不同类型氯化胆碱基低共熔溶剂分离木质素的研究进展*

郑晓宇 李 城 王 飞 李含音

（河南农业大学林学院，河南 郑州 450002）

木质素是自然界中仅次于纤维素的第二大可再生生物聚合物，也是唯一可以提供大量可再生芳香族化合物的非石油资源，具有广阔的应用前景，可用于制备化学品、能源或某些具有特定功能的材料[1-2]。然而，由于木质素的分子结构复杂，并且木质纤维生物质存在天然抗降解屏障，导致其难以被有效分离和高效利用，成为限制木质纤维全组分利用的重要因素[3]。因此，实现木质纤维生物质中木质素的高效清洁分离是开发利用木质纤维生物质资源（特别是木质素组分）的关键。

低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent，DES）是一种新型绿色溶剂，具有蒸汽压低、易于制备、价格低廉、无毒、可生物降解以及环境友好等优点，受到学者们的广泛关注[4]。通常，DES是由氢键供体（HBD，一般是有机酸类、醇类、尿素等）和氢键受体（HBA，一般是氯化胆碱和甜菜碱等大而不对称的离子），按照一定摩尔比例通过氢键作用自缔合形成的共熔混合物，其熔融温度远低于各组成成分[5]。DES同时具有有机溶剂和离子液体的优良性能，能选择性分离高品质的木质素，同时有效保留纤维素，并提高其酶水解效率，在木质纤维组分分离中具有很高的应用价值[6-7]。与离子液体不同，DES通常不会使酶失活，可以大规模使用，在生物质精炼过程中有很大的应用前景[8]。因此，DES有望成为木质素分离的理想介质，引起了研究人员的广泛关注。

木质素的分离受到许多因素的影响，其中，DES体系的溶剂类型对于木质素的分离效果至关重要，这是因为体系中离子酸碱性的强度会对其产生一定影响。DES体系的pH值范围广泛，取决于起始材料的性质[9]，将不同氢键供体和氢键受体混合而成的DES进行分类，可以分为酸性、碱性和中性三种。例如，以氯化胆碱（ChCl）作为氢键受体（ChCl因其生物相容性、生物降解性和价格低廉，成为最常用的氢键受体），酸性DES中的氢键供体大多是一元酸或多元酸，碱性DES中的氢键供体大多是由尿素、胺基或酰胺基组成，而中性DES中的氢键供体一般是醇类。下面将从这三个方面来对DES分离木质素的效果进行论述，探索不同类型DES分离木质素的机理，为木质素的高效分离提供参考。

1 酸性DES分离木质素

酸性DES体系是由氢键供体和氢键受体混合形成的呈现酸性的溶液体系。通常，酸性DES中的酸为有机酸，具有天然的生物可降解性。Alvarez-Vasco等[6]认为，有机酸基DES提供一种相对温和的酸催化环境，作用机理和盐酸催化木质素酸解的过程类似，即有机酸基DES的HBD中解离的质子（H+）可促进木质素苯丙烷单元间不稳定的醚键断裂，结合DES自身溶剂作用从而加速木质素解聚并从木质纤维中分离[10]。

1.1 HBA与HBD摩尔比对木质素分离的影响

与传统的稀硫酸预处理相比，酸性氯化胆碱（ChCl）/乳酸体系能够从桃核和核桃壳中脱除更多的木质素[11]。相似地，与相应的纯有机酸（乳酸）相比，ChCl/乳酸处理后赤桉中木质素的脱除率升高[12]。采用以甲酸、乙酸、乙醇酸、乙酰丙酸为HBD制得的酸性DES也得到了相似的结果[13]，说明ChCl能够选择性提高木质素的溶解度，其中氯离子起主导作用[14]。ChCl中的氯离子可以与木质素和碳水化合物中的羟基之间形成氢键，削弱了木质纤维中的强氢键作用，从而破坏木质素-碳水化合物复合物中的连接键，达到分离木质素的目的[15]。常杰等[16]则认为ChCl在木粉溶解过程中起到了相催化转移的作用。同时该研究发现，木质素的溶解率随DES中乳酸的增加而升高。这可能是因为随着ChCl的减少，DES体系的黏度降低，对溶剂与木粉之间的传质有利，因此木质素的溶解效果逐渐增强。Francisco等[17]的研究中也发现了这一现象。其他研究认为HBD量增加，会导致更多的氢键形成，即HBD中氢键供体的数量越多（如更多的羟基、羧基或酰胺基）可以促进木质纤维生物质中各组分的分离，并能获得更高的木质素去除率[10,18]。然而，过量的HBD反而会导致木质素的溶解率降低，可能与此时ChCl的相对量减少，相催化转移作用不明显，同时又造成HBD的相对含量降低有关[16]。因此，HBA与HBD的比例对木质素的溶解率有很大影响，选择摩尔比适当的DES体系是有效分离木质素的关键因素之一。

