賈昭炎，王成成，曹春暉，劉 洋，奚永蘭，劉明慶

(1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013 ；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇南京 210014；3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇南京 210042)

在人們環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)和化石燃料儲(chǔ)量逐漸下降的雙重現(xiàn)實(shí)下，可再生資源利用受到越來越多國(guó)家的重視。而木質(zhì)纖維素生物質(zhì)屬于自然界中來源廣泛、易于降解和獲取的可再生天然資源，同時(shí)也是地球上最為豐富的有機(jī)碳源，被視為化石燃料的最佳替代品。木質(zhì)纖維素常見于草、木材(如桉木、楊木等)、秸稈及由其產(chǎn)生的固體廢棄物，對(duì)其各組分進(jìn)行合理開發(fā)利用可轉(zhuǎn)化為能源燃料，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)不可再生的化石燃料，而且通過生物、物理或化學(xué)方法還可獲得各種可再生的生物基材料及其他高附加值化學(xué)品[1-6]。但木質(zhì)纖維素自身緊密復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)及交聯(lián)特性致使其在酶解及微生物降解方面具有很強(qiáng)的抗降解能力，在分離木質(zhì)纖維素各組分時(shí)有較大難度。因此實(shí)際中通常會(huì)采用一些預(yù)處理方法增強(qiáng)生物質(zhì)各組分分離效果，以增強(qiáng)酶與纖維素的可及性，提高酶解效率。在過去幾十年里，用于生物質(zhì)預(yù)處理的方法眾多，如堿處理法、蒸汽爆破法、氨爆破法等，這其中使用較多的是離子液體法。離子液體穩(wěn)定性高且對(duì)纖維原料展現(xiàn)出良好的溶解性，十分適宜分離木質(zhì)纖維素各組分。但同時(shí)離子液體也有成本較高、本身具有毒性、難回收等缺點(diǎn)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[7-10]。隨著研究人員對(duì)新型溶劑的不斷開發(fā)，Abbott等首次制備出新型溶劑——深度共熔溶劑(deep eutectic solvents，簡(jiǎn)稱DES)[11]。DES理化性質(zhì)與離子液體類似，不僅兼?zhèn)潆x子液體的眾多優(yōu)點(diǎn)，且優(yōu)于離子液體的是，DES具有制備簡(jiǎn)單、安全無毒、便于回收利用、性質(zhì)可調(diào)和成本低廉的特點(diǎn)。Xu等報(bào)道，DES的制備材料更具環(huán)境友好性，成本價(jià)格僅為離子液體制備成本的20%[12]。DES的眾多優(yōu)點(diǎn)讓其在木質(zhì)纖維素預(yù)處理方面?zhèn)涫荜P(guān)注。本文基于國(guó)內(nèi)外有關(guān)DES預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的相關(guān)研究及綜述專論，著重對(duì)生物質(zhì)預(yù)處理研究現(xiàn)狀、DES的分類進(jìn)行闡述，并對(duì)DES預(yù)處理對(duì)木質(zhì)纖維素中三大組分的作用機(jī)制、生物質(zhì)預(yù)處理效果影響因素等展開綜述，最后對(duì)DES未來應(yīng)用于生物質(zhì)預(yù)處理前景進(jìn)行了展望。以期為開發(fā)高效分離生物質(zhì)組分的方法及高值化利用木質(zhì)纖維素提供參考。

