低共熔溶剂预处理杨木水解渣拆解木质素

刘乾静，陈晓淼，王芷，史吉平，3，李保国，刘莉，3

（1 上海理工大学健康科学与工程学院，上海 200093；2 中国科学院上海高等研究院，上海 201210；3 上海有机固废生物转化工程技术研究中心，上海 200241）

为了应对全球变暖等气候问题，我国提出“力争2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和”的战略目标。发展清洁可再生的生物质能源是实现碳达峰与碳中和的有效途径之一。我国丰富的林木资源储存着大量的可再生碳资源，林木木质纤维素是协同制造化学品、液体燃料和生物材料的主要替代品。木质纤维素主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素的有效糖化是生产化学品和液体燃料的关键。而木质纤维素中各组分之间复杂且紧密的化学结构极大地限制了酶解过程中纤维素酶的可及性，且木质素的存在也会阻碍纤维素酶的有效吸附，使得纤维素酶解转化效率降低，从而限制了木质纤维素生物质的开发和利用。要实现木质纤维素高效转化，必须从破坏木质纤维素抗降解屏障出发，寻找高效且绿色环保的预处理技术。

近年来，利用低共熔溶剂（deep eutectic solvent，DES）预处理木质纤维素的研究受到关注。研究表明，DES 制备简单、无毒性、可生物降解和易循环使用，可高效去除木质素且对纤维素的溶解性差，对后续的发酵不会产生抑制作用，具有巨大的应用潜力。DES 是由两种或两种以上氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）以一定比例组成的低共熔混合物。在使用DES预处理木质纤维素的研究中，主要是以氯化胆碱（ChCl）作为氢键受体。Alvarez-vasco 等制备了ChCl-乙酸、ChCl-乳酸、ChCl-甘油等低共熔溶剂，在145℃处理杨木4h，发现ChCl-乙酸、ChCl-乳酸对木质素溶解率分别为70%和78%，而ChCl-甘油几乎不能溶解杨木中的木质素。刘均等研究发现，相比ChCl，以芳环季铵盐苄基三乙基氯化铵（TEBAC）作为HBA 合成TEBAC-乳酸对桉木有良好预处理效果，木质素溶解率达92.3%，纤维素保留率高达91.7%。可见TEBAC 作为HBA 合成的DES 对木质纤维素具有良好的预处理能力，而目前研究中使用TEBAC 作为氢键受体合成DES预处理生物质的研究并不多。与氢键受体种类相比，DES 的氢键供体种类对生物质预处理效果有更大的影响。Wang 等发现，在许多类似研究中以甘油作为HBD 的DES 对木质纤维素中的木质素几乎没有溶解能力，于是结合路易斯酸（AlCl、FeCl、FeCl、ZnCl、CuCl）与ChCl-甘油合成了三元DES 对杂交狼尾草进行了预处理，发现含有FeCl的DES 预处理效果最佳，木质素的溶解率高达90%，木质素回收率为49%，同时有93.63%的半纤维素被溶解在溶剂中。可见FeCl的引入可以大大增加DES 对木质纤维素预处理过程中组分的拆解。

在DES 预处理木质纤维素的研究中，大量的木质素和半纤维素组分同时被溶解到溶剂中，造成后续生物质单一组分回收利用的经济效益下降。为了实现木质纤维素全组分充分利用，以酸性电解水为预处理介质，FeCl为催化剂，配制FeCl-酸性电解水溶液预处理杨木，将半纤维素组分定向分离到水解液中，得到仅含纤维素和木质素的杨木水解渣作为原料。本研究以芳环类的TEBAC 和非芳环类的ChCl 作为HBA，以乳酸、乙二醇和2-氯丙酸作为HBD，结合FeCl制备合成了新型DES 预处理杨木水解渣原料，考察DES 种类在预处理过程中对木质素去除和纤维素保留的影响，并且探究了不同温度、时间和固液比对DES 预处理前后杨木水解渣化学组分的影响。

1 材料和方法

1.1 材料

氯化胆碱、苄基三乙基氯化铵、乳酸（Lac）、乙二醇（EG）、2-氯丙酸（2Cl）、浓硫酸、氯化铁均为分析纯，国药集团药业股份有限公司；杨木粉，40目，含水率为1.89%，江苏省连云港。

1.2 杨木水解渣的制备

配制0.03mol/L 的FeCl-酸性电解水溶液，以固液比为1∶10的比例将杨木粉与FeCl-酸性电解水溶液混合，在160℃油浴加热反应25min。结束后将反应混合物固液分离，得到的水解渣作为低共熔溶剂预处理的原料。

