助水溶剂应用在生物质精炼领域的研究进展

尹崇鑫， 王 敏， 程金兰*， 卞辉洋， 吴伟兵， 戴红旗

(1.江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室(南京林业大学),江苏 南京 210037;2.南京林业大学 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏 南京 210037)

当前资源短缺和能源危机问题日益突出，使木质纤维原料制备生物基材料、化学品以及能源的研究备受重视。生物质精炼是将生物质资源转化为多元化、高附加值生物质产品的一种有效途径，是实现高值化利用原料和资源化利用三废的有效技术[1]。木质纤维原料精炼的前提是将其化学组分(主要成分为纤维素、半纤维素和木质素[2])进行分离，而木质纤维原料的生物结构和化学组成具有顽抗性，需要通过预处理将其化学组分进行分离。预处理可降低纤维素结晶度，改变及去除木质素，增加纤维素的可及表面积，达到提高纤维素酶解和转化效率的目的[3]。通过预处理还可得到部分半纤维素和木质素产品。目前已有的木质纤维预处理方式很多[4-8]，但都存在一些局限性，比如对反应环境要求较高[9]；纤维素和半纤维素组分的损失较大[10];易产生弱酸、糠醛、酚类等副产物[11]；木质素易发生缩合反应，很难被进一步利用[12]；化学品回收难度大,易对环境造成污染[13]等，寻求新的工艺方法是当前研究热点。将助水溶剂体系应用到生物质精炼领域中是一种新的探索与尝试，已取得的研究成果表明助水溶剂可以在低温、短时的条件下对木质纤维组分进行有效地分离，不需要高温高压的压力容器，可节约生产成本，提高生产效率，降低能源消耗，是一种环境友好的绿色工艺，助水溶剂体系应用到生物质精炼领域具有很大的发展潜力。

1 助水溶剂

Neuberg在100多年前最先提出hydrotrope一词，指的是一类能够有效增加疏水性有机物质在水中溶解度的两亲性化合物[14]。这些化合物在水溶液中能与疏水性有机物相结合从而增加其溶解度[15-16]，本文中将hydrotrope译为助水溶剂。

助水溶剂通常是一些高度亲水的化合物，结构跟表面活性剂类似，一端是大的有机离子(亲油离子)，另一端是小的无机离子(亲水离子)。助水溶剂虽是两亲性分子，但相对分子质量比表面活性剂小，在水溶液中不能自发形成平衡结构，可以形成动态的、非共价的聚类装配体，称为团簇[17]。在疏水化合物存在的情况下，这些团簇结构更加稳定，从而形成寿命长、高度稳定的介观液滴，此现象即为“介观溶解”现象。这些介观液滴结构具有一个疏水性强的核心，被一个由水和亲水分子组成的氢键壳所包围，这些液滴的稳定性较好，可维持稳定状态达1年以上[18-19]。与表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)相似，助水溶剂在帮助疏水性有机物溶解时，有最小助溶浓度(MHC)[20]。当助水溶剂浓度低于MHC时，其中的疏水性物质由完全溶解状态转变为部分溶解状态，原先的均匀胶束溶液发生两相分离，疏水性物质逐渐析出。基于此原理，用助水溶剂体系处理木质纤维原料时，在助水溶剂浓度高于MHC的情况下，疏水性的木质素分子可以从木质纤维原料中溶解出来，与纤维素和半纤维素分离。含有木质素的助水溶剂溶液用水进一步稀释至MHC浓度以下时，可从助水溶剂溶液中析出较为纯净的木质素沉淀。

目前，应用到生物质精炼领域的助水溶剂大都含有芳香环，如图1所示。

图1 常用助水溶剂及其结构式

2 在生物质精炼领域的应用

2.1 木质纤维原料组分分离

传统的木质纤维原料组分分离技术大都是在高温、高压条件下进行，高温高压下木质素中的β-O- 4结构断裂多，易导致木质素失活或缩合，后续催化解聚生产高附加值的生物油与平台化合物等时得率降低[21]。而助水溶剂可以主要使木质素增溶[22]，木质纤维组分分离的反应条件相对温和，可以相对完整地保持木质素与纤维素的结构，有利于分离组分的高值化利用。