1 木質(zhì)纖維素預(yù)處理研究現(xiàn)狀

木質(zhì)纖維素是一種芳香族生物聚合物，具有復(fù)雜和不規(guī)則結(jié)構(gòu)，主要由纖維素、半纖維素(50%～65%)、木質(zhì)素(10%～30%)3個(gè)組分構(gòu)成。木質(zhì)纖維素3種組分經(jīng)過分離后可制備多種高值化產(chǎn)品，如分離出的纖維素可制作人造絲或制備纖維素納米晶體。纖維素是自然界廣泛存在的大分子多糖，具有高度結(jié)晶的特點(diǎn)，不易被水解。但可通過調(diào)控酸催化的溫度、酸濃度等反應(yīng)條件將其轉(zhuǎn)化為纖維素納米晶體。典型制備纖維素納米晶體的方法有無機(jī)強(qiáng)酸水解法，所使用的無機(jī)強(qiáng)酸可以是硫酸、鹽酸或磷酸等。半纖維素和纖維素一樣是由糖單元通過糖苷鍵連接而成的高分子聚合物。但不同于纖維素，半纖維素易水解成單糖，并且可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為糠醛等化合物。木質(zhì)素是木質(zhì)纖維素僅次于纖維素的天然高分子物質(zhì)，也是自然界唯一可再生的含有3種苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元的三維無定形生物大分子。經(jīng)過生物質(zhì)精煉分離出的木質(zhì)素可用作分散劑、表面活性劑等工業(yè)用途[13-16]。但木質(zhì)纖維素在應(yīng)用前通常需要進(jìn)行預(yù)處理，否則無法實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高效利用。如厭氧轉(zhuǎn)化生物質(zhì)時(shí)，一般都需要對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理破壞其致密結(jié)構(gòu)，提高水解效率，從而達(dá)到提升甲烷產(chǎn)量的目的。又如對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行酶解時(shí)，直接酶解效率極低，需進(jìn)行生物質(zhì)預(yù)處理來增強(qiáng)酶與纖維素的可及性，提高酶解效率。目前木質(zhì)纖維素預(yù)處理的方法主要有物理法(機(jī)械擠壓、超聲波等)、生物化學(xué)法(稀酸、稀堿等)、高溫液態(tài)水法、有機(jī)溶劑法、離子液體法等[17-18]。Yu等結(jié)合高溫液態(tài)水法和氨水法預(yù)處理甘蔗渣。首先在160 ℃條件下對(duì)甘蔗渣進(jìn)行5 min的高溫液態(tài)水處理，之后選用10%的氨水繼續(xù)處理甘蔗渣，成功去除30.3%的木質(zhì)素，并得到87%的葡萄糖收率，且相較于單獨(dú)在180 ℃條件下使用高溫液態(tài)水處理甘蔗渣 20 min，耗能量還降低了 2/3[19]。孫付保等在 180 ℃ 條件下使用甘油處理麥草4 h，成功去除麥草中80%的半纖維素，且處理后纖維素保留率可達(dá)92%[20]。但之前的方法大多需在高溫高壓的條件下進(jìn)行且存在回收難與生物兼容性低等缺點(diǎn)。DES與傳統(tǒng)的分離方法相比則有著獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，在木質(zhì)纖維素預(yù)處理及高值化利用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。Liu等在800 W超聲波輔助下，利用草酸DES對(duì)棉纖維進(jìn)行了5 min預(yù)處理，制備得到直徑為3～25 nm的納米微晶纖維，還可制備木質(zhì)素等生物質(zhì)基原材料及其衍生產(chǎn)品[21]。Vasco等研究了利用深度共熔溶劑從楊木和杉木中提取木質(zhì)素的作用效果，研究表明，制備的DES最高可從楊木和杉木中提取78%的木質(zhì)素，且提取木質(zhì)素純度為95%[22]。

2 DES概述及分類

深度共熔溶劑是將2種或3種提供氫鍵供體(hydrogen bond donor，簡(jiǎn)稱HBD)和氫鍵受體(hydrogen bond acceptor，簡(jiǎn)稱HBA)的物質(zhì)按照合適的摩爾比充分混合并進(jìn)行簡(jiǎn)單加熱后形成的共晶混合物，是一種高效提取及分離生物質(zhì)組分的“綠色”預(yù)處理溶劑。因制備后共熔溶劑中的晶體結(jié)構(gòu)受到范德華力和氫鍵作用力被破壞，導(dǎo)致新形成的化合物熔點(diǎn)低于其任意反應(yīng)組分的熔點(diǎn)，又被稱為低共熔溶劑。其理化性質(zhì)與離子液體類似，所以有部分學(xué)者也將其稱為“類離子液體”[23]。DES眾多優(yōu)良的理化性質(zhì)使其具有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力，目前已應(yīng)用于生物催化、制備納米材料、生物醫(yī)藥學(xué)、電化學(xué)和氣體吸收等領(lǐng)域，DES在不同領(lǐng)域的研究分布見圖1[24]。