1.2 HBD中烷基链长度对木质素分离的影响

不同HBD的酸性DES体系中，HBA与HBD的摩尔比相同时，HBD中烷基链长度对木质素的脱除率有一定的影响。对于一元羧酸HBD来说，在相同的条件下，随着烷基链增长，木质素的脱除率降低。Tan等[19]选取碳链长为C1至C4的线性饱和酸为HBD，研究酸中脂肪族链长对木质素提取率的影响。结果表明：当链长从C1增加到C4时，木质素的提取率降低。这是因为烷基是供电子基团，碳链长度的增加可以增强烷基的供电子效应，增加了酸中羟基中氧的电子密度，从而使氢和氧之间的氢键强度增强，导致形成电离强度较低的弱酸[20]。因此，一元羧酸中烷基链长度的减少能够增加DES在溶剂-溶质相互作用中提供质子的能力[21]。然而，对于二元羧酸HBD来说，烷基链长度同木质素的脱除率规律与一元羧酸相反，随着二元羧酸烷基链长度的增加，木质素的脱除率增加[20]。因此，在酸性DES预处理中，烷基链长度对于木质素去除率的影响取决于HBD是一元羧酸还是二元羧酸。

1.3 酸强度对木质素分离的影响

木质素的分离效果与用于合成DES的酸强度密切相关。酸度系数，也称为酸解离常数（pKa），是表征DES的重要变量[22]。通常，DES的pKa值与质子（H+）的溶剂化自由能有关，代表了化合物提供H+的能力[23]。pKa值较低时会强烈影响DES酸度，酸性较强的溶剂可以去除大量的半纤维素和木质素，获得良好的预处理效果。因此，一般来说酸性越强，木质素的分离效果越好。大多数一元羧酸基DES的木质素提取效果与酸解离常数pKa一致，pKa值较低表示酸性较强。例如，酸性DES的pKa值按照ChCl/乙酸＞ChCl/乳酸＞ChCl/甲酸的顺序，提取出的木质素得率则以相反的趋势增加[19]。然而，Xu等[14]研究发现，HBD的酸度与DES的木质素去除能力之间没有严格的关系。草酸（pKa=1.23）和乳酸（pKa=3.08）相比，强酸预处理效果较低。当摩尔比为1∶1时，乙醇酸（pKa=1.23）、丙二酸（pKa=2.83）和戊二酸（pKa=4.31）的预处理效果逐渐增强，但其酸性逐渐减弱。此外，马来酸为二元羧酸具有两个pKa值，与乳酸、苹果酸、柠檬酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸相比，其pKa1值（1.92）最低。然而ChCl/马来酸处理后木质素的得率不是最高的[19]，可能是由于低的pKa1值被明显较高的pKa2（6.23）值抵消。表明pKa值不一定能预测酸性DES在木质素提取中的表现。

