天然低共熔溶剂在木质纤维素预处理中的应用

马雪姣，赵峥，赵旭阳，孙晓然，韩利华

(华北理工大学 化学工程学院，河北 唐山 063210)

人类正面临环境和能源缺乏的双重考验，探求可再生能源刻不容缓[1]。而生物质能可再生、价低、量大，可用于开发生物乙醇。在早期的开发利用中，甘蔗、玉米等粮食用于发酵生产生物乙醇，由于会导致“与人争粮”，故研究学者投身到秸秆、甘蔗渣等木质纤维素类生物质生产生物乙醇[2]。木质纤维素各组分相互缠绕交连在一起，纤维素与半纤维素通过氢键链接，半纤维素与木质素通过共价键链接，多聚糖被木质素紧紧包裹，这加大了对纤维素的溶解难度，也阻碍了对多聚糖的降解[3]。预处理可以打破这一结构，通过去除木质素以更好地利用木质纤维素。

传统的预处理方法并不环保，价格昂贵，毒性强，制备复杂且不可回收再利用，已不是预处理溶剂的首选[4]。而由氨基酸、有机酸、糖或胆碱衍生物等天然小分子混合构成的天然低共熔溶剂(NDESs)，是离子液体的替代物，绿色环保，生物相容性好，制备简单，故逐渐被用于预处理[5]。近年来，研究者对NDESs在萃取、催化、电化学、药物提取等应用领域研究颇多[6]，但在木质纤维素类生物质预处理领域研究还较少。本文重点综述了NDESs在木质纤维素类生物质预处理领域的研究进展，并对未来NDESs的发展进行了展望，以期为采用绿色新型溶剂预处理木质纤维素类生物质提供新思路。

1 天然低共熔溶剂

1.1 组成及制备

NDESs是一类将天然小分子原料作为氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)，在一定温度下以不同摩尔比进行混合制备的。NDESs的制备工艺主要有：加热法、蒸发法、冷冻干燥法，其中加热法操作最为简便，应用最为广泛。

1.2 理化性质

1.2.1 熔点 熔点是一个重要的参数，NDESs最大的特点是熔点低于原氢键供体、氢键受体任一组分，一般小于150 ℃。例如，常见HBA氯化胆碱的熔点为303 ℃，常见HBD乙二醇的熔点为-12.9 ℃，但其制备的NDESs熔点为-66 ℃[7]。氢键作用、范德华力都影响着NDESs的熔点，氢键供体、氢键受体的种类及比例不同，有机盐的阴离子结构不同，都会导致形成氢键的能力不同，熔点产生差异。大量研究者采用差式扫描热法(DSC法)来近似确定NDESs的熔点。

1.2.2 密度 NDESs密度大多比水大，例如ChCl-乙二醇密度为 1.12 g/cm3，ChCl-甘油密度为 1.18 g/cm3。和其他性质类似，可以通过改变原组分的比例及种类、反应温度，改变NDESs的密度。

1.2.3 黏度 在室温下，大多NDESs的黏度较高，且通常大于水的黏度(100 mPa·s)，这主要与温度、摩尔比、氢键网络等因素有关。NDESs受高黏度影响，电导率通常较低。在NDESs的制备中，黏度较高会对分子的扩散及迁移产生影响，不利于木质纤维素进行质量传递，也会加大能量的消耗，所以通常期望获取低黏度的NDESs。目前可以通过提高温度、适量增加第三溶剂来制备低黏度NDESs[8]。

1.2.4 溶解性 NDESs的溶解性能受温度、体系黏度、氢键供体和氢键受体的类型等影响，在木质纤维素类生物质预处理中，NDESs对木质素溶解能力较高，对纤维素、半纤维素溶解能力较低。此外，NDESs对CO2、SO2等气体具有一定的吸附能力和溶解能力，可用作吸附剂和电解液；金属氧化物在NDESs中的溶解性大于水溶液中，可用于电化学等领域；难溶药物可以借助NDESs的溶解性完成药物传递[9]。

2 二元天然低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质

NDESs体系的性能与HBD和HBA的种类、摩尔比密切联系，不同类型的NDESs体系在木质纤维素类生物质的预处理中，产生的预处理效果也存在差异。可以根据HBD的不同将NDESs主要分为：羧酸类低共熔溶剂、多元醇类低共熔溶剂。

2.1 羧酸类NDESs

羧酸类NDESs是一类以乳酸、草酸、氨基酸、苹果酸等为HBD，以氯化胆碱、甜菜碱等为HBA组成的体系。NDESs既能切断木质素中的醚键，又能切断木质素与半纤维素之间的连接。Rui等[10]使用氯化胆碱∶乳酸确定了1∶2的摩尔比预处理麦秸，发现小麦秸秆中提取温度、提取时间和含水量对木质素的单体类型、醚键连接和纳米颗粒大小等性质有显著影响。