DES合成一般有加熱法、研磨法和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法3種方法。理論上在制備DES時(shí)，任何類型的HBD和HBA之間相互作用均可制備DES[25]。但實(shí)際制備時(shí)還需根據(jù)自身需求選擇合適的原材料以及配比進(jìn)行設(shè)計(jì)。常見提供氫鍵供體的物質(zhì)有草酸、多元醇和乳酸等，提供氫鍵受體的物質(zhì)主要有氯化膽堿、甜菜堿和丙氨酸等。Zhang等分別以多元醇、一元羧酸和二羧酸為氫鍵供體，以氯化膽堿為氫鍵受體合成了3種DES用于預(yù)處理玉米芯[26]。Hou等以草酸為氫鍵供體，以氯化膽堿為氫鍵受體合成DES預(yù)處理稻草，研究不同摩爾比對(duì)預(yù)處理的影響[27]。DES若按照氫鍵供體進(jìn)行分類，可分為有機(jī)酸和多元醇兩大類；若按化學(xué)組成進(jìn)行分類，可分為4類(表1)[28-29]。Ⅰ型主要組成成分為金屬氯化物和季銨鹽氯化膽堿，Ⅱ型由水合金屬氯化物和氯化膽堿組成，Ⅲ型由羧酸和酰胺等氫鍵供體和氯化膽堿組成，Ⅳ型由尿素、乙二醇等氫鍵供體和金屬氯化物組成。從這種分類方式可以看出，在DES的制備過程中，以氯化膽堿為代表的季銨鹽類物質(zhì)是組成DES的主要成分。另外，在4種DES類型中Ⅲ型在實(shí)際中使用較為廣泛，Ⅰ型DES因熔點(diǎn)過高在實(shí)際中應(yīng)用并不多[30]。

表1 DES分類

3 DES預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)組分作用機(jī)制及研究進(jìn)展

DES是一種在生物質(zhì)精煉領(lǐng)域有著十分廣闊前景的綠色溶劑，具有良好的溶解性。它在預(yù)處理木質(zhì)纖維素過程中可以很好地分離出生物質(zhì)三大組分，這是因?yàn)镈ES擁有強(qiáng)大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以很好地與生物質(zhì)中的木質(zhì)素發(fā)生作用，且DES氫鍵供體分離出的氫質(zhì)子可以使木質(zhì)素和半纖維素之間的醚鍵或酯鍵斷裂，最終達(dá)到選擇性去除木質(zhì)素或半纖維素的目的。DES在去除木質(zhì)素或半纖維素的同時(shí)，會(huì)保留大部分的纖維素。這是由于纖維素結(jié)構(gòu)中存在許多分子間和分子內(nèi)氫鍵，不易被DES溶出。通常DES分離木質(zhì)纖維素的方法有2種[31-33]。第1種方法是將木質(zhì)纖維素完全溶解在DES后，使用水等反相溶劑再生纖維素，將木質(zhì)素等組分留于溶劑中，后續(xù)可通過酸沉淀或其他方法再生。第2種方法是選擇性地溶解木質(zhì)素和半纖維素，而將纖維素作為不溶物分離出來。

3.1 DES去除木質(zhì)素

木質(zhì)素是由紫丁香基、愈創(chuàng)木基和對(duì)羥苯基3種結(jié)構(gòu)單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的高分子聚合物，是地球上唯一可再生的含有芳香結(jié)構(gòu)的芳香類大分子化合物。木質(zhì)素中含有芳基、羧基等官能團(tuán)，具有一定的抗氧化性，分子之間的氫鍵作用及芳香基團(tuán)之間的π-π作用也使木質(zhì)素?fù)碛辛酥旅艿慕Y(jié)構(gòu)。這些特性使木質(zhì)素成為纖維素的天然物理屏障。但與此同時(shí)，木質(zhì)素的這些特性也導(dǎo)致其在纖維素酶解的過程中產(chǎn)生了很大的抑制作用，降低了酶解效率[34]。木質(zhì)素疏水、靜電等特性引起的非生產(chǎn)性纖維素酶在木質(zhì)素上的高吸附性也是降低酶解效率的一大因素。Huang等在120 ℃使用5%硫酸預(yù)處理毛竹1 h，并分析了酶吸附等溫線[34]。分析結(jié)果認(rèn)為，酶消化率低的主要原因是酸預(yù)處理后竹子中殘留的木質(zhì)素具有較高的非生產(chǎn)性纖維素酶吸附性[35]。Song等制備氯化膽堿-乳酸DES預(yù)處理柳樹和玉米秸稈。試驗(yàn)過程中觀察到了木質(zhì)素的縮合，并認(rèn)為這些縮合的芳香結(jié)構(gòu)通過疏水作用增加了對(duì)非生產(chǎn)纖維素酶的吸附趨勢(shì)，導(dǎo)致酶水解產(chǎn)率遭到抑制[36]。因此，實(shí)際應(yīng)用中多會(huì)采用預(yù)處理方法去除木質(zhì)素，降低木質(zhì)素的物理屏障作用并減少對(duì)纖維素降解酶的吸附，提高酶水解效率。DES溶解木質(zhì)素的主要機(jī)制是，通過氫鍵作用擴(kuò)散到木質(zhì)素緊密的結(jié)構(gòu)中，并利用氫鍵供體和受體之間的協(xié)同作用克服木質(zhì)素分子之間的作用力，提高DES對(duì)木質(zhì)素的溶解能力[37]。另外，木質(zhì)素的鍵和方式中大約有50%是以β-O-4醚鍵形式存在的，其他還伴隨有少數(shù)α-O-4、4-O-5等醚鍵，這使得木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。而氯化膽堿/乳酸DES處理可以促進(jìn)木質(zhì)素中β-O-4等醚鍵的斷裂，且有可能發(fā)生?；?、縮合等反應(yīng)，有利于木質(zhì)素的氧化以及酚基的生成，從而達(dá)到去除木質(zhì)素的目的[38]。

