深度共熔溶剂分离生物质资源提取纤维素的研究进展

鲁俊良 郞金燕 杨鸿燕 张 恒 ，2，3，*

（1. 青岛科技大学海洋科学与生物工程学院，山东青岛，266042；2. 浙江大学生物质化工教育部重点实验室，浙江杭州，310027；3. 山东省生物化学工程重点实验室，山东青岛，266042）

在自然界中，纤维素是一种分布广泛、含量丰富的天然高分子多糖，与半纤维素、木质素共同存在于植物细胞壁中，是植物细胞壁的主要成分。作为一种重要的可再生资源，纤维素应用日益广泛，其提取方法也日渐成熟，主要有碱法、亚硫酸盐法、生物法和溶剂法，它们都能有效将大分子纤维素分离。但与溶剂法相比，碱法和亚硫酸盐法副产物利用率低，小规模生产难以解决污染问题，而生物法又常受温度及微生物自身活性的限制，得率不稳定。因此，采用溶剂法提取纤维素是目前研究较多的生物质资源利用的一种高效方法。

1 溶剂法提取纤维素

溶剂法提取纤维素最早于1931 年由瑞典化学家Kleinert 提出［1］，其主要原理是有机溶剂对特定条件下降解的木质素及半纤维素具有溶解作用［2-3］。醇是此法最常用的溶剂，其价格低廉但回收率较低，根据沸点不同，可分为低沸醇（沸点低于100℃）和高沸醇（沸点高于150℃）两大类［4］。起初，研究者仅使用高温乙醇溶液分离纤维素，后期又添加了NaOH作为辅助剂以提高产物性能［5］。之后，Kirci 等［6］引入了亚硫酸盐和蒽醌进行改良。高沸醇对木材原料同样具有良好选择性，且在一定条件下无需添加助剂，其提取的纤维素强度与其他溶剂法相当，还可改善副产物木质素回收利用难的情况［4，7-10］。

有机酸是另一类纤维素提取溶剂，常与无机酸混合使用。其中，甲酸和乙酸是最常见的有机酸，二者均具有良好选择性［11-12］。乙酸制备纤维素效率较高，甲酸则常与其混合使用以提高纤维素纯度，并降低反应温度及压力。将有机酸与HCl或H2SO4混合使用后，纤维素强度性质接近化学法制得的纤维素［13-16］。

溶剂法分离提取纤维素具有得率高、制备过程中所用化学品少、对环境污染低、从溶剂中获得的副产品（木质素、小分子糖、糠醛）可进行综合利用等优点。但醇溶剂法存在溶剂回收率低、反应耗时较长，且高沸醇在副产物回收时存在耗能大等缺点；酸溶剂法又存在腐蚀设备、环境污染大等问题，这些都阻碍了其广泛应用和大规模商业化［17-20］。因此，寻找其他更合适的溶剂是解决此问题的关键所在。

2 深度共熔溶剂分离提取纤维素

2.1 深度共熔溶剂定义及分类

深度共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent，DES）又称低共熔溶剂，是21 世纪初期发现的绿色溶剂，这个概念最早由Abbott 等在2003 年提出，他们在研究中发现，尿素与氯化胆碱混合物熔点远低于单个组分熔点。通过进一步探究不同种酰胺与季铵盐的混合物熔点，发现只有二者间能形成氢键的混合物才能使熔点显著低于各单个组分的熔点，随着阳离子对称性的降低，混合物的熔点也随之降低［21］。有研究表明，任何一种DES都是由氢键供体和氢键受体间通过氢键作用组成的低共熔混合物，氢键受体一般为季铵盐，氢键供体要能够与季铵盐中的卤族阴离子形成氢键，通常为酰胺和醇，如尿素、乙酞胺、乙二醇等［22-23］。季铵盐氯化胆碱与氢键供体间的相互作用见图 1[22，24]。

图1 季铵盐氯化胆碱与氢键供体之间的相互作用

为了更好地区分DES，Abbott设计了一个简单的分类系统，DES可用此通用公式表示［25］（R1R2R3R4N+X-Y-）：

第一类：Y=MClx， M=Zn，Sn，Fe，Al，Ga；

第二类：Y=MClx yH2O，M=Cr，Co，Cu，Ni，Fe；

第三类：Y=R5Z，Z=CONH2，COOH，OH。

DES通常由两种或两种以上价格低廉且自身安全的易得化合物制成，其本质是一种混合盐溶液。由于其制备成本低、挥发性弱、生物降解性强等特点得到国内外的广泛关注和应用［26］。理论上，任何氢键供、受体之间相互作用都可以得到种类不同的DES；但在实际设计和操作上，往往只有选择合适且容易形成氢键的原料，再加以合适的配比，才能得到理想的DES。