1.4 HBD中官能团的种类和数量对木质素分离的影响

酸性HBD中官能团的存在是影响木质素脱除的另一个重要因素，不同的官能团对于酸基DES的木质素脱除效果不同。HBD中羟基和双键的存在能够促进木质素的脱除。在对植物残渣的DES预处理过程中，ChCl/乙醇酸体系木质素脱除率高于ChCl/乙酸、ChCl/甲酸体系，这与乙醇酸兼具羧酸和醇的性质有关[13]。与琥珀酸相比，由于羟基或双键的存在，苹果酸和马来酸的极性更高，从而可能促进溶剂与木质素溶质间的相互作用，使得木质素得率按照α-羟基酸（ChCl/苹果酸）＞不饱和酸（ChCl/马来酸）＞线性饱和酸（ChCl/琥珀酸）的顺序，该顺序与这些酸的极性相对应[19]。然而，HBD中较多的羧基则会降低木质素的脱除率。例如，乳酸、苹果酸和柠檬酸中具有相同类型的官能团（羟基和羧基），而ChCl/乳酸DES体系提取的木质素得率高于ChCl/苹果酸和ChCl/柠檬酸。因此，基于这些α-羟基酸的DES之间性能的差异可能是由于存在的羧基数量不同造成的[19]。与乳酸相比，苹果酸和柠檬酸中额外的羧基可以使其与HBA间形成更多的氢键。这一发现与Hou等[10]的结果一致，即二元羧酸DES的脱木素效率低于一元羧酸DES。这可能是因为在二元羧酸DES中，两个羧基可以形成大量的二聚体链，从而限制了溶剂分子的流动性[24]。从传质的角度来看，流动性较高的溶剂可以促进溶质溶解，而溶剂流动性较低可能削弱了溶剂-溶质与木质素之间的相互作用，从而导致木质素提取效率降低。

1.5 反应温度对木质素分离的影响

反应温度也是木质素脱除的主要限制因素，温度升高可能使得ChCl相催化转移能力增强，从而促使木质素溶解。Shen等[12]使用摩尔比为1∶10的ChCl/乳酸DES体系处理赤桉，发现随着反应温度从90 ℃升高至130 ℃，木质素脱除率增加至93.2%。Alvarez-Vasco等[6]也发现，随着反应温度从90 ℃增加至145 ℃，三种酸性DES处理后的木质素得率逐渐升高。但反应温度不宜过高，当反应温度升高至180 ℃时，木质素得率反而降低。同时，反应温度过高也可能会导致综纤维素溶解较多，对后续木质素提取及再生木质素纯度不利[16]。此外，反应温度过高可能导致如丙二酸和草酸等二元羧酸的羧基被活化，并释放出二氧化碳，造成DES体系中HBD减少，从而降低其在木质素分离过程中的有效性[25]。

表1 酸性DES体系对木质素的分离效果Tab.1 The effect of acid DES system on lignin separation

2 碱性DES分离木质素

碱性DES体系是由氢键供体和氢键受体混合而成的呈碱性的溶液体系，当选用ChCl作为氢键受体时，氢键供体可以是胺、酰胺、咪唑等。由于木质素是一种碱溶性的生物聚合物，在碱性条件下，木质素中的醚键和木质素与半纤维素之间的酯键断裂，从而导致木质素去除[27-28]。

2.1 碱性强度对木质素分离的影响

木质素的去除率与DES的碱性强弱有关，溶剂的碱性越强，木质素去除率越高。在对油棕空果壳的处理过程中，ChCl/尿素和碳酸钾/丙三醇两种碱性DES溶剂的脱木质素率分别是34%和51%，可能与碳酸钾/丙三醇体系（pH 12.83）的碱性比ChCl/尿素体系（pH 9.45）强有关[9]。Zhao等[29]选用几种不同碱性的DES处理小麦秸秆，也发现了类似的结果，三种乙醇胺基DES的木质素去除能力排序为ChCl/乙醇胺＞ChCl/二乙醇胺＞ChCl/甲基二乙醇胺，与其pH值相对应。因此，溶液的碱性越高，木质素的去除效果越好。随着溶液碱度的增加，特别是pH值大于10时，木质素的去除效率急剧增加。