早期有許多關(guān)于DES用于預(yù)處理木質(zhì)纖維物質(zhì)的研究，F(xiàn)rancisco等首次以乳酸為氫鍵供體、氯化膽堿(choline chloride，簡(jiǎn)稱ChCl)為氫鍵受體在摩爾比為2 ∶1的條件下制備出氯化膽堿/乳酸DES[38]。并將制備出的DES用于預(yù)處理麥草生物質(zhì)樣品，對(duì)其在DES中的溶解性進(jìn)行初步試驗(yàn)研究[38]。試驗(yàn)在 60 ℃ 下反應(yīng)14～16 h后，DES對(duì)木質(zhì)素的溶解度為2%(質(zhì)量百分比)，證明了DES作為木質(zhì)素介質(zhì)的可行性[39]。此外Francisco等還分別以蘋果酸、草酸和煙酸為氫鍵供體，以丙氨酸、甜菜堿、氯化膽堿、甘氨酸、組氨酸和脯氨酸為氫鍵受體，通過改變不同的摩爾比制備出不同的DES。研究結(jié)果表明，乳酸-氯化膽堿 DES具有顯著的木質(zhì)素溶解性，且木質(zhì)素的溶解度可以通過增加酸比而增加[40]。在Francisco等之后，Jablonsk等利用多種氯化膽堿基DES對(duì)麥草進(jìn)行預(yù)處理，木質(zhì)素去除率為1.3% ～57.9%，結(jié)果表明，酸度更強(qiáng)的草酸相比于乳酸木質(zhì)素去除率更高，為57.9%[41]。到2020年，Kohli等以甲酸、乳酸、乙酸、草酸和蘋果酸為氫鍵供體制備了不同的DES用于預(yù)處理芒草和樺木。結(jié)果同樣表明，酸度最高的甲酸對(duì)芒草的木質(zhì)素去除率最強(qiáng)[42]。這些研究結(jié)果均與Francisco等研究結(jié)果一致。由此可見，酸度的大小對(duì)木質(zhì)素的去除有著重要影響。在這期間，科研工作者還對(duì)木質(zhì)素去除率進(jìn)行了諸多其他研究。有學(xué)者認(rèn)為除了酸度，DES的官能團(tuán)也會(huì)對(duì)木質(zhì)素去除率產(chǎn)生影響。比如羧基、胺/酰胺基類DES會(huì)提升木質(zhì)素提取效果。Procentese等用氯化膽堿/咪唑?qū)τ衩仔具M(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯化膽堿/咪唑?qū)δ举|(zhì)素的提取率可達(dá)88%。加水同樣可以影響DES對(duì)木質(zhì)素的去除率[43]。Kumar等用甜菜堿/乳酸預(yù)處理秸稈時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加5%的水可顯著提高稻草秸稈中木質(zhì)素的溶解度。筆者認(rèn)為，加入少量的水降低了DES的黏度，有利于木質(zhì)素的溶解[44]。而New等則發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DES中加入水含量達(dá)到50%時(shí)木質(zhì)素的脫除率反而會(huì)降到最低。作者認(rèn)為過量的水減少了DES中氫鍵的數(shù)量，降低了木質(zhì)素的溶解性[45]。