2.2 DES的发展与应用

2001 年，Abbott 将MCl2（M=Zn/Sn）与季铵盐以适当摩尔比混合，制备出一系列新颖、稳定、含功能侧链的路易斯酸离子液体。Abbott认为，这类在极端条件下形成的离子液体可以看作由复杂阴离子形成的深度共晶体，通过降低晶格能来降低混合物熔点［21，27］。Abbott 等［21］在研究酰胺与季铵盐混合物性质时还发现，氯化胆碱与尿素在常温下可产生液态共晶，混合物熔点远小于其组分的熔点，并提出DES的概念。这项工作表明，酰胺与季铵盐按照一定条件混合可以形成低熔点共晶体，其性质不同于寻常的溶剂，具有随温度升高而显著提高的高导电性，且黏度和导电性受酰胺和季铵盐影响较大。这种混合物具有可持续性和可生物降解的特点，还能从现有的材料中产生大量的新型组合化合物。

DES早期应用于金属电沉积和电抛光领域［28］，之后作为反应介质在有机化合物合成、聚合物生产、电化学、分离过程等［29-34］传统领域和纳米材料的制备、生物催化、生物医药学、天然活性产物提取等［35-39］新型领域得到了迅速应用，将之用于纤维素的提取是其在分离领域应用的一个新方向。图2显示了DES在不同领域的研究分布［40］。

图2 DES在不同领域的研究分布[40]

2.3 DES对纤维素的分离提取研究

2.3.1 DES分离提取纤维素机理研究

国内外研究表明，DES分离提取纤维素的主要思路是通过DES对木质素、纤维素、半纤维素的溶解度差异分离木质素，再加热水解所分离的固体（纤维素-半纤维素），使热稳定性较差的半纤维素溶解，从而实现植物纤维三大组分分离。这种方法分离的纤维素及其副产物木质素、半纤维素均可得到高附加值利用，且溶剂也易于回收再次使用，是一种发展前景良好的绿色工艺。

DES对木质素、纤维素的分离作用可直接用于提取纤维素，也可视为进一步优化加工生物质材料的预处理过程。Procentese等［41］用DES处理玉米芯，脱除木质素并降低纤维素临界黏度，提高了随后的酶促糖化速率。之后，Procentese 等［42］又用两种DES（氯化胆碱/甘油和氯化胆碱/乙二醇）预处理苹果残渣、马铃薯皮、咖啡银皮和啤酒糟，通过酶促消化生产可发酵的糖。王冬梅等［43］则以玉米芯为原料，用DES 预处理得到含74.3%纤维素的产品，将纤维素的酶解糖化效率提高至98.6%。此过程使半纤维素完全水解，木质素脱除率为81.5%。

Jablonsky Michal 等和 Largo Garcia de Dios［44-45］用多种DES 处理松木以分离纤维素和木质素；研究发现，松木的木质素脱除率最高可达99.4%。常杰等［46］以Hansen 溶解理论为基础，将乳酸和氯化胆碱（摩尔比9∶1）作为氢键供受体以制备DES并用于处理尾叶桉。结果表明，在温度90℃、时间12 h 最佳条件下，桉木的木质素溶解率为90.1%，纤维素几乎不被溶解，且X射线衍射分析表明，纤维素结构基本未遭溶剂破坏。刘钧等［47］对DES 展开进一步探究，分别用三丁基甲基氯化铵（MTBAC）、四甲基氯化铵（TMAC）、苄基三乙基氯化铵（TEBA）和氯化胆碱（ChCl）与DL-乳酸（HL）按照1∶9 的摩尔比合成DES并用于处理尾叶桉。通过对三大组分溶解量的比较，得出TEBA 与HL 合成的DES 对木质素的溶解性能最佳，在反应条件为90℃、10 h时，木质素溶解率达92.3%，且综纤维素溶解率仅为8.3%。这种溶解木质素以分离纤维素的方法能耗低、污染小，对生物质材料中的纤维素、半纤维素、木质素选择效果明显，且分离的再生木质素纯度高，其基本结构单元依旧是紫丁香基、愈创木基、对羟苯基。