Ansari等[23]分别使用不同的助水溶剂二甲苯磺酸钠(SXS)、枯烯磺酸钠(Na-CS)和正丁基苯磺酸钠(Na-NBBS)对甘蔗渣原料进行处理，发现在相同的反应条件下，SXS的脱木质素效果优于Na-NBBS和Na-CS，在SXS质量分数30%、 115 ℃的条件下对甘蔗渣处理240 min，甘蔗渣原料的脱木质素率可达85%。Olsson等[24]先用蒸汽爆炸预处理(STEX)，再用助水溶剂SXS处理(HEX)混合木片(80%桦木+20%山毛榉木片)，研究表明：将STEX、 HEX两种工艺处理结合的方法可以使木质纤维组分得到更高效地分离，得到的固体产物中的纤维素组分保留率达99%，跟单纯的HEX处理比，可以在废液中多回收超过70%的半纤维素和50%的木质素。用STEX、 HEX两种工艺结合处理得到的固体组分酶水解转化率可达47%，高于仅用HEX处理得到的29%。Chen等[25]用助水溶剂对甲苯磺酸(p-TsOH)处理杨木的过程中，发现在一定的条件下纤维素的保留率可达90%以上，70%～90%的木质素、75%以上的木聚糖和50%以上的甘露聚糖等则溶解在废液中。在80 ℃、30 min的处理条件下，可以脱除大约90%的木质素，其效果相当于使用盐基助水溶剂在≥150 ℃的温度下反应10 h以上或在150 ℃条件下碱法制浆2 h的脱木质素效果。Song等[26]研究比较了乳酸/甜菜碱深共熔溶剂体系(DES)和p-TsOH体系脱除木质素的能力，发现在140 ℃下，DES体系脱除木质素的选择性更强，纤维素与半纤维素的回收率更高。但p-TsOH可以在相对较低的温度(50～80 ℃)下有效地脱除51%～96%的木质素，且在50 ℃下p-TsOH处理得到的木质素的相对分子质量和性能与相应的未处理的玉米秸秆和柳树浆中分离出来的酶解木质素(EMAL)相当，只是半纤维素的回收有些困难。说明在常压且不高于100 ℃的低温条件下，p-TsOH可有效地实现生物质组分分离，且分离得到的木质素结构被破坏的程度相对较小，p-TsOH具有在生物质精炼领域广泛应用的潜力。Devendra等[27]使用Na-CS对稻草进行脱木质素处理，研究表明：在5%的生物质用量、121 ℃的温度下反应1 h，可脱除稻草中50%以上的木质素，且水解溶液中的纤维素和半纤维素没有损失。马来酸(MA)也可以作为助水溶剂应用到木质纤维组分分离中，MA的MHC(25%)约为p-TsOH的MHC(11.5%)的2倍[28]，因此从废液中分离得到木质素时的稀释用水量更低。Cai等[28]的研究表明，在MA质量分数为50%、温度为100 ℃、反应时间为30 min 的条件下对桦木进行处理，木质素的脱除率可达69.0%，木聚糖降解率为48.5%，纤维素损失率为5.5%。

将助水溶剂体系应用到木质纤维组分分离领域中，一般都在常压环境下进行，处理温度通常只有100 ℃左右，甚至更低。若要尽可能地减少木质素产物中β-O- 4键的断裂，可以选择较短的反应时间，相对较低的助水溶剂浓度，同时原料中的纤维素和半纤维素也可以相对完整地保留，但木质素的脱除率可能受限；若要使木质素的脱除率尽可能高，可以选择较长的反应时间或较高的助水溶剂浓度，但此时的纤维素和半纤维素破坏程度增加，得率降低，且易导致木质素的失活。

2.2 生物乙醇的制备

利用木质纤维原料生产纤维素乙醇、生物质柴油等化石燃料的代替品的可行性已被广泛认可[29]。木质纤维生产乙醇首先要进行预处理，脱除部分木质素，打开木质素、半纤维素和纤维素紧密包裹结构，让酶能够接触到纤维素和半纤维素。用纤维素酶分解纤维素后得到葡萄糖，半纤维素酶解后主要得到木糖，将酶解产物单糖用酿酒酵母等发酵后得到乙醇。通过助水溶剂预处理，可以有效减少木质纤维中的木质素和半纤维素含量，研究发现：脱除生物质材料中的木质素和半纤维素均可以提高底物的酶解转化率[30-31]，从而提高生物乙醇产量，增加生物质利用价值。