3.2 DES去除半纖維素

半纖維素是由D-木糖基、D-半乳糖基等構(gòu)成的高分子多聚體。通常情況下會(huì)纏繞在纖維素表面，與纖維素在植物細(xì)胞壁中共存，并作為連接材料連接了纖維素和木質(zhì)素，在酸性或堿性環(huán)境下容易水解成單糖。在生物質(zhì)中，木質(zhì)素本身擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)且一般情況下會(huì)與半纖維素等碳水化合物通過芐酯、芐醚等官能團(tuán)形成強(qiáng)共價(jià)鍵及氫鍵并交互連接形成木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合物(LCC)。而DES去除半纖維素的主要機(jī)制是，破壞LCC之間的氫鍵連接之后在與半纖維素吡喃木糖結(jié)構(gòu)單元上羥基質(zhì)子形成新的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，最終達(dá)到水解LCC鍵，并將半纖維素從木質(zhì)纖維素中釋放出來的目的[46-47]。但目前關(guān)于DES分離半纖維素的研究報(bào)道并不多?，F(xiàn)有的大多數(shù)文獻(xiàn)主要都是關(guān)于DES分離半纖維素預(yù)處理?xiàng)l件的研究。閱讀這些文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，由于半纖維素易在酸性環(huán)境下水解的特性，采用酸性DES可以有效去除半纖維素。Hou等采用氯化膽堿/草酸預(yù)處理稻草，在120 ℃下水解了4 h，去除了95.8%的半纖維素[48]。Xu等以氯化膽堿/甲酸摩爾比為1 ∶2制備酸性DES 預(yù)處理玉米秸稈，溶出90%(質(zhì)量百分比)的半纖維素[12]。Ji等采用氯化膽堿/乳酸在120 ℃下預(yù)處理甘蔗渣 3 h，去除了90.46%的半纖維素[49]。Kumar等分別采用氯化膽堿/乳酸和甜菜堿/乳酸在60 ℃下預(yù)處理稻草 12 h，處理過程中并未發(fā)現(xiàn)有半纖維素溶出。分析原因可能是溫度低導(dǎo)致無法溶出半纖維素，大多數(shù)的半纖維素會(huì)在溫度高于120 ℃條件下才能水解[44]。另外，相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，以氯化膽堿為氫鍵受體的DES較甜菜堿、脯氨酸等氫鍵受體去除半纖維素能力更強(qiáng)。Lynam等以乳酸、甲酸為氫鍵供體和甜菜堿、脯氨酸為氫鍵受體在不同摩爾比下制備出不同DES預(yù)處理的火炬松，但試驗(yàn)結(jié)果顯示，無論以甜菜堿還是以脯氨酸為氫鍵受體均不能溶出半纖維素[50]。

3.3 DES處理纖維素的影響

纖維素經(jīng)過預(yù)處理后的變化主要表現(xiàn)在晶型結(jié)構(gòu)的消失或纖維素結(jié)晶含量的函數(shù)變化，即結(jié)晶度指數(shù)(crystallinity index，簡(jiǎn)稱CrI)的變化。當(dāng)生物質(zhì)無定形組分被去除后會(huì)導(dǎo)致纖維素的結(jié)晶度指數(shù)增大，并暴露出更多的纖維素和反應(yīng)物之間的結(jié)合位點(diǎn)，提升酶水解效率。DES預(yù)處理纖維素主要是憑借DES對(duì)生物質(zhì)中木質(zhì)素和半纖維素的高溶解來分離出溶解度較小的纖維素。纖維素具有強(qiáng)大的內(nèi)聚能，氫鍵結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)十分穩(wěn)定[51-52]。因此，大多數(shù)DES處理纖維素基本都不能使其溶解或者溶解效果很差。Francisco等綜述了纖維素在不同DES中的溶解度，發(fā)現(xiàn)以蘋果酸、草酸為氫鍵供體，脯氨酸、丙氨酸為氫鍵受體，摩爾比為1 ∶1制備出的常規(guī)DES對(duì)纖維素的溶解度均較低，僅為 0.1%(質(zhì)量百分比)；同樣以蘋果酸為氫鍵供體，脯氨酸為氫鍵受體，但分別以摩爾比為1 ∶1和 1 ∶3 制備2種DES，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2種DES預(yù)處理后纖維素的溶解度分別為0.2%、0.8%(質(zhì)量百分比)[40]。雖然纖維素的溶解度有所提高，但提升效果并不明顯。常杰等以乳酸和氯化膽堿為氫鍵供受體制備DES用于預(yù)處理尾葉桉來考察不同氯化膽堿/乳酸摩爾比及溫度對(duì)木質(zhì)素溶解效果的影響。結(jié)果表明，在溫度為90 ℃，乳酸和氯化膽堿摩爾比為9 ∶1的條件下木質(zhì)素的溶解率最高，為91.3%，而此時(shí)纖維素則幾乎不溶，僅為4.9%[53]。

