氯化胆碱类低共熔溶剂对木质纤维素分离及其利用的研究进展

柳静，王昌梅，赵兴玲，吴凯，尹芳,2，杨红，杨斌，梁承月，张无敌,2

（1云南师范大学能源与环境科学学院，昆明 650500；2云南省农村能源工程重点实验室，昆明 650500）

0 引言

在能源短缺和环境保护的双重压力下，世界能源格局发生了深刻变革，发展可再生清洁能源已经成为各国学者研究的重点。木质纤维素是自然界中储量最丰富的可再生资源，来源广泛且易获取，然而实际利用率却并不高。木质纤维素既可以转化为能源燃料，也可以进一步加工为各种高附加值产品。构成木质纤维素的三大组分分别是纤维素(35%～50%)、半纤维素(20%～35%)及木质素(10%～30%)[1,2]，各组分之间通过共价键和非共价键相互链接，构成了极其复杂的网状结构，难以直接利用。预处理是生物精炼过程中的关键步骤，约占整个生物精炼过程总成本的40%[3]。近年来，科学家们围绕木质纤维素原料的组成成分对其进行处理转化，以求实现高值化利用。其中，纤维素和半纤维素经过转化生成糖类，再经过生物转化得到液体燃料，木质素通过转化为化工产品能应用于不同领域。

围绕木质纤维素的预处理问题，国内外研究人员先后对各种预处理方法进行深入研究，并进行广泛评价，如酸处理法、碱处理法、有机溶剂处理法、离子液体处理法、生物处理法等[4-5]，都能够有效将纤维素、半纤维素和木质素三组分进行分离。然而这些方法各有利弊：酸碱预处理法提取出的纤维素纯度高，易于酶解，但容易对设备造成一定程度的损坏，其他组分作为废液处理会污染环境且造成资源浪费；湿法氧化处理会造成半纤维素的大量流失，降低工艺的经济性；有机溶剂预处理条件较为温和，但处理步骤繁琐，存在安全隐患，溶剂难回收等问题；由于离子液体处理法成本高、毒性大、不可回收性和不可生物降解性，其工业化应用受到限制；生物法处理周期长且成本高，难以达到工业化的要求[6]。为实现生物质资源的高值化利用，探究一种绿色高效预处理方法是本领域亟待攻克的技术难题[6]。

低共熔溶剂(Deep eutectic solvents，DESs)是一种新型的绿色溶剂，与离子液体相比，具有原料来源广泛、容易制备、低毒性及可生物降解等优势[7]。自ABBOTT[8]等首次合成DESs以来，因其选择性溶解多糖和木质素的特点，被广泛应用于木质纤维素原料分离提取[9-10]。ZHANG 等[11]使用氯化胆碱和甘油合成DES预处理玉米芯，木质素去除率达到71.3%。CHEN等[12]使用氯化胆碱/乙二醇预处理柳枝稷，木质素去除率可以达到54%。VALLARI[13]用氯化胆碱分别与丙二酸、甘油、乳酸合成DESs，预处理甘蔗渣。研究表明，氯化胆碱/乳酸对甘蔗渣木质素去除率达到81.6%，酶解糖化效率提高至98.5%。

然而，DESs 预处理过程是一个复杂的反应体系，预处理的效果受到许多因素的影响，如DESs的性质、预处理温度、预处理时间等。MASSAYEV[14]用PCA和PLS 分析方法研究了影响DESs 预处理效果的变量。结果显示，最显著的变量是强度因子、溶剂类型、粒度、搅拌强度和氢键供体。目前，DESs在木质纤维素领域的研究范围逐渐扩大，对于其将生物质资源预处理并有效加工成可持续的生物燃料少有报道。基于目前的研究现状，本研究在概述DESs 的性质和预处理机理的基础上，从不同预处理的条件和不同氢键供体方面阐明了DESs预处理对木质纤维素酶解及发酵产乙醇的影响，为木质纤维素的高效利用提供研究方向。