2.2 HBD中氨基数量对木质素分离的影响

碱性DES对木质素的脱除效率与HBD中氨基数量有关。以ChCl为HBA的酰胺基碱性DES，HBD中氨基数量越多，在溶剂体系中形成更强的分子间氢键，因此缺乏足够量的游离和活性基团与生物质组分相互作用，导致预处理的效果较差。Hou等[10]采用不同的酰胺基DES体系对稻草秸秆进行预处理证实了这一结论，发现DES的预处理效率和随后的纤维素酶消化率由高到低依次为：ChCl-甲酰胺＞ChCl-尿素＞ChCl-盐酸胍。

2.3 反应温度和时间对木质素分离的影响

反应温度和时间也会影响碱性DES体系对木质素的脱除。一般来说，反应温度越高、反应时间越长，越有利于木质素的脱除。Procentese等[30]将ChCl/尿素（80℃和115 ℃）和ChCl/咪唑（80、115 ℃和150 ℃）两种碱性DES用于处理玉米芯，发现在相同的反应时间条件下，木质素去除率随着温度的升高而增加。Pan等[31]使用ChCl/尿素DES体系在反应温度为110 ℃和130 ℃、时间为4、6、8 h条件下处理稻草，发现与反应时间相比，反应温度对于预处理的效果影响更显著。同时，相对于其他组分，木质素含量减少得更多，证明ChCl/尿素体系对木质素具有较高的选择性溶解能力。

2.4 含水率对木质素分离的影响

碱性DES体系中的含水率对于木质素的提取也有一定影响。高黏度减弱了DES体系在预处理过程中的传质作用，是限制DES有效提取木质素的关键因素之一。因此，可能需要更高的反应温度来降低DES黏度并促进其在木质纤维生物质中的扩散以提高脱木素效率[32]。然而，剧烈的反应条件（如过长的反应时间或过高的反应温度）会导致糖发生热降解。通过加入适量的水可以达到稀释DES降低体系黏度以提高其传质作用的目的，同时在生物质预处理过程中可以维持最优的反应条件。New等[33]探讨了加入水分的量对ChCl/尿素体系提取油棕榈叶中木质素的影响。发现与纯DES相比，DES中加入10%的水时，木质素的去除效果显著增加，这是因为水的加入降低了DES体系的黏度，有利于溶液渗透入木质纤维生物质中，从而促进木质素的脱除。含水量增加到20%时，DES体系脱木素效果最好。当体系中含水量为30%时，与20%含水量的DES体系相比，其木质素的去除效果变化不大。然而，进一步增加含水量，会对预处理过程产生不利的影响，即随着DES稀释程度的增加，木质素去除能力显著下降。这是因为当ChCl/尿素体系中含水量过高时，用于去除生物质中木质素的DES浓度较低，从而导致木质素脱除率降低。

表2 碱性DES体系对木质素的分离效果Tab.2 The effect of alkaline DES system on lignin separation

3 中性DES分离木质素

中性DES体系是组成DES的各部分混合形成不呈现酸碱性的溶液体系。当选用ChCl作为HBA时，氢键供体可以是一元醇或多元醇等。ChCl与醇类混合而成的DES体系中游离的羟基能与木质素结构中游离或醚化的羟基相互作用，促进木质素的去除[5]。

3.1 HBD中羟基数量对木质素分离的影响

不同醇类DES体系脱木素效率与多元醇中羟基的含量有关。基于多元醇的DES预处理，HBD中的羟基越多，DES预处理残渣中木质素的含量越高，木质素脱除率越低。HBD中额外的羟基可能会导致更多分子间氢键形成，从而得到更稳定、黏度更高的DES体系[35]。因此，需要更多的能量来弱化氢键结构，以实现与溶质的相互作用。Hou等[10]采用不同的醇类DES体系对稻草秸秆进行预处理证实了这一结论，发现DES的预处理效率和随后的纤维素酶消化率由高到低依次为：ChCl/乙二醇＞ChCl/甘油＞ChCl/木糖醇。