在DES分離木質(zhì)纖維素三大組分時(shí)，通常都希望減少纖維素的溶解度，提高木質(zhì)素和半纖維素等無定形組分的去除率，增加結(jié)晶度指數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)組分分離。但關(guān)于纖維素在DES中溶解度的研究同樣也有不少。纖維素的溶解度主要與氫鍵的數(shù)量和強(qiáng)度有關(guān)。DES在預(yù)處理木質(zhì)纖維素時(shí)會(huì)與纖維素形成氫鍵競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。在DES與纖維素競(jìng)爭(zhēng)的過程中，與纖維素形成的氫鍵數(shù)量越多，那么纖維素在DES中的溶解度也就相應(yīng)越高[54]。想要提高氫鍵在DES中的溶解度可以適當(dāng)?shù)奶岣叻磻?yīng)溫度。Sharma等以硫脲和氯化膽堿為氫鍵供受體制備出摩爾比為2 ∶1的DES，來探究纖維素在DES中的溶解度。在其他條件相同的情況下，當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，纖維素在DES中的溶解度為 6.0 wt%；而當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，溶解度也隨之提高到10.0 wt%[55]。此外，氫鍵受體的類型也和纖維素的溶解度有關(guān)。Sharma等還分別以尿素為氫鍵供體，氯化膽堿和溴化膽堿為氫鍵受體制備DES。其他條件相同且均不使用輔助手段，當(dāng)氫鍵受體為溴化膽堿時(shí)，纖維素溶解度為6.0%(質(zhì)量百分比)，而當(dāng)氫鍵受體為氯化膽堿時(shí)，纖維素溶解度則為8.0%(質(zhì)量百分比)[55]。可見氯化膽堿類DES在溶解纖維素方面更有優(yōu)勢(shì)。

4 DES預(yù)處理木質(zhì)纖維素效果的影響因素

DES預(yù)處理木質(zhì)纖維素效果主要受DES制備摩爾比、DES類型、原料類型和反應(yīng)溫度的影響。當(dāng)DES的氫鍵供體和氫鍵受體相同時(shí)，二者之間的摩爾比不同會(huì)影響對(duì)木質(zhì)纖維素的預(yù)處理。當(dāng)采用不同的氫鍵供受體時(shí)同樣也會(huì)影響處理效果。除此之外，采用不同的反應(yīng)原料及在不同的反應(yīng)溫度下進(jìn)行預(yù)處理，所得到的結(jié)果也不相同。關(guān)于影響DES處理生物質(zhì)效果的相關(guān)研究見表2。

4.1 DES摩爾比

從以往的研究中不難發(fā)現(xiàn)，在制備DES過程中采用相同的氫鍵供體和氫鍵受體但HBD和HBA之間的摩爾比不同，處理木質(zhì)纖維素的效果也不相同。Zhang等制備了3種DES：一元羧酸/氯化膽堿、二元羧酸/氯化膽堿、多元醇/氯化膽堿用于預(yù)處理玉米芯。其中部分研究結(jié)果表明，隨著一元羧酸/氯化膽堿的摩爾比從2 ∶1增加到15 ∶1，木質(zhì)素可提取性急劇增加(64.7%～93.1%)[26]。Hou等研究了以草酸/氯化膽堿為媒介，選擇了不同組分摩爾比(1 ∶2～3 ∶1)來測(cè)試DES在90、120 ℃條件下對(duì)純木聚糖和木質(zhì)素的溶解度，表明當(dāng)ChCl 和草酸的摩爾比達(dá)到1 ∶1或更高時(shí)，木質(zhì)素的溶解量是木聚糖的1.61～2.11倍，當(dāng)二者的摩爾比為 1 ∶2～2 ∶1時(shí)，它們?cè)诓菟?氯化膽堿DES中的溶解度隨著草酸摩爾比的降低而增加，分析出現(xiàn)這種情況的原因是草酸、丙二酸的類似物易于在溶劑系統(tǒng)中形成廣泛的二聚體鏈，限制了整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)性，使得溶質(zhì)在DES中傳質(zhì)困難[27]。當(dāng)ChCl與草酸的摩爾比從2 ∶1增加到3 ∶1時(shí)，木質(zhì)素和木聚糖的溶解度均會(huì)有所下降，分析出現(xiàn)這種情況的原因可能是存在的氫鍵供體較少導(dǎo)致溶劑對(duì)溶質(zhì)的氫鍵破壞能力減弱[27]。木質(zhì)素的超微結(jié)構(gòu)分布表明，細(xì)胞壁發(fā)生的部分脫木質(zhì)素主要集中在細(xì)胞角和復(fù)合腔，木質(zhì)素在次生細(xì)胞壁中更容易被提取。