此外，刘钧等［47］还测出TEBA/HL、MTBAC/HL、TMAC/HL 及ChCl/HL 的木质素-综纤维素溶解选择性系数之比分别为158.5、113.8、16.8、49.7。这说明在溶解生物质材料时，不同氢键供受体制成的共熔溶剂对三大组分的溶解选择性不同。因此，继续寻找可以使木质素、半纤维素溶解率高，纤维素溶解率低的高选择性DES 将是今后研究更高效溶剂的一个主要方向。

2.3.2 DES对非木材生物质资源的制备研究

除了木材生物质资源外，DES对非木材原料也有较高的溶解性，这为农业资源丰富地区的非木材生物质高效利用奠定了基础，拓宽了生物质资源利用范围。Jablonsky 等［44］对小麦秸秆中的纤维素、木质素进行分离；结果表明，由氯化胆碱和草酸组成的DES具有良好的分离效果。而Kumar 等［48］以氯化胆碱与乳酸（摩尔比1∶5）为DES的原料，将稻草木质素含量降至（3.8±0.5）%，同时得到高纯度纤维素。刘洪杰等［49］将1，4-丁二醇和氯化胆碱按照3∶1的摩尔比制成DES，分离获取生物质玉米芯中的纤维素；在180℃、4 h 的最佳条件下，纤维素含量为77.8%，木质素脱除率为95%，半纤维素脱除率为75%，并且制得的纤维物质内部较松散且结构基本未被破坏。与木质生物质材料相比，该研究对木质素的脱除效果相当，但反应时间明显缩短，在溶解木质素的过程中，纤维素基本不损失。

此外，一种以生物质原料分离产物为DES原料的纤维素制备方式非常值得关注。2017 年，Kim 等［50］用氯化胆碱与木质素酚类物质（儿茶酚、香草醛、香豆酸等）组成一类利用可再生资源合成的DES，在160℃的温度下对柳枝稷处理3 h。研究表明，氯乙烯/香豆酸对木质素的分离效率最高（60.8%），分离得到的产物中纤维素含量最高，氯乙烯与香草醛、儿茶酚组成的DES 对木质素脱除率较低，分别为52.5%和49.0%。这种以生物质原料自身木质素及衍生物为DES 原料的理念十分先进，是木质素的高附加值利用。溶解的木质素经过处理又变成原DES 的一部分，溶质、溶剂含量此消彼长，使DES完成自身净化和循环利用，甚至可以直接对生物质材料的木质素进行处理，通过加入氢键受体形成DES-综纤维素混合物，再适当升温使溶剂可以更有效地溶解残留木质素、半纤维素，从而实现更高纯度纤维素的制备。

2.3.3 DES对纤维素溶解分离机制研究

大量的研究均已表明，DES可以凭借对木质素的极佳溶解性分离制备纤维素，但其对纤维素是否具有选择性尚且存有争议。Largo Garcia de Dios、Kumar和Francisco等认为，DES对纤维素的溶解量很小，可以忽略不计［44-45，48，51］。Zhou 等［52］以尿素、乙酰胺、己内酰胺为原料合成新型DES用于处理工业棉麻浆，探究其对纤维素的溶解效果。研究发现，纤维素在DES中的溶解本质是DES与纤维素氢键的竞争，溶解度取决于与纤维素形成氢键的数量和强度，即与纤维素形成的氢键越多，纤维素的溶解度越高。但这种溶解性能较低，否定了通过溶解纤维素分离木质素来制备纤维素的方式。

Jablonsky 等［44］用氯化胆碱与不同种类酸分别组成的DES 处理小麦秸秆，发现氯化胆碱/草酸组合对木质素与纤维素的分离效果最佳，分离后木质素的含量仅为7.3%，但处理过程中纤维素也部分溶解，对之前研究者得出的结论提出质疑。Mamilla等［53］用氯化胆碱分别与草酸、尿素、乳酸、氢氧化钾组成的DES处理山毛榉木，酸性和碱性DES处理后溶剂中分别富含木质素和纤维素，这说明酸性DES（氯化胆碱与草酸、尿素）对木质素溶解有选择性，而碱性DES（氯化胆碱与氢氧化钾）对纤维素溶解有选择性。但这些研究还不够充分和系统，因为木质素、纤维素的分离同样受生物质自身的结构及处理条件等因素影响，而且所研究的同种生物质材料在不同环境下自身结构也不尽相同，对结果的定量比较还有待进一步深入探究。