1 DESs的合成及性质

1.1 DESs的合成

低共熔溶剂(DESs)是氢键供体(Hydrogen Bond Donors, HBDs)与氢键受体(Hydrogen Bond Acceptors,HBAs)以固定摩尔比，在一定的温度和环境压力下，通过分子间氢键作用形成的共晶混合物。合成DESs的方法有加热法、研磨法和旋转蒸发法[15]。DESs的一般表达式为Cat+X-zY，其中Cat+表示阳离子基团包括铵、磷或锍阳离子；X-代表路易斯碱，通常是卤素阴离子；Y表示路易斯酸或布朗斯特酸；z表示与阴离子相互作用的分子数量[16]。DESs 中使用的氢键供体HBDs（乳酸、甲酸、甘油等）和氢键受体HBA（氯化胆碱，ChCl)，能够提供和接受质子，它们之间能够形成氢键[17]。这类DESs 容易制备，且绝大多数可生物降解，价格低廉，与咪唑盐类离子液体有相似的理化性质，可以被用来代替离子液体[16]。

1.2 DESs的性质

1.2.1 凝固点和熔点大多DESs的熔点都低于150℃，并低于其单一组分。ABBOTT等[18]认为凝固点主要取决于胆碱盐与氢键供体的晶格能大小、相互结合方式以及其形成液相过程中的熵变。HBAs 和HBDs 之间氢键的形成促进电荷离域化使得熔点低于单个组分[19]。胆碱类DESs的熔点为固体组分熔化形成DESs时的特定温度，决定了其适用温度的下限。DESs熔点受到HBAs/HBDs 摩尔比、HBDs 选择、制备方法等的影响。DESs熔点的降低程度与HBDs和HBAs间形成的氢键键能大小密切相关，通过设计合适的HBAs/HBDs摩尔比，可以得到该DESs的最低共熔点[20]。

1.2.2 密度通常，大多数DESs 表现出比水更高的密度，并且受温度及其组分结构、比例等情况的影响。温度升高可以增大分子动能和分子间距，提高分子流动性，进而使DESs 体积增大，DESs 密度得到降低[21]。ZHAO 等[22]制备了20 组胆碱类DESs，研究发现HBDs中羧基的存在和溶剂中不同程度的氢键提高了DESs的密度。聂文洁[23]运用分子动力学模拟研究了ChCl/乙二醇、ChCl/丙二醇、ChCl/丁二醇溶剂的性质和结构特性，发现密度随着温度呈现线性变化。

1.2.3 黏度DESs的黏度是工业应用中的关键参数，与常规离子液体相比，胆碱类DESs 的黏度比分子流体和高温熔融盐都要大[24]，且受温度的影响较大。升高温度可使DESs分子获得足够的动能来克服分子间作用力，实现运动自由，分子间范德华力和氢键相互作用也随之减弱，DESs 黏度可以得到降低。DAI 等[25-26]发现，当温度从20℃升高至40℃，ChCl/葡萄糖黏度可降低67%。

DESs 的高黏度会阻碍热量以及反应过程中的传质，降低预处理过程的效率。DESs 具有吸湿性，可以从空气中和木质纤维素材料中吸收水分。YANG等[27]发现ChCl/尿素可以从空气中吸收水分来降低黏度和电化学窗口，SHAUKAT 等[28]发现水分的存在会降低DESs 的黏度。ABBOTT 等[29]采用空穴理论研究ChCl与羧酸形成的DESs 时发现，黏度受离子的流动性和空穴效应的影响。DESs各组分间的氢键网络、范德华力、静电作用等也大大降低了溶剂的流动性。研究还发现，添加适量的水能够显著降低DESs 的黏度并增大其溶解度[30]。在实际应用中，可以考虑通过优化流动性来降低DESs黏度，如在制备DESs过程中增加水分进行组分调节，可降低反应体系的黏度，优化反应机制，提高反应速率。

1.2.4 电导率大多数DESs 具有弱导电性（常温下＜1 mS/cm），DESs 的电导率大小与温度有关。将电导率与温度的关系用Arrhenius 方程拟合：lnσ=lnσ0-Eσ/RT，lnσ随T-1线性降低，即电导率随温度升高而增大[31]。电导率与DESs 黏度同样有关。ABBOTT 等[18]对电导率和黏度的活化能进行比较，发现ChCl摩尔比在30%～70%时，电导率与黏度的倒数是呈线性相关[19]。