3.2 HBD中烷基链长度对木质素分离的影响

对于醇类DES体系，HBD中羟基数量相同时，烷基链长度影响木质素的脱除。Hou等[10]对比了三种基于二醇的DES体系在低温（80 ℃）下对稻草秸秆进行预处理，发现含有较长烷基链（C3）的二醇基DES比较短链乙二醇基DES更能有效地提取木质素，即木质素在胆碱离子液体中的溶解度随着链烷酸阴离子链长的增加而增加[36]。此外，鉴于木质素是一种基于疏水性苯丙烷结构单元的生物聚合物，因此，相比于ChCl/1, 2-丙二醇，ChCl/1, 3-丙二醇在预处理过程中表现出更好的性能，可能与1, 3-丙二醇较强的疏水性有关。

尽管多元醇基DES在增强生物质酶解糖化效率方面具有一定的潜力，但由于缺乏酸性，其性能通常低于基于酸的DES，导致木聚糖和木质素的去除较少。ChCl/醇类DES对于木质素分离效果较差，可能是因为存在着较弱的阴离子氢键和阳离子氢键，不足以与木质素结构中的氢键竞争[37]。此外，由于缺少活性质子和酸性位点，DES无法裂解木质素-碳水化合物复合物中的醚键。

3.3 酸性催化剂对木质素分离的影响

一种策略是将基于多元醇的DES与酸结合以提高中性DES的性能。由于酸和DES之间的协同作用，酸化的基于多元醇的DES预处理效果比仅酸溶液或纯多元醇基DES更好。Chen等[38]采用ChCl/乙二醇（1∶2）DES在130 ℃条件下处理柳枝稷30 min，发现木质素的溶解率仅为24%。当DES中加入1.0%的H2SO4时，木质素的溶解率达到87%。结果表明：在对柳枝稷的预处理中，酸和ChCl/乙二醇DES之间有很强的协同作用。此外，Chen等[39]还研究了DES中加入酸的量对木质素脱除率的影响，发现在相同的条件下，酸浓度越高，木质素和木聚糖脱除的越多，特别是在温度较低时，酸对木质素的脱除影响更大。该研究还发现，在相同的酸浓度（0.5 wt%或1.0 wt% H2SO4）下，随着温度升高（110～150 ℃）木质素脱除率也逐渐升高。Guo等[40]使用三种杂多酸作为催化剂辅助ChCl/丙三醇预处理奇岗，纯ChCl/丙三醇体系仅能去除1.6%的木质素和5.3%的半纤维素，低的去除率归因于缺少活性质子和酸性位点以断裂木质素和碳水化合物中的醚键。而引入杂多酸显著提高了木质素（56.5%～89.5%）和木聚糖（44.0%～58.5%）的去除率，这是因为杂多酸可以释放质子（H+）并且具有强布朗斯特酸性，可以催化木质素降解。其中，硅钨酸的催化降解能力要高于磷钨酸和磷钼酸，因为在完全电离的情况下，硅钨酸作为一种四元酸可以释放出更多的H+以降解木质素和半纤维素。Xia等[37]为了提高木质素的分离效率，引入了AlCl3·6H2O作为ChCl/丙三醇DES的改性剂，使得杨木中木质素的分离效率从3.61%增加到95.46%。这是因为AlCl3·6H2O作为一种氢键受体，一方面可以引入Cl-增加溶剂的氢键接受能力，从而促进溶剂对木质纤维的氢键竞争力；另一方面AlCl3·6H2O具有路易斯酸性，可以增加溶剂本身的酸性强度。同时，随着催化剂量的增加和温度的升高，木质素的提取率也逐渐升高[41]。AlCl3·6H2O浓度的提高可增加溶剂的酸性，进而有利于通过酸水解作用提高木质素的分离效率。多元醇和酸的适当选择在很大程度上决定预处理的严重程度和脱木素的效率。

3.4 氢键供体对木质素分离的影响

除了加入酸性催化剂之外，在中性DES中另外加入氢键供体从而构成新的三元DES，也是提高中性DES性能的有效方式。Xue等[42]在二元DES的基础上设计出了由双氢键供体组成的新型三元中性DES（氢键受体为ChCl，双氢键供体分别为丙三醇和聚乙二醇）体系处理玉米芯，有效增溶了木质素。随着温度从40 ℃增加到60 ℃，木质素的溶解率逐渐增加，而当温度升高到70 ℃时，木质素溶解度呈现下降的趋势。摩尔比为1∶2∶2的三元DES体系中木质素溶解度最高，由于该体系的氢键碱度最大且黏度最小。