Mou等[32]分别使用质量分数30%的助水溶剂SXS与质量分数0.17%的甲酸的混合溶液(160 ℃，1 h)、碱(20% NaOH，60 ℃，2 h)、碱性过氧化氢(20% NaOH+25% H2O2，室温，24 h)等对芦苇秸秆进行了预处理，对预处理后得到的水不溶固体产物(WIS)进行分析，发现SXS和甲酸混合预处理(Rsxs)主要通过自水解作用和提高木质素的溶解性来脱除木质素，碱性预处理(RN)和碱性过氧化物预处理(RH)会发生β-醚键断裂反应使木质素碎片化，比SXS预处理能更有效地脱除木质素。但RN和RH预处理后的木质素容易沉积在纤维表面，会阻碍纤维素与酶的反应，而Rsxs预处理得到的水不溶性固体产物(WIS)更易与纤维素酶反应。经分析，对提高酶对纤维素的可及度而言，表面木质素的脱除量比总木质素脱除量更重要；另外还对比了SXS和有机溶剂对桉木的预处理效果，发现SXS预处理后，木糖和木质素的含量明显降低，更多的纤维素暴露在纤维表面，增大了酶可接触的表面积；助水溶剂处理后的纤维细胞壁结构明显打开，纤维表面出现较多空洞，且底物中的乙酰基和酚羟基含量降低，有利于酶的吸附，提高酶解转化率，所以助水溶剂预处理后的酶解效率大大高于有机溶剂预处理的酶解效率[32-33]。从研究结果可以看出，使用助水溶剂SXS预处理木质纤维原料与碱法和有机溶剂预处理法得到的WIS的酶解效率相似甚至更高，说明使用助水溶剂预处理木质纤维原料制备生物乙醇的方法是可行的。Devendra等[27]通过比较Na-CS和SXS处理对稻草生产生物乙醇的影响，发现与SXS相比，Na-CS具有更好的脱木质素性能，在121 ℃、5%的用量下，用Na-CS可以脱除稻草中50%以上的木质素，且稻草原料的酶解效率更高。经两种不同的助水溶剂处理得到的WIS都可以有效发酵乙醇， Na-CS预处理得到的乙醇产率为7.4 g/L，转化效率为73.5%；SXS预处理得到的乙醇产率为4.08 g/L，转化效率为79.6%。Mikulski等[34]使用Na-CS对黑麦、小麦和玉米酒糟进行了预处理，发现预处理得到的WIS中的阿魏酸与羟甲基糠醛等抑制物含量明显降低，有利于糖彻底地发酵转化为乙醇。预处理不仅使酶解后单糖的得率显著增加，发酵后的乙醇产率也得到明显提升。经Na-CS处理得到的WIS中的葡萄糖在发酵72 h后全部转化为乙醇，每100 kg原料的玉米、黑麦和小麦的乙醇产量分别从从未经Na-CS处理的5.70、 3.81和4.63 L提高到44.77、 37.37和39.77 L。Zhu等[35]用质量分数为50%的p-TsOH，在反应温度90 ℃、反应时间112 min的条件下对杨木进行预处理，得到的WIS在72 h后的酶解葡萄糖得率高达93%，较未处理的提高5个百分点。研究还对WIS的同步发酵(SSF)和半同步发酵(q-SSF)进行了对比，发现预处理后的WIS同步发酵(SSF)的葡萄糖浓度相对较低，产生的抑制物浓度也很低，发酵 72 h 后的乙醇质量浓度达51 g/L，延长至120 h后的乙醇质量浓度达52.47 g/L，发酵效率为68.3%。

助水溶剂预处理是一种有效的生物质预处理方法，可以有效脱除木质素，使纤维表面出现较多的孔隙，暴露出更多的多糖，增大纤维素酶与纤维素的接触面积，有利于酶的吸附，从而提高了酶解效率与乙醇产率，提高了制备生物乙醇的效率。