1.2.5 极性与pH DESs的极性对用作工业有机溶剂的环保替代品非常重要。大多数的DESs 是极性溶液，具有高极性和氢键接受能力的DESs可以更容易地分解生物质以去除木质素。研究表明，DESs可以通过提供合适的极性来增强预处理过程中的反应活性[32-33]。

DESs 的酸碱性是非常重要的物理化学性质。DESs 中的HBDs 和HBAs 决定了溶剂的pH 值。HAYYAN 等[34]以果糖作为HBD，与ChCl 合成DESs，研究了HBD 对DESs 中pH 值的影响，发现HBD 摩尔比的增加会导致DESs的pH值升高。ABBOTT等[35]证明，向ChCl/甘油混合物中添加氯离子会降低DESs 的酸度，并将混合物的pH 值变为碱性。此外，DESs 的pH值受温度影响较大。随着温度的升高，DESs的pH值线性降低[36]。SKULCOVA等[36]发现醇基DESs的pH值随温度升高缓慢下降，而羧基DESs 的pH 值温度升高急剧下降。

部分DESs的物理化学性质总结如表1所示。

表1 部分DESs的物理化学性质

2 DESs对木质纤维素预处理机理

2012年，FRANCISCO等[41]合成出多种DESs用于加工木质纤维素，首次证实了DESs 对木质纤维素类生物质的增溶能力[42]。

由于具有较强的氢键形成能力，DESs对木质纤维原料中各组分具有选择性或者优先溶解性，过程相对简单温和[43]。除了破坏连接木质素半纤维素的共价键和连接木质素纤维素的氢键外，DESs对木质素的生物质分馏主要依赖于木质素中芳基醚（C-O 键）和碳-碳键（C-C 键）的裂解[40]。DESs 对木质素有着较强的溶解能力，并且在溶解过程中几乎不破坏木质素的骨架结构，只是在一定程度上使木质素发生降解，生成部分甲氧基[44]。LYNAM等[45]制备了5种DESs（ChCl/甲酸、ChCl/乳酸、ChCl/乙酸、甜菜碱/乳酸、脯氨酸/乳酸）用于溶解碱木质素、木聚糖和纤维素的混合物模拟生物材料，通过测定溶解度（见表2）发现在60℃时就能够溶解木质素，对纤维素和木聚糖几乎不溶解。DESs预处理木质纤维素的效果与预处理时间、预处理温度、HBDs 类型的不同而有显著差异，下面对各因素进行讨论。

表2 木质纤维素不同组分在部分DESs中的溶解度

2.1 时间对DESs预处理效果的影响

木质纤维素的预处理效果与预处理时间密切相关。熊龙[46]以构树木粉为原料，在140℃下，采用ChCl/乳酸（摩尔比为1:2）分别经过1、2、3、4 h 预处理，处理后纤维素含量明显增加。与未处理组相比，4 个时间下的残余物回收率随着处理时间的增加而逐渐降低。可能的原因是乳酸是中强酸，随着处理时间的延长和羧酸基团的剧烈作用，原料发生焦化[11]。解先利[47]等用ChCl/乙醇胺对甘草渣进行预处理，经过不同时间预处理后(1、2、3、4 h)，发现半纤维素和木质素在预处理4 h后去除率相对较高。

2.2 温度对DESs预处理效果的影响

根据范特霍夫定律和阿伦尼乌斯(Arrhenius)公式，化学反应的速率会随着温度的变化而变化，进而影响到预处理的效果。酸性和碱性的DESs预处理木质纤维素原料还受到温度的影响。杨宇辰等[48]分别合成了ChCl/草酸、ChCl/甲酸、ChCl/乳酸、ChCl/乙二醇、ChCl/甘油5种DESs体系，对玉米芯进行预处理，研究发现预处理后的固体物质回收率随着反应温度的升高而下降。对于碱性DESs 也同样存在这样的现象。Procentese等[49]制备ChCl/尿素（80℃和115℃）和ChCl/咪唑（80、115℃和150℃）两种碱性DESs 对玉米芯进行预处理，研究发现木质素去除率随着温度的升高而增加。

熊龙[46]发现随着DESs预处理温度的上升，残余物中纤维素含量由36.31%增加到73.20%，木聚糖含量先降低然后保持在3.83%，而木质素含量降低幅度不大。这是因为在预处理过程中，随着温度升高，反应的速率加快，促进了木质素的去除，加之半纤维素和非结晶区纤维素大分子部分转化为低分子量可溶性产物，导致残渣回收率降低，与LI等[50]的报道结果一致。因此，纤维素纯度越高、残余物的回收率越低成为了一个预处理的普遍现象。