杨木及杨木水解渣的纤维素、半纤维素和木质素的含量均按照美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）标准分析方法测定。具体方法为：第一步，准确称取0.30g 样品干物质放入玻璃试管中，加入3.0mL 72%的硫酸后混合均匀，在30℃的恒温水浴锅中反应1h，期间每隔15min涡旋混合一次，保证试管中硫酸和样品可以充分接触和水解；第二步，水浴1h后向每根试管中加入84mL去离子水，将试管中的硫酸浓度稀释到4%，然后放入高温高压灭菌锅中于121℃反应1h，反应结束将反应混合物进行抽滤，收集水解液过0.22μm 的滤膜，过滤后的水解液采用HPLC法测定其中的葡萄糖和木糖含量，分别用于计算生物质中的纤维素含量和半纤维素含量，抽滤得到的滤渣在105℃烘干至恒重后称量滤渣质量，测定木质素含量。每种生物质样品重复三次取平均值。经测定，杨木原料主要组分质量分数为纤维素45.89%、半纤维素12.73%、木质素26.33%。杨木水解渣主要组分质量分数为纤维素64.59%、木质素33.00%。

1.3 低共熔溶剂的制备

将HBA 和HBD 按一定的摩尔比混合，在90℃恒温振荡2h，直到形成均一透明的液体，即为合成的低共熔溶剂。具体的合成条件、组分比例以及简称如表1和表2所示。制备的低共熔溶剂置于干燥的室温条件下备用。

表1 二元DES的制备

表2 含FeCl3的三元DES的制备

1.4 不同种类DES预处理杨木水解渣实验

称取3g杨木水解渣与30g DES混合于耐高温的玻璃容器中，在120℃油浴搅拌加热反应4h。反应结束后将反应混合物进行真空抽滤使固液分离，并用50mL的水∶乙醇（体积比为1∶9）溶液洗涤固体残渣3次，将黏附在残渣上的DES洗脱。得到的固体残渣在105℃干燥，用于测定纤维素、半纤维素和木质素含量。预处理效果的评价指标计算方法如式(1)～式(3)所示。

1.5 DES预处理杨木水解渣工艺参数优化

称取3g 杨木水解渣按照不同固液比（1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30）与上述筛选获得的效果最佳的DES 混合于耐高温玻璃容器中，在一定温度（110℃、120℃、130℃、140℃）油浴搅拌加热反应一定时间（1h、2h、3h、4h、5h、6h）。反应完成后按照1.4节中的方法进行分离和组分测定。

1.6 DES的回收使用

利用DES 预处理杨木水解渣后，按照1.4 节中的方法进行固液分离，收集洗涤液与滤液混合，通过旋转蒸馏将其中的乙醇蒸发后，再将其置于105℃烘箱中烘干至恒重，去除其中的水分，最后得到的液体部分则为回收的DES。称取3g 杨木水解渣与回收的DES 以1∶15 的固液比在130℃反应4h，反应完成后按照1.4 节中的方法进行分离和组分测定。按照此方法回收使用DES 4次。

2 结果与分析

2.1 不同种类DES的预处理效果

DES 预处理生物质的反应机理与DES 的性质有关，氢键供体与氢键受体的种类是影响DES 性质的重要因素。本文研究了不同HBA（氯化胆碱、苄基三乙基氯化铵）、HBD（乳酸、乙二醇、2-氯丙酸）以及结合FeCl组成的三元DES 对杨木水解渣的预处理效果。

2.1.1 二元DES对杨木水解渣的预处理效果

图1 为采用二元DES（C-Lac、C-2Cl、C-EG、T-Lac、T-2Cl、T-EG）处理杨木水解渣对其中木质素和纤维素的影响。如图1所示，C-Lac、C-2Cl和C-EG 预处理杨木水解渣后35.44%～58.95%的木质素被去除，而T-Lac、T-2Cl和T-EG预处理杨木水解渣后40.22%～68.00%的木质素被去除。Liu等利用TEBAC-乳酸在373K的温度下处理小麦秸秆，79.73%的木质素被去除。可以看出，苄基三乙基氯化铵基DES 体系比氯化胆碱基DES 体系具有更强的木质素去除能力。这可能是因为含有疏水性芳环结构的DES 能够有效提高木质素中疏水性苯丙烷基团的溶解。当2-氯丙酸作为氢键供体时，虽然C-2Cl 和T-2Cl 具有相对较强的木质素去除能力，但对纤维素的保留能力较弱，造成了纤维素组分的损失。而由乙二醇作为氢键供体的C-EG 和T-EG 对杨木水解渣预处理时纤维素保留率分别为90.58%和86.28%，相比于由其他氢键供体组成的DES有更高的纤维素保留率，在Hou等的研究中也表明当低共熔溶剂组分中的氢键供体包含更多羟基时，纤维素的保留率更高。