2.3 纳米纤维素的制备

纳米纤维素是一种极具发展潜力的生物质材料，相比普通纤维素，具有机械强度高、比表面积大、杨氏模量高、亲水性强等特点，具有广阔的应用前景[36]。目前，通过无机酸水解纤维原料是获得纳米纤维素的主要方式之一，该方式对酸的消耗量较大，且产率较低[37]。助水溶剂处理木质纤维原料制备得到纤维素纳米晶体(CNC)和纤维素纳米纤丝(CNF)，结晶度高，热稳定性好，应用价值高，且制备过程能耗相对较低。

Chen等[38]使用质量分数30%～80%的MA、p-TsOH和草酸，在80～120 ℃的温度范围内对漂白桉木浆(BEP)进行预处理30～240 min，将得到的WIS进一步经高压均质处理得到CNC和CNF。较传统的浓硫酸水解方法得到的CNC的初始热解温度为218 ℃，用助水溶剂MA和p-TsOH处理得到的CNC的初始热解温度为274～322 ℃，热稳定性更好。跟草酸处理得到的CNC相比，助水溶剂处理得到的CNC具有更长的长度(约275～380nm)和更高的结晶度。当助水溶剂浓度越高时，CNC的表面电荷含量越高，分散性越好，制备 CNC的残渣经过机械处理后可用于制备CNF，能耗不高。Bian等[39]在100 ℃、60 min和120 ℃、120 min的条件下使用质量分数50%～70%的p-TsOH处理BEP和未漂混合阔叶木硫酸盐浆(UMHP)，制备得到的CNC比未经预处理的BEP和UMHP制备得到的CNC具有更高的热降解温度，晶体长度与使用无机酸生产的CNC相比更长，且结晶度更高，在水解过程中产生的纤维素固体残留物(FCSR)可用于生产羧化CNF。Dou等[40]将使用p-TsOH预处理柳树木和柳树皮制备得到的纳米纤维素制备成纳米纤维素膜进行比较研究，发现通常被视作为废弃物的柳树皮制备得到的含木质素的纳米纤维素膜的疏水性非常强，而且抗水蒸气，膜的紧度与强度都非常高，具有很好的应用前景。另有研究以硫酸盐竹浆为原料，先用p-TsOH水溶液在80 ℃下处理45 min，再在超声波辅助作用下处理2 h，所得CNC的得率可达51.66%，直径范围在10～40 nm内，长度在400～700 nm之间，结晶度比原料有所提高，达72.50%，同时热学性能也比原料稳定。在助水溶剂预处理生物质的基础上，辅以一定的超声波作用可以提高CNC得率[41]。

利用助水溶剂处理木质纤维原料可以制备高热稳定性的功能性CNC和CNF，产率相对较高，且得到的CNC具有更高的降解温度和结晶度，CNF尺寸也相对均匀。在室温或较低的温度下，助水溶剂可以通过结晶反应回收利用，使可再生的纤维素纳米材料实现持续生产成为可能。

2.4 纳米木质素的制备

木质素是由苯丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接的复杂的无定型高聚物，具有疏水性，基本上不溶于水。助水溶剂可以与木质素形成络合物、解聚产物等形式，从而将木质素从木质纤维组分中分离出来[42]，用水稀释处理预处理废液，便可得到较为纯净的木质素产品。助水溶剂处理得到的木质素产品颗粒直径可以达到纳米级，纳米木质素具有更大的表面积，容易与其他原子进行结合，还具有抗菌、抗紫外线等特点，因此在生物质功能性材料领域具有巨大的应用价值[43]。使用助水溶剂体系制备纳米木质素可有效避免有机溶剂的污染问题，且不需要高温高压的反应条件即可实现木质纤维组分的有效分离，是一种更为节约生产成本、降低能源消耗的环保型工艺。