羧酸类NDESs氢键供体的结构和性质都影响着生物质预处理。Muley等[11]使用氯化胆碱∶草酸(1∶1)与氯化胆碱∶乳酸(1∶1)，氯化胆碱∶甲酸(1∶2)在间歇微波反应器中加热再用于预处理，证明了羧酸类NDESs对木质素的选择性溶解是有效的。Zhang等[12]在90 ℃、24 h的条件下，采用氯化胆碱-乳酸类NDESs溶解玉米芯中的木质素，取得了42.7%的木质素溶解率。还研究了氯化胆碱∶苹果酸、氯化胆碱∶草酸、氯化胆碱∶丙二酸等羧酸类NDESs，发现酶解效率与酸量、酸强度和HBD的性质有关，在90 ℃下预处理玉米芯24 h，预处理性能最佳，但是存在多聚糖降解的问题。

除此之外，Francisco等[13]制备了多种NDESs，发现大多数NDESs对纤维素溶解能力较差，但含有脯氨酸的NDES中，纤维素的溶解度会随脯氨酸的增加而增大。Yu等[14]使用酸基NDESs进行预处理，氯化胆碱∶乙醇酸(1∶6)，在120 ℃时木质素和木聚糖的去除率最高，分别为60%，90%。在相同的预处理条件下，ChCl-甲酸的木质素去除率为47%，但葡萄糖回收率和酶解转化率均达到98%，可能是乙醇酸兼具酸和醇双重性质的原因。

2.2 多元醇类NDESs

多元醇类NDESs中游离的羟基与木质素结构中的醚键相互作用，一定程度促进了木质素的去除。与羧酸类NDESs相比，多元醇/氯化物中羧酸基团的缺失避免了多聚糖降解，预处理效果明显。

Zulkefli等[15]使用氯化乙铵∶乙二醇(1∶2)预处理油棕榈树干，在固液比1∶20、反应温度100 ℃下预处理48 h，木质素去除率为36%，葡萄糖产率最高达74%。Zhang等[12]研究了氯化胆碱∶甘油(1∶2)、氯化胆碱∶乙二醇(1∶2)在90 ℃下预处理玉米芯24 h的效果，木质素去除率分别为71%，88%，葡萄糖产率分别为96.4%，85.3%。

有研究发现，在多元醇类NDESs中引入酸性物质可提升预处理效果。Guo等[16]考察了3种杂多酸酸化的甘油类NDESs的预处理效果，其中硅钨酸酸化的NDES木质素去除率为89.5%，酶解率为97.3%。

HBD和HBA的选择都会对NDESs的性质产生一定影响，部分HBD也可以作为HBA使用，不同的NDESs组合起来可以满足不同的实际需求。Hou等[17]制备了乳酸∶乙二醇用于预处理，溶解效率高于氯化胆碱∶乙二醇，酶解效率也得到提升。

此外，Lim等[18]成功制备出K2CO3∶甘油(1∶7)新型低共熔溶剂，表现出低pH、低黏度，在140 ℃下反应100 min，能够实现半纤维素和木质素从木质纤维素基质中的部分脱除。而且，XRD结果表明预处理后纤维素纤维的CrI从52.8%提高到60.0%。

3 三元天然低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质

二元NDESs在生物质预处理上应用较广，但部分二元低共熔溶剂虽预处理效果很好但黏度较大，增加了操作的难度；羧酸类NDESs又存在多聚糖降解的问题。NDESs并不局限于二组分，随着第三组分的加入，制备得到的NDESs黏度降低，同时，预处理相较于二元NDESs更加温和，木质素去除率有了明显提升，酶解效率得到了提高，糖化率也达到70%以上，进一步提升了预处理效果[19]。

水是一种较为丰富的绿色溶剂，黏度和密度都远小于NDESs。将水作为NDESs的组分之一，也可一定程度降低NDESs的密度和黏度。氯化胆碱-乳酸-水混合液可作为一种潜在的NDES试剂，用于从稻草木素农业废弃物中高效固溶回收高纯木质素和木聚糖。同时，在连续的生物质预处理过程中，NDES溶剂被有效回收和至少3次循环使用，且不损失其效率[20]。

除水可作为三元NDESs第三组分外，羧酸和多元醇也可作为第三组分。Zhang等[12]将氯化胆碱、羧酸和多元醇进行混合，在一定用量及温度的处理下，形成低共熔状态，即三元NDES，对生物质水稻秸秆进行处理，取得很大成效。田文静[21]构建7种NDESs新体系预处理稻草，其中氯化胆碱∶乙二酸∶丙三醇三元NDES相较于氯化胆碱∶乙二酸二元NDES，木质素去除率大幅提升，酶解效率均由 42.59% 提高到60%以上。对这两种NDESs优化后，氯化胆碱∶乙二酸在1∶0.25的摩尔比下120 ℃反应2 h，得到了85.56%的糖化率；而氯化胆碱∶乙二酸∶丙三醇黏度降低，溶解能力增强，在120 ℃下反应8 h，最终得到98.26%的糖化率。以氯化胆碱、甲酸和乙酸为原料制备的双氢键供体NDES，在稻草预处理中的应用效果显著[22]。