表2 DES預(yù)處理木質(zhì)纖維素效果影響因素研究進(jìn)展

此外，研究結(jié)果還表明，采用高草酸二水與氯化膽堿摩爾比的DES進(jìn)行預(yù)處理，可以達(dá)到較高的半纖維素脫除率(>93%)和脫木質(zhì)素率(約70%)[26]。Li等以90% 乳酸和氯化膽堿為氫鍵供受體，以改變不同的氫鍵供體和氫鍵受體的摩爾比為主要方法對(duì)稻草進(jìn)行預(yù)處理。研究結(jié)果表明，在 90 ℃ 時(shí)，乳酸和氯化膽堿的摩爾比從1 ∶1增加到 3 ∶1 時(shí)，顯著提高了多糖的消化和糖產(chǎn)量，同時(shí)半纖維素和木質(zhì)素去除率也有所增加。當(dāng)進(jìn)一步增加比例至 5 ∶1 時(shí)，多糖、半纖維素和木質(zhì)素的消化率將再次增加[56]。Okur等進(jìn)行了乙二醇/檸檬酸DES體系對(duì)稻殼脫木質(zhì)素的研究。試驗(yàn)分別制備了摩爾比為1 ∶1、1 ∶2、2 ∶1的DES溶液。研究結(jié)果表明，在90 ℃條件下，木質(zhì)素去除率分別為47.10%、52.35%、51.17%，不同摩爾比DES體系的木質(zhì)素去除率非常接近[57]。

4.2 DES類型

組成DES氫鍵供受體的種類多種多樣，HBD和HBA的種類不同，最終制備出DES的類型也將不同，對(duì)木質(zhì)纖維素組分的分離效果就會(huì)有所差異。而且并非所有制備出的DES對(duì)生物質(zhì)的預(yù)處理都可以取得令人滿意的結(jié)果。在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)需處理的生物質(zhì)原料類型及自身的需求等因素來選擇需制備的DES。Zhu等以氯化膽堿(ChCl)作為氫鍵受體，分別以乙二醇(EG)/丙二醇(PG)/丙三醇(GLY) 作為氫鍵供體以及對(duì)甲苯磺酸(PTSA)合成了3種三元DES，分別命名為ChCl-EG-PTSA，ChCl-PG-PTSA、ChCl-Gly-PTSA。試驗(yàn)在 120 ℃ 條件下進(jìn)行了6 min，分別采用3種DES對(duì)柳枝稷進(jìn)行預(yù)處理。研究結(jié)果表明，在氫鍵受體相同均為ChCl時(shí)，生物質(zhì)預(yù)處理效果大不相同。當(dāng)氫鍵供體為EG時(shí)，木質(zhì)素和半纖維素去除率雖有差距，但均可達(dá)到60%以上。但當(dāng)氫鍵供體為GLY時(shí)，木質(zhì)素和半纖維素的去除率非常有限，木質(zhì)素去除率僅為30.1%，半纖維素去除率則僅為31.0%[58]。可見不同氫鍵供體制備出DES在處理相同的生物質(zhì)時(shí)，會(huì)因DES類型的不同而導(dǎo)致生物質(zhì)預(yù)處理效果并不相同。Thi等研究了乳酸/氯化膽堿，尿素/氯化膽堿和丙三醇/氯化膽堿3種DES對(duì)生物質(zhì)的預(yù)處理效果，并以水解還原糖的產(chǎn)率為標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)3種DES預(yù)處理的效果進(jìn)行對(duì)比，研究結(jié)果表明，在摩爾比為1 ∶2時(shí)，乳酸/氯化膽堿的還原糖產(chǎn)率最高，為20.7%，其次是尿素/氯化膽堿，為20.0%和丙三醇/氯化膽堿，為 16.9%。并分析出現(xiàn)這一試驗(yàn)結(jié)果的原因是乳酸/氯化膽堿具有酸性和最低的黏度，所以還原糖產(chǎn)率最高[59]。