同时，温度升高会影响DESs 体系中氢键网路，导致体系中部分分子脱离氢键束缚，进行自由扩散，从而降低DESs体系的黏度，增强DESs溶剂的渗透性[23]，从而破坏木质素、半纤维素和纤维素之间形成的复杂氢键网络，溶解生物质的部分木质素、半纤维素和纤维素。GUO等[51]制备了ChCl/甲酸、ChCl/1,4-丁二醇、甜菜碱/乳酸三种DESs，分别在80℃、100℃、120℃进行预处理，研究发现木质素去除率均随温度的升高而增大[52]。但是预处理温度升高，纤维素损失率也会增加。熊龙[46]的研究中发现新随着预处理温度从140 ℃升至180℃，残余物回收率由78.40%下降到30.10%，纤维素损失率由1.36%提高39.32%，木聚糖去除率高达95.18%，当温度为170℃和180℃时，木质素去除率和酶解消化率几乎没有变化，这可能是原料在DESs预处理中多糖的大量损失，反而影响到酶解作用[48]。多名学者的研究也证实了当木质素去除率达到较高程度后，进一步的木质素脱除并不会促进后续酶解作用，并且木质素的全部去除并非是提高酶解消化率的最优途径[53]。此外，也有研究发现随着预处理温度升高，木质素的去除率反而降低。YU 等[54]制备的ChCl/甲酸（摩尔比为1:6）用于草药残留物预处理，预处理温度为从100℃增加至120℃时，木质素去除率反而降低。由此可知，木质素的去除效果受DESs 的组成成分及其摩尔比、反应条件等多种因素的影响[52]。因此，木质素去除率、酶解效率与预处理温度之间的关系是进一步研究的重点。

2.3 HBDs的选择对预处理效果的影响

在胆碱类DESs 中，预处理的效果很大程度上与HBDs的选择有关（见表3）。基于多元醇组成的DESs体系，羟基的数量与木质素去除能力有关。HBDs 中羟基越多，DESs木质素去除率就越低。HOU[55]制备不同醇基的DESs 对稻草秸秆进行预处理时发现，预处理效率和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。原因在于更多羟基的存在会形成更强的分子间氢键，其稳定性更强，黏度更高，这需要更多的能量来弱化氢键结构，降低其黏度，从而有利于渗透到木质纤维素中并与之相互作用[25]。

表3 不同种类DESs对木质素的分离效果

ChCl 与羧酸组成的DESs 体系，木质素去除能力与溶剂pKa 值密切相关。DESs 组分的pKa 值与解离原子的电子位置和质子溶剂化自由能相关，即溶剂中的pKa值代表给出质子能力和溶剂体系内氢键强弱情况[56]。 pKa 值越低，溶剂的酸性就越强。FRANCISCO[57]的研究发现，由于半纤维素对酸较为敏感，pKa 值增大，体系酸度减弱，木聚糖的去除率降低[55]。酸性的DESs 体系在去除木聚糖和木质素方面表现出显著的效果，同时还能保证大部分纤维素的完整性[53]。酸性HBDs 官能团的选择对于DESs 体系也是至关重要的。在酸的官能团方面，TAN[58]研究了官能团类型对木质素提取效果的影响，HBDs 中存在的羟基、双键、短烷基链和单羧酸结构有利于木质素的提取。值得探究的是，烷基或吸电子基团的存在也会影响酸基DESs体系的性能。较长烷基链酸构成的DESs体系，由于酸的空间位阻较大，显著减少了生物质与DESs之间的相互作用。