表3 中性DES体系对木质素的分离效果Tab.3 The effect of neutral DES system on lignin separation

4 三种类型DES对比

在相同的条件下，不同类型的DES对木质素的分离效率不同，预处理结果因所用溶剂的性质而异。一般来说，酸性DES可有效去除木质纤维生物质中的木质素和半纤维素，相比于碱性和中性DES具有更强的分离和脱木素能力。在不同类型DES对甘蔗渣的预处理中，酸性DES（ChCl/乳酸）的木质素去除率最高（50.6%），其次是ChCl/咪唑（29.9%）和ChCl/丙三醇（21.4%）[43]。Quek等[44]利用DES联合超声处理油棕空果壳，选用ChCl/乳酸、ChCl/尿素和ChCl/丙三醇，在温度50℃、恒功率240 w的超声波下反应30 min，发现ChCl/乳酸反应效果最好，木质素脱除率达到了40.5%，其次是ChCl/尿素（38.6%），最后是ChCl/丙三醇（32.9%）。相比于ChCl/丙三醇，ChCl/乳酸和ChCl/尿素具有更好的木质素脱除能力，这可能是由于这两种DES体系分别呈现酸性和碱性，具有温和酸性性质的ChCl/乳酸体系可以促进木质素的溶解，具有弱碱性的ChCl/尿素体系可以通过溶解生物质中的木质素来提高纤维素的酶解效率。

虽然，酸性DES的预处理效果最好，但酸性DES能降解大量多糖从而降低可发酵糖的产量[29]，且长期使用酸可能会腐蚀设备并造成环境污染。与酸性和中性DES体系相比，碱性DES体系对于生物质的分离效率处于中等水平[45]。鉴于较低的组分分离效率，对于该类DES的研究较少。尽管多元醇基DES的预处理效率更低，但是纤维素酶在多元醇基DES中表现出优异的稳定性。因此，多元醇基DES可以用于提高多糖转化中酶的可及性[46]。此外，在酸性环境下，多元醇基DES表现出较好的预处理效果，酸化的DES有较强的木质素和半纤维素去除能力，可能是因为在DES环境中酸性质子具有更好的有效性和反应性，这对于许多木质纤维复合物中的酸催化连接键（如醚键、酯键、木质素-多糖连接键）的断裂至关重要[38]。在酸性环境中使用多元醇基DES可以避免可能的副反应发生，例如羧酸基DES和纤维素之间的酯化反应，这个反应可能在很大程度上限制纤维素的酶解消化率，同时还可以减弱溶剂对设备腐蚀的影响。

5 结语

低共熔溶剂具有有机溶剂和离子液体的优良性质，不仅能够克服有机溶剂和离子液体有毒性、成本高等缺陷，而且能够避免传统预处理方法存在能耗大、对环境不友好等问题，是一种用于木质纤维组分高效分离的新兴绿色溶剂。不同类型的DES对于木质纤维生物质中木质素的分离效果存在着较大差异，木质素的提取能力与DES的溶剂性质密切相关。因此，选择合适的组分对于制备具有高效木质素分离效率的DES至关重要。

显然，DES对于木质素的分离效率还有很大的提升空间。通常，单一的DES预处理能力有限，并不能达到预期的效果，对DES的应用产生一定限制。因此，将DES与其他预处理结合，可以强化低共熔溶剂的处理过程，获得更好的处理效果。另外，鉴于DES的可设计性，可以增加新的组分形成三元DES，来弥补二元DES的缺陷，以达到更好的木质素分离效果。然而，三元DES与二元DES相比，其组成和木质素分离机理都变得更加复杂，还需进行系统性的DES作用机理研究，定向设计出木质纤维组分选择性分离的DES体系，以实现生物质组分的高效分离。此外，应考虑并解决与DES可回收性、高黏度和对纤维素酶的抑制作用等有关方面的缺陷，以提高大规模工艺的可行性。