此外，一些多元复合体系和物理辅助手段的出现进一步优化改良了纤维素及后续产物的分离提取。2014 年，Nagoor 等［54］发现，乙烯乙二醇和氯化胆碱组成的DES能与纤维素酶协同使用，在一定条件下酶活性可达90%以上，将其用于处理稻壳可以简化工艺，直接使制备的纤维素糖化。2018 年，Ramesh等［55］以氯化胆碱、草酸和正丁醇组成新型三元体系（DES-OL 体系），从稻壳、稻草和小麦秸秆中高效分离木质素和纤维素，发现用DES-OL 体系脱木质素的效果比纯DES处理至少高出50%。Malaeke等［56］首次报道在DES中使用超声辐照以提高木质素溶解度。结果表明，在这种DES联合超声作用下，木质素可以从小麦秸秆中较容易地分离出来。通过调整超声辐照时间和对DES混合物的设计，可以使纤维素溶解度进一步降低，这是一种操作条件简单的纤维素提取方式。

2.3.4 DES提取纤维素展望

DES对木质素优良的选择性可以使其尽可能与纤维素分离，这种分离的效率很高且反应条件温和，既降低了安全隐患又避免加热过程中能量的大量损耗。此法一般在常压下进行，溶剂挥发性极低，易于生物质分解。而分离的木质素多为小分子，易于改性形成衍生物，还可作为氢键供体充当新型DES的原料，实现循环利用，进一步降低废物排放。

大量的研究结果都已表明，DES无疑将成为21世纪的绿色溶剂，但这并不能掩盖其现存的种种缺陷。虽然其制备原料无毒或毒性极低，但混合物原有的化学结构因氢键的形成而改变，其性质也会随之变化，故研究者在合成制备此类溶剂时不能因原料无毒就判断混合物具有安全性，仍需谨慎地将其用于食品、医药行业。DES在制备纤维素方面的研究时间较短，有许多机理还有待探究，尚存的一些问题，如黏度较高、电导率差、细胞毒性、与酶的相容性及纤维素的溶解现象等都有待进一步系统深入研究［57-58］。

此外，DES目前在生物质领域的应用较少，在提取纤维素方面仅具有溶解木质素进而分离纤维素的单一手段。此法制备的纤维素往往含有部分小分子半纤维素和残留的木质素，其纯度有待进一步提高。虽然有部分DES可以溶解纤维素，但对纤维素的溶解程度都不太理想，而且这些溶液对木质素的溶解效果更佳，这使得以溶解纤维素的方式提取纤维素还有待开发研究。笔者认为，可以根据现有报道中酶在特定条件DES中的高活性，研发新型酶-DES混合体系或引入其他非生物催化剂来提高其对木质素和纤维素的选择性，进一步增大纤维素与木质素、半纤维素的溶解度差异。探究选择性更佳、更高效环保的DES组合体系并进一步优化制备过程将是DES法提取纤维素的一个重要突破点。

3 结 语

利用深度共熔溶剂（DES）制备纤维素是一种高附加值的生物质资源利用手段，该方法产业化的实现将在很大程度上减少传统制备纤维素方法对环境的破坏。本文综述了传统溶剂法分离提取纤维素中部分醇类、酸类的应用和改进，以及DES法分离提取纤维素的国内外研究进展。为进一步深入研究溶剂法、提高纤维素和副产物木质素的得率提供了理论支持。

虽然将DES用于分离生物质资源的研究是近十年来才开展的，但其已成为国内外生物质研究利用的热点，是目前最符合绿色、环保、可持续理念的纤维素制备方法之一。其温和的反应条件、较弱的挥发性以及优良的生物质降解性、木质素选择性可以有效改善传统溶剂的缺陷，而其现存的一些不足必将随着更多种类DES的发现和有关机理的研究得到有效改善。因此，DES在未来很有可能替代传统的有机溶剂并实现其大规模工业化应用，继续探究优良的DES对未来纤维素绿色分离意义重大，相关研究在今后仍将是生物质资源高值化利用的热点和重点。