图1 二元DES对杨木水解渣的预处理效果

2.1.2 含FeCl的三元DES 对杨木水解渣的预处理效果

研究表明DES 对木质素的溶解能力与DES 的酸度有密切的关系，对木质素的溶解性能随酸含量的增加而提高，而作为路易斯（Lewis）酸的FeCl加入可以提高溶剂的酸性，从而具有更强的脱木质素能力。据报道，Lewis 酸可以明显提高木质素、半纤维素的去除以及纤维素的糖化效率。为进一步提高DES 对杨木水解渣木质素的拆解，在二元DES 的基础上引入FeCl，合成了C-Lac-Fe、 C-2Cl-Fe、 C-EG-Fe、 T-Lac-Fe、T-2Cl-Fe、T-EG-Fe 共6 种三元DES。图2 为采用三元DES 处理杨木水解渣对其中木质素和纤维素的影响。由图2可以看出，与二元DES类似，无论选择何种氢键供体，苄基三乙基氯化铵基DES 体系在处理过程中都比氯化胆碱基DES 体系具有更强的木质素去除能力。在3种氯化胆碱基DES的处理中，C-EG-Fe 处理效果最优，木质素去除率达到72.23%，纤维素保留率达到93.42%。而Hou等在使用氯化胆碱-乙二醇体系在120℃预处理稻草6h后，仅去除了26.00%的木质素。当使用苄基三乙基氯化铵基DES 处理原料时，T-Lac-Fe 对木质素有较强的去除能力（82.26%），但是在去除木质素的同时纤维素的损失较大，纤维素保留率仅为79.73%。而T-EG-Fe 与T-Lac-Fe 具有相当的木质素去除能力（80.46%），并且对于纤维素的保留率高达90.81%，在三种苄基三乙基氯化铵基DES中，T-EG-Fe 体系预处理能力最优。对于木质素组分而言，6种二元DES对木质素溶解能力均不如三元DES。其中，二元的C-EG 和T-EG 对木质素的溶解能力最弱，木质素去除率仅为35.44% 和40.22%，而对应的含有FeCl的三元C-EG-Fe 和T-EG-Fe 预处理杨木水解渣后木质素去除率分别提高到72.23%和80.46%。总的来说，FeCl的引入对杨木水解渣中木质素的拆解有促进作用，使木质素去除率提高了20%～50%。综上所述，在合成的DES 中，优选出三元T-EG-Fe 体系作为后续处理杨木水解渣原料的低共熔溶剂体系。

图2 三元DES对杨木水解渣的预处理效果

2.1.3 低共熔溶剂组分的摩尔比对预处理效果的影响

有研究发现DES 组分的摩尔比对木质纤维素原料中组分的溶解能力有影响。图3 所示为不同摩尔比的T-EG-Fe对杨木水解渣的预处理效果。由图3(a)可看出，固定TEBAC∶FeCl=1∶0.1，随着DES 中EG 组分摩尔比的增加，木质素的去除率略有增加，TEBAC∶EG∶FeCl=1∶10∶0.1时预处理效果最好，木质素去除率为82.00%。由图3(b)可以看出，固定TEBAC∶EG=1∶10，当FeCl摩尔比由TEBAC∶EG∶FeCl=1∶10∶0.05增加到1∶10∶0.1时，木质素去除率由60.03%提高到82.00%，继续增加FeCl的摩尔比，木质素去除率逐渐下降到77.89%和46.15%，这是因为DES中FeCl含量越多形成的DES 黏度越大，并且DES 中氢键作用越不稳定，造成对木质素的去除性能下降。而由于TEG-Fe对木质素具有较强的选择性，无论摩尔比如何变化，纤维素保留率均保持在90%左右。综上，优选摩尔比为1∶10∶0.1 的T-EG-Fe 体系进行后续的实验。

图3 T-EG-Fe摩尔比对杨木水解渣的预处理效果

2.2 T-EG-Fe预处理杨木水解渣工艺条件的优化

DES预处理木质纤维素过程受到温度、时间和固液比等因素的影响，通过优化条件参数提高DES的预处理效率。

2.2.1 固液比对预处理效果的影响

固定反应温度为120℃，反应时间为4h，优化预处理固液比（1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30）对木质素和纤维素组分的影响，图4 所示为不同固液比（原料∶DES，质量比）的预处理效果。由图4 可知，随着DES 用量由1∶5 增加到1∶15，T-EG-Fe 对杨木水解渣中木质素的去除率由69.59%增加到82.78%，纤维素保留率由92.26%增加到98.38%。在固液比从1∶20 逐步增加到1∶30的过程中，更多的DES进一步软化和渗透了原料的网络结构，造成生物质过度降解，一部分纤维素被溶解，使得纤维素保留率下降。固液比为1∶20 时，木质素去除率略微增加到83.12%，随后固液比逐渐增加到1∶30的过程中木质素去除率略微降低3.729%～4.537%。这是由于在较强的预处理条件下，碳水化合物的降解产物脱水缩合会形成假木质素，这使得回收得到的固体中木质素含量增加，导致木质素去除率略微下降。考虑到预处理成本、木质素的脱除率和纤维素的保留率，最佳固液比条件确定为1∶15。