碱基DESs 体系主要含有胺和酰胺基团，以此作为HBDs，对木质素的去除率较为显著。同时，木质素去除效果与DESs 的碱性强弱也有关，DESs 的碱性越强，木质素去除率就越高。赵峥等[59]选用几种不同碱性DESs 对小麦秸秆进行预处理，研究发现三种乙醇胺基DESs 木质素去除率依次为：ChCl/乙醇胺、ChCl/二乙醇胺、ChCl/甲基二乙醇胺。木质素去除效果与其pH 值相对应，当pH 值大于10 时，木质素的去除效率显著增加。碱性DESs 中HBDs 中氨基数量也与木质素去除能力有关。HOU 等[55]制备不同的酰胺基DESs对稻草秸秆进行预处理，发现DESs 的预处理效率和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。可能是由于HBDs中氨基数量越多，在溶剂体系中形成的氢键越多，因此没有足够量的游离和活性基团与生物质各组分相互作用，导致预处理的效果不佳。

3 DESs预处理对纤维素素酶解效果的影响

木质素、半纤维素的存在以及纤维素的结晶情况对酶水解过程有着紧密联系[63]。在酶解过程中，木质素作为阻止纤维素酶水解纤维素的物理屏障。通常，满意的水解性能取决于半纤维素和木质素的有效去除。ZHOU等[64]指出纤维素转化率与木聚糖和木质素的去除率呈正相关(R2＞0.77)。通常，含有酸基的DESs在糖化方面比醇解和酰胺基DESs 更有优势，能有效提高酶解效率。TIAN等[65]指出，具有双键、羟基、短烷基链和单羧酸结构的DESs 在生物质馏分上表现更佳。杨宇辰等[48]发现草酸和甲酸与ChCl组成的DESs溶剂在100℃预处理玉米芯后能获得最高的酶水解率，分别为55.87%和47.54%，乳酸与ChCl 组成的DESs预处理玉米芯后酶水解率由80℃的36.90%提高至140℃时的94.11%，葡萄糖回收率也由34.35%提高至85.00%。ZULKEFLI 等[66]将氯化物-乙二醇（EAC:EG）用于油棕树干(OPT)纤维预处理，葡萄糖产量为74%。HOU等[55]将ChCl/草酸和ChCl/尿素用于水稻秸秆纤维预处理，葡萄糖产量达到90.2%。杨露敏[67]以甘蔗渣为原料进行DESs 预处理，发现ChCl 和草酸的组合木聚糖去除率最高，达到93.9%；ChCl和乳酸组合的DES木质素去除效果最好达到83.6%。

由于酶在多元醇基DESs 中显示出优异的稳定性，具有多元醇基DESs 在生物质回收糖能力方面具有较好潜力。PROCENTESE 等[68]使用ChCl/甘油和ChCl/乙二醇预处理农业食品废物，结果表明，从食品废物中可获得大约217 kt/a的总可发酵糖。虽然多元醇基DESs在糖化方面表现优异，然而由于缺乏酸度，在木质素和木聚糖去除效果上低于酸基DESs。因此，部分研究学者采取将醇基的DESs与酸结合后来提高其性能。GUO等[69]使用ChCl/甘油与硅钨酸辅助预处理奇岗，其中酶解效率可达到97.3%，在12 h内葡萄糖产率为80%。值得注意的是，单独使用ChCl/甘油时仅去除1.6%的木质素和5.3%的木聚糖，而引入杂多酸后，木质素和木聚糖的去除率显著提高，分别上升至89.5%和58.5%。CHEN等[70]通过酸化含水DES（ChCl/甘油，含0.9% H2SO4）将柳枝稷分馏成木质素、富含木糖的预处理水解物和富含纤维素的纸浆，其中富含纤维素的纸浆酶水解可实现89%的葡萄糖产率。

为降低生产成本，在工业化生产中若采用预处理后直接进行酶解，需要评估纤维素酶对DESs 溶剂的适应性。GUNNY 等[71]合成了ChCl/甘油、ChCl/乙二醇、ChCl/丙二酸三种DESs 用于评价纤维素酶的稳定性，结果显示在10%(v/v)的ChCl/甘油和ChCl/乙二醇酶解体系中，纤维素酶活能够保持其90%以上的活性，而在含有丙二酸的DES 的24 h 内，活性降低了60%。WAHLSTROM等[72]比较了三种里氏木霉纤维素酶（纤维素二糖水解酶Cel7A、纤维素内切酶Cel5A 和Cel7B）以及一种里氏木霉木聚糖酶Xyn11在3种高浓度DESs 溶液中的稳定性，发现ChCl/甘油(1:1)对纤维素酶具有高度稳定性，酶的活性变化较小，但预处理效率有限。王冬梅[73]观察了ChCl/甲酸残留量对纤维素酶活性的影响，当残留量低于2%时，糖化6 h纤维素酶活性不受影响。KUMAR 等[74]研究了ChCl/甘油、ChCl/1,2-丙二醇、ChCl/乙二醇等DESs 对纤维素酶活性影响，发现在高浓度下（DESs 添加量为30%），对纤维素酶活性无明显抑制。在ChCl/甘油、ChCl/1,2-丙二醇添加量为10%的浓度体系中，对克拉维孢菌NRRL Y-50464的生长速率、糖消耗和乙醇生产没有影响，而10%(v/v)的ChCl/乙二醇抑制并延迟了微生物的细胞生长。