4 天然低共熔溶剂与其他手段协同预处理木质纤维素类生物质

4.1 微波、超声辅助预处理

微波、超声辅助NDESs预处理是一种更节能、更高效的生物质预处理工艺，可以促进传热与传质，更迅速、均匀地完成预处理。

4.1.1 微波辅助预处理 微波辅助NDESs预处理，可以通过增加分子极性，降低预处理的温度和反应时间。Liu等[23]使用微波辅助氯化胆碱∶草酸NDES预处理杨木，3 min去除80%的木质素，而单独氯化胆碱∶草酸预处理110 ℃、9 h，才能达到相同的效果。Chen等[24]使用由氯化胆碱和乳酸组成的NDES，在800 W下微波照射进行预处理45 s。结果表明，在去除木质素和木聚糖方面非常有效，同时保留了大部分纤维素。微波加热可以有效地用于生物质的解构和木质素的解聚，缩短加热时间，提高产物选择性。

4.1.2 超声辅助预处理 超声可以通过破坏生物质的结构，去除少量木质纤维素的表面蜡层，降低生物质粒径，促进生物质与溶剂的混合，提高传质速率，改变生物质的可萃取性，最终提高预处理效率。Ong等[25]使用氯化胆碱∶尿素NDES在振幅70%下超声30 min再进行预处理，木质素去除率可提升至36.42%，木糖回收率达58%。可见，一定程度的超声可明显提升生物质的木质素去除能力。

4.1.3 微波、超声联合辅助预处理 Yan等[26]研究了超声、微波联合辅助NDESs预处理玉米秸秆的效果，优化了相关参数，结果表明，超声和微波联合辅助NDES(ChCl∶OA∶Gly)预处理时，脱木率提高到61.50%，纤维素含量由34.70%提高到76.08%。这突出了超声、微波联合辅助预处理的优势，也为未来生物质能源的利用打开了窗口。

4.2 多元NDESs协同预处理

在二元NDES加入第三组分或者其他组分即多元NDESs。NDESs各组分与木质纤维素之间的协同作用，使得三元NDESs对木质素的去除效果优于二元NDESs。

骆亮等[27]在预处理甘蔗渣时，在成功制备的氯化胆碱∶二水合草酸(1∶1)NDES中加入聚乙二醇400组成了新的三元体系(NDES-PEG400)，溶剂稳定性得到了增强，72 h酶解甘蔗渣得到12.766 g/L的还原糖浓度，72.48%的酶解效率。Ramesh等[28]改变NDES与醇的比例和反应温度预处理稻草，正丁醇辅助氯化胆碱∶草酸，在120 ℃下NDES-OL的协同作用使木质纤维素生物质的脱木素率较高。Xia等[29]在氯化胆碱∶甘油NDES中加入AlCl3·6H2O，在110～130 ℃协同预处理杨木4 h，木质素去除效率在95%以上。

4.3 两阶段协同预处理

酸性NDESs常通过破坏三组分间的化学键，以去除更多木质素，保留更多纤维素，提高酶水解效率和还原糖产率。而中性和弱碱性NDES预处理效果并不好，酶水解效率和还原糖产率并不高。

两阶段协同预处理是提高NDESs利用率的一种有效措施，单一的NDESs预处理虽可提高产率，但绿色又高效的NDESs种类是有限的。Hou等[30]第一阶段采用苹果酸∶脯氨酸或氯化胆碱∶草酸预处理，第二阶段采用氯化胆碱∶尿素预处理，结果表明，两种NDESs协同预处理效果优于单一NDESs，葡萄糖产率大大提高，并降低了纤维素的损失，纤维素含量达到54.6%，木质素含量降为10.8%。

5 结束语

NDESs是一种新型的绿色溶剂，改变HBA和HBD的摩尔比和种类，可实现木质纤维素类生物质三组分的溶解与分离，与其他手段协同可实现高效预处理，但仍处在不断发展的起步阶段，还需在以下方面实现突破：①为提高酶水解效率和糖产率，新型绿色溶剂和NDESs协同预处理技术还需进一步研究，以实现高效预处理；②为实现绿色经济，更高效的NDESs分离回收及循环利用技术还需进一步开发，以降低成本满足工业化应用；③化学计算与分子模拟等手段与实验结果的结合更有研究意义，从而为生物质预处理奠定理论基础。