图4 固液比对T-EG-Fe预处理杨木水解渣的影响

2.2.2 反应时间对预处理效果的影响

固定反应温度为120℃，反应固液比为1∶15，优化预处理时间（1h、2h、3h、4h、5h、6h）对木质素和纤维素组分的影响，图5所示为不同反应时间下预处理后固体残渣的回收率以及其组分含量。从图5可看出，随着预处理时间的延长，由于DES对木质素组分的溶解，固体残渣回收率逐渐降低，处理5h后固体回收率为66.55%，5h后继续延长时间，回收率基本保持不变。处理时间从1h 增加到5h，固体残渣中纤维素含量明显提高，继续延长处理时间，纤维素含量下降。杨木水解渣经过T-EG-Fe 预处理5h 之后，纤维素质量分数增加到92.20%，木质素质量分数仅为7.33%，绝大部分木质素被去除。通常，较高纯度的纤维素底物有利于得到更多的下游可发酵糖产物。在王冬梅的研究中，未处理时玉米芯纤维素纯度为33.9%，经过DES在不同条件下预处理后，固体残渣纤维素纯度提高到64.45%、70.07%和72.88%，糖化率从50%提高到73.6%、81.38%和98.56%。可见，本研究中此时回收得到的固体残渣是高纯度的纤维素底物，有利于提高后续酶解效率。

图5 预处理时间对T-EG-Fe预处理杨木水解渣的固体回收率及组分质量分数影响

2.2.3 反应温度对预处理效果的影响

固定反应时间为5h，反应固液比为1∶15，优化预处理温度（110℃、120℃、130℃、140℃）对木质素和纤维素组分的影响，图6所示为不同反应温度下预处理后固体残渣的回收率及其组分含量。由图6可看出，随着预处理温度的升高，大量木质素组分被溶解，同时在较高温度下纤维素组分也受到一定的破坏，固体残渣回收率逐渐下降。当预处理温度由110℃增加到130℃时，纤维素质量分数从68.45%逐渐增加到92.78%，同时木质素的质量分数从30.22% 下降到5.33%。随着温度升高到140℃，纤维素质量分数下降到84.48%，过高的预处理温度会导致木质纤维素中碳水化合物组分的降解。因此，T-EG-Fe处理杨木水解渣的最佳温度条件为130℃。

图6 预处理温度对T-EG-Fe预处理杨木水解渣的固体回收率及组分质量分数影响

2.2.4 T-EG-Fe的回收使用

通常DES具有良好的回收使用性能，图7所示为DES 回收使用的预处理效果。由图7 可以看出，随着使用次数的增加，DES对木质素的去除能力逐渐减弱。回收三次后，木质素去除率由91.73%下降到66.91%，纤维素保留率始终保持在90%以上，表明回收使用三次的DES 仍具有一定的预处理性能。随着回收次数的增加，回收的DES 中氢键相互作用的减少以及黏度的增大会导致预处理性能降低。

图7 T-EG-Fe回收次数对杨木水解渣预处理效果的影响

3 结论

开发了一种可高效预处理木质纤维素的方法，提出了利用三元DES 预处理杨木水解渣拆解木质素，为木质纤维素生物质的全组分利用提供技术参考。

（1）DES组分对其预处理木质纤维素的能力有较大影响。苄基三乙基氯化铵作为氢键受体的DES对木质素的去除能力优于氯化胆碱作为氢键受体的DES。在合成的6种三元DES 中，以苄基三乙基氯化铵作为氢键受体的T-EG-Fe 预处理效果最优，木质素去除率为80.46%，纤维素保留率为90.81%，并且T-EG-Fe具有较好的回收使用性能。

（2）在木质纤维素预处理过程中，温度和时间是最重要的工艺参数。T-EG-Fe 预处理杨木水解渣最优的工艺参数为固液比1∶15，预处理温度130℃，预处理时间为5h，得到的固体残渣中纤维素质量分数为92.78%，木质素质量分数为5.33%。