这些研究表明一些DESs 对纤维素酶活性的影响较小，且与纤维素酶具有良好的相容性，生物质预处理糖化一步法工艺是可行的，可在一定程度上控制生产成本。为了更好地利用DESs，还需进行纤维素酶对DESs的耐受限度、抑制机理方面开展进一步深入研究。

4 DESs预处理对乙醇产量的影响

利用木质纤维素原料生产乙醇最早是1910 年由Heinerch 等[75]通过酸水解木材和发酵得到的，至今已有上百年的时间。目前，常规的木质纤维素生产乙醇的工艺包括原料预处理、酶水解、乙醇发酵和分离提纯等步骤。经DESs预处理后的木质纤维素对生物发酵过程并无明显的抑制作用，然而利用DESs 预处理后的木质纤维素为原料进行乙醇生产的研究并不多。

GUO等[69]利用ChCl/甘油预处理的奇岗进行半同步糖化发酵，获得了81.8%的乙醇产率，发酵效率高达97.3%，是未预处理的8 倍。KUMAR 等[74]使用ChCl/甘油预处理后的稻草进行水解发酵，可获得226.7 g/L的最大还原糖，并且还原糖可以有效的发酵成乙醇。

近年来，也有研究人员将利用预处理后的木质纤维素生产丁醇，也获得较好的成果。CHEN 等[76]利用乙二醇/ChCl 体系在酸性条件下预处理柳枝稷，葡萄糖产率达到86.2%，经过芽孢杆菌发酵后2，3-丁二醇产量为90.2 g/L。XU 等[77]利用ChCl/甲酸体系对玉米秸秆进行预处理，半纤维素和木质素的脱除率分别为66.2%、23.8%，酶解后葡萄糖产率达到99%，发酵所得丁醇浓度为5.63 g/L。这些研究成果证明了从木质素纤维素原料制备生物燃料过程中，DESs预处理木质纤素是一种有前景的工艺技术。

5 展望

DESs凭借其独特的物化性质，在处理木质纤维素方面展现了独特的优势，不仅被成功应用于生物质组分分离，还推动木质纤维素转化为生物燃料[78]。但目前DESs 的研究与应用尚处于初级阶段，其工业化利用还需突破以下几个方面的问题。

（1）DESs 研究机理方面，前期的研究主要集中在DESs 组成成分对预处理机理及效果的影响，还需对DESs 理化性质方面（如黏度、电导率、密度、表面张力等）进行探究，为DESs的实际应用提供理论指导。

（2）基于DESs 的可设计性理念，辅助分子模拟手段，设计针对不同来源的木质纤维素DESs，以提高目标产物得率。

（3）进一步研究DESs 的可回收性和再利用性。开发DESs回收新技术工艺，提高回收利用率，降低产业化成本。溶剂的可回收性和重复使用性决定了DESs预处理生物质的工艺可行性。

（4）预处理条件进一步优化。通过探究预处理条件（如DESs 用量、时间、温度）与纤维素酶的协同效应，减少纤维素酶的使用，降低生产成本。在生物质精炼工艺中，预处理阶段约占总成本的40%，其中水解阶段为整个工艺带来较大成本，如果纤维素酶可以实现回收或者再利用，可以大大降低生产成本。

随着研究的不断深入，DESs 在木质纤维素原料预处理方面会逐步实现高效化、低能耗。通过充分利用DESs 预处理技术的优势，探索生物质原料可持续转化为生物燃料或更多种类的高附加值产品，降低成本，提高生产工艺的经济可行性，减少对化石燃料的依赖。