4.3 反應(yīng)溫度

Guo等進(jìn)行了甲酸/氯化膽堿預(yù)處理生物質(zhì)的研究，試驗(yàn)分別在80、100、120 ℃ 3種不同溫度條件下預(yù)處理木糖殘?jiān)?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著處理溫度的升高，纖維素含量逐漸增加，同時(shí)在較高溫度下的DES預(yù)處理有利于木質(zhì)素的溶解和化學(xué)降解[60]。Ji等研究了乳酸/氯化膽堿DES在超聲波甘蔗渣分級(jí)過程中的協(xié)同作用，在試驗(yàn)過程中他們也研究了DES反應(yīng)溫度方面的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著預(yù)處理溫度從90 ℃增加到120 ℃，木質(zhì)素及半纖維素的去除率不斷增加。說明反應(yīng)溫度的提高可以獲得更好的預(yù)處理效果，推測(cè)原因可能是高溫降低了DES的黏度。但當(dāng)反應(yīng)溫度從 120 ℃ 提高到130 ℃時(shí)，木質(zhì)素及半纖維素的去除率反而會(huì)下降。說明升溫雖然有助于生物質(zhì)分離，但過高的溫度反而不利于預(yù)處理，同時(shí)還有造成較大的糖分損失等缺點(diǎn)[61]。

除了上述因素會(huì)影響DES預(yù)處理效果外，還有其他因素同樣會(huì)對(duì)生物質(zhì)分離產(chǎn)生影響。如反應(yīng)時(shí)間、生物載量、DES導(dǎo)電率和DES黏度等。以DES黏度為例，通常情況下DES黏度越低越有利于生物質(zhì)分離，當(dāng)DES黏度較低時(shí)，可以更容易地滲入到木質(zhì)纖維素組分中。反之，當(dāng)DES黏度越大時(shí)，就越不利于傳質(zhì)，從而阻礙木質(zhì)纖維素之間的相互作用，不利于生物質(zhì)的預(yù)處理。在實(shí)際操作中，一般采用降低添加水分、提高溫度和添加第3組分等方法來降低DES的黏度[62]。

5 展望

DES是21世紀(jì)初新發(fā)現(xiàn)的 “類離子液體”生物質(zhì)預(yù)處理溶劑。經(jīng)過眾多科研工作者十幾年的不斷研究，在DES預(yù)處理生物質(zhì)方面已經(jīng)取得很多重要研究成果。他們探究了DES預(yù)處理各種類型生物質(zhì)的影響因素，優(yōu)化了反應(yīng)條件，并提出了二者相互作用的作用機(jī)制。但總的來說，對(duì)DES 的研究仍處于初級(jí)階段，在其他方面仍有許多問題需進(jìn)一步研究。

(1)DES與生物質(zhì)之間的作用機(jī)制并不明確，需進(jìn)一步探索以提高木質(zhì)纖維素分離效率?？稍谇叭舜罅吭囼?yàn)的基礎(chǔ)上輔助分子模擬等手段對(duì)二者之間的作用機(jī)制進(jìn)行探究。隨著探究的不斷深入還可以建立起DES分離生物質(zhì)三大組分效果的預(yù)測(cè)模型，減少實(shí)際操作中不必要的DES篩選過程。這些研究對(duì)木質(zhì)纖維素高效分離及組分的高值化利用具有重要意義。同時(shí)需預(yù)處理生物質(zhì)的類型不同，明確二者之間的作用機(jī)制，可以為DES的有效設(shè)計(jì)提供參考。(2)DES黏度較高，傳質(zhì)困難，需進(jìn)一步探索提高組分分離效率。DES中含有大量氫鍵網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致其黏度較高，不利于生物質(zhì)組分的分離。實(shí)際中往往會(huì)加入適量水等方法降低DES黏度，提升傳質(zhì)能力。但關(guān)于水降低黏度的作用機(jī)制并不明確，水與DES之間是否存在協(xié)同效應(yīng)也未可知?？蓪?duì)其進(jìn)一步探索優(yōu)化DES反應(yīng)環(huán)境。這些研究對(duì)之后DES大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。(3)DES回收成本高。以往雖有對(duì)DES回收的研究，但研究的不夠深入。且現(xiàn)有DES回收方法對(duì)機(jī)器的精密度和操作條件要求較高，經(jīng)濟(jì)效益低?？梢詫?duì)其深入研究，找到回收成本價(jià)格低廉且回收DES純度高的好方法。另外，回收的DES重復(fù)利用性也較低。DES具有低揮發(fā)性的特點(diǎn)，在回收過程中不可避免會(huì)有難揮發(fā)性溶質(zhì)的殘留，這不利于DES的高循環(huán)利用。以上研究對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、綠色環(huán)保具有積極影響。