Chen等[25]将p-TsOH分离杨木组分时得到的木质素进行理化性质分析研究，发现得到的木质素颗粒直径在200～800 nm之间，横向尺寸在100 ～1 500 nm之间，说明分离得到的木质素颗粒尺寸已达到纳米级别，同时发现其Zeta电位随粒径增大而减小，Mw随分馏程度增加而降低，但Mn几乎不发生变化，得到的木质素分子的β-芳基醚键和β-芳醚键部分裂解，紫丁香基/愈创木基(S/G)比值轻微增加。Ma等[44]在≤80 ℃的温度下用p-TsOH对杨木进行预处理，发现将预处理废液稀释至MHC 11.5%以下，可以得到纳米级木质素颗粒(LPNs)，经检测发现LNPs呈扁球形，体积形状因子约10，粒径在345～530 nm之间，Zeta电位在33～42 mV之间，尺寸与电荷在制备后的两周内都可以保持稳定。处理条件越剧烈，得到的LPNs尺寸相对越大，同时也相对容易聚集，增加稀释速率可以减小LPNs的粒径，缓慢稀释会增加木质素的聚集时间，聚集时间越长，木质素聚集体越大。Cheng等[45]以杨木为原料，p-TsOH作为助水溶剂，在≤90 ℃的温度下进行预处理，稀释沉淀后得到LPNs，反应条件温和时得到的LPNs颜色较浅，玻璃化转化温度较低，且具有较高的β-芳醚键质量分数(约60%)和较高的分子质量(4 000 u)，理化性质与磨木木质素(MWL)相似，非常适合直接应用于复合材料或通过后续解聚生产木质素芳香化合物。Wang等[46]采用流动反应代替间歇反应工艺，在≤98 ℃的条件下，用p-TsOH对杨木进行预处理，纳米木质素得率高达80%，同时缩合程度较低，保留了非常高含量的β-芳基醚键，反应后得到的LPNs具有高分子质量和较低的玻璃化转化温度。

2.5 其他高附加值产品的制备

助水溶剂不仅可用于从木质纤维中分离木质素，制备生物质能源、CNC和CNF等，在其他方面也有广泛应用，如造纸、制备糠醛、提取活性物质等。

在本课题组的前期研究工作中，在较缓和的条件下使用p-TsOH对未漂硫酸盐竹浆进行处理，并将处理后的竹浆进行抄纸，同时做了纸性分析，发现处理后的竹浆成纸性能有所提高，尤其在亮度方面提高了70%以上，说明助水溶剂可以处理浆料制备得到更高白度的纸浆[47]。Zhu等[35]用p-TsOH 预处理杨木后对其进行了全组分利用，所得WIS用于发酵乙醇；从废液组分中提取了木质素后，废液中剩余的糖用于制备糠醛，得到的最高糠醛质量浓度为5.44 g/L，得率为68.4%。Padalkar等[48]研究了以Na-NBBS作为助水溶剂，与表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)相结合，从黑胡椒中分离生物碱胡椒碱的工艺，发现此工艺可以提高胡椒碱的萃取率，与使用有机溶剂回收的胡椒碱相比，助水溶剂体系回收的胡椒碱纯度更高，且胡椒碱晶体具有更清洁的表面和更均匀的结构，并带有锋利的边缘。Meghal等[49]分别用水杨酸钠和Na-CS两种不同的助水溶剂对大花麦冬叶片进行预处理，发现在30 ℃，1.75 mol/L 的助溶剂浓度下，得到的柠檬醛产量最高，但水杨酸钠对柠檬醛的提取率优于Na-CS。

因此，助水溶剂可以有效提高生物质中的有机物的萃取率，反应可在常压非高温的条件下进行，助水溶剂可以循环使用，不需要添加有机溶剂，是一种绿色经济环保的工艺，可以在该领域进一步探索发展。

3 结 语

目前，助水溶剂已经应用于生物质能源、纳米纤维素、纳米木质素的制备以及提取或催化转化为其他化合物的研究中，应用到生物质精炼领域的助水溶剂主要以有机酸及其盐类为主。由于助水溶剂自身存在的易回收、可循环使用、可在低温常压下操作等优势，使得将助水溶剂广泛且有效地应用到生物质精炼领域中成为可能。但目前也存在一些不足之处，值得去进一步去改善，比如助水溶剂用量相对较大，大部分研究仍处于实验室阶段还未能实现工业化生产等。