng)，因此能有效催化斷裂木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)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(zhì)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(yù)處理性能。研究表明，硅鎢酸酸化的DES的預(yù)處理效果最好，木質(zhì)素去除率達(dá)到89.5%，預(yù)處理底物的酶解率達(dá)到97.3%。Chen等[25]考察了硫酸酸化的氯化膽堿-乙二醇DES的預(yù)處理效果。在高達(dá)20%的底物濃度下，酸化DES對柳枝稷中木聚糖和木質(zhì)素的去除率仍然分別達(dá)到75%和80%。當(dāng)向酸化DES中分別添加10%和20%的水時(shí)，酸化DES去除木聚糖和木質(zhì)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(zhì)可以極大提高多元醇類DES的預(yù)處理效果。

2.3 不同DES預(yù)處理比較

有些研究學(xué)者對有機(jī)酸和多元醇兩大類DES及其與其他類DES的預(yù)處理效果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)有機(jī)酸DES的預(yù)處理效果優(yōu)于多元醇類DES(未酸化)，而這兩類DES的預(yù)處理效果顯著優(yōu)于其他類DES預(yù)處理。Tan等[26]應(yīng)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(jìn)行了預(yù)處理研究，研究發(fā)現(xiàn)酸性DES的預(yù)處理最好，堿性DES次之，而中性DES的預(yù)處理效果最差。酸性氯化膽堿/乳酸DES分別能實(shí)現(xiàn)100%的半纖維素去除率以及88%的木質(zhì)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(yù)處理玉米芯。結(jié)果表明，隨著預(yù)處理溫度的升高，3種DES 對木質(zhì)素的去除率逐漸增加。玉米芯經(jīng)氯化膽堿/甘油預(yù)處理后，其酶解葡萄糖產(chǎn)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(yù)處理山毛櫸木(80 ℃，8 h)，發(fā)現(xiàn)山毛櫸木經(jīng)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(yù)處理后的固體回收率比較低，進(jìn)一步表征及測試發(fā)現(xiàn)氯化膽堿/草酸DES主要溶解底物中的木質(zhì)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(zhì)素。Kim等[29]獨(dú)辟蹊徑，以4種木質(zhì)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(yù)處理柳枝稷3 h，發(fā)現(xiàn)4種DES去除木質(zhì)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(zhì)素來源的酚類化合物為原料合成DES，可以就地利用木質(zhì)纖維素原料中的木質(zhì)素組分，降低預(yù)處理劑的外購成本，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)生物煉制。

2.4 DES組合預(yù)處理

采用兩種不同DES或?qū)ES與其他理化預(yù)處理方法組合可以發(fā)揮兩種預(yù)處理方法的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的預(yù)處理效果。近年來，有些研究學(xué)者對有機(jī)酸或多元醇類DES組合預(yù)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(yù)處理對稻草的影響，發(fā)現(xiàn)稻草經(jīng)組合預(yù)處理后的酶解糖產(chǎn)量比單獨(dú)DES預(yù)處理和單獨(dú)碳酸鈉預(yù)處理時(shí)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(yù)處理稻草，發(fā)現(xiàn)兩階段組合預(yù)處理中DES的使用順序顯著影響預(yù)處理效果，順序MP-CU組合預(yù)處理中由于第一階段酸性MP能使生物質(zhì)膨脹，破壞木聚糖和木質(zhì)素之間的結(jié)構(gòu)鍵，從而有助于第二階段CU溶解木質(zhì)素和木聚糖，因此，順序MP-CU組合的預(yù)處理效果顯著優(yōu)于單獨(dú)MP或CO預(yù)處理以及順序CU-MP組合預(yù)處理。稻草經(jīng)上述組合DES在優(yōu)化條件預(yù)處理后，酶解葡萄糖產(chǎn)率達(dá)到90.2%。Fang等[32]使用組合的水熱和氯化膽堿/甘油DES預(yù)處理時(shí)，預(yù)處理底物的酶解糖產(chǎn)率與單獨(dú)使用水熱預(yù)處理時(shí)相比提高約68%。預(yù)處理殘?jiān)心举|(zhì)素、木聚糖及其來源的抑制物的去除是組合預(yù)處理優(yōu)于水熱單獨(dú)預(yù)處理的主要原因。Tian等[33]先采用液態(tài)水預(yù)處理?xiàng)钅?，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(zhì)素獲得高反應(yīng)活性的纖維素殘?jiān)?。Liu等[34]采用氯化膽堿/乳酸DES和細(xì)菌組合預(yù)處理稻草。稻草先經(jīng)DES在140 ℃下預(yù)處理稻草8 h，然后再用細(xì)菌Pandoraeasp.B-6預(yù)處理3 d。稻草經(jīng)組合預(yù)處理后的酶解還原糖產(chǎn)率比僅用DES預(yù)處理時(shí)提高152%。作者分析到，雖然DES預(yù)處理能去除大部分木質(zhì)素，但被DES提取的木質(zhì)素液滴會(huì)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(xì)菌對木質(zhì)素液滴的降解是組合預(yù)處理具有出色預(yù)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(yù)處理方法的組合以及預(yù)處理順序，可以更高效的去除木質(zhì)素，獲得更高的酶解糖產(chǎn)量，這對生物質(zhì)預(yù)處理提供了新思路。

3 結(jié)論與展望

DES被認(rèn)為是理想的木質(zhì)纖維素預(yù)處理溶劑。到目前為止，雖然在DES預(yù)處理木質(zhì)纖維素方面已取得了一些重要研究進(jìn)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(gè)方面的研究，以進(jìn)一步推動(dòng)DES預(yù)處理的工業(yè)化應(yīng)用。

(1)DES預(yù)處理機(jī)理及構(gòu)效關(guān)系研究。已有文獻(xiàn)報(bào)道了組成DES的少數(shù)幾種氫鍵受體的結(jié)構(gòu)對預(yù)處理效果的影響，但無法形成規(guī)律性的、有價(jià)值的認(rèn)識。亟需深入探究DES理化性質(zhì)(pH、導(dǎo)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(jié)構(gòu)對木質(zhì)纖維素三組分含量和結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，這可為理性設(shè)計(jì)適用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理的DES提供理論基礎(chǔ)。

(2)DES重復(fù)使用影響因素研究。已有研究表明，DES在重復(fù)利用過程中其預(yù)處理效果會(huì)逐漸下降，因此，系統(tǒng)研究生物質(zhì)預(yù)處理過程中影響DES重復(fù)使用的各種因素，進(jìn)而采取對策，提高DES的循環(huán)利用次數(shù)，對降低DES預(yù)處理成本具有重要意義。

(3)DES木質(zhì)素的分離及高值化利用。DES提取的木質(zhì)素具有純度高、分子量低和化學(xué)活性高等特點(diǎn)。開發(fā)綠色節(jié)能的從木質(zhì)纖維素DES預(yù)處理液高效分離木質(zhì)素的技術(shù)，同時(shí)以DES木質(zhì)素為原料制備各種高值化學(xué)品和功能材料，可為提高木質(zhì)纖維素生物煉制的經(jīng)濟(jì)性提供技術(shù)支撐。