低共熔溶劑預處理楊木水解渣拆解木質素

劉乾靜，陳曉淼，王芷，史吉平，3，李保國，劉莉，3

（1 上海理工大學健康科學與工程學院，上海 200093；2 中國科學院上海高等研究院，上海 201210；3 上海有機固廢生物轉化工程技術研究中心，上海 200241）

為了應對全球變暖等氣候問題，我國提出“力爭2030 年前實現碳達峰，2060 年前實現碳中和”的戰略目標。發展清潔可再生的生物質能源是實現碳達峰與碳中和的有效途徑之一。我國豐富的林木資源儲存著大量的可再生碳資源，林木木質纖維素是協同制造化學品、液體燃料和生物材料的主要替代品。木質纖維素主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成，其中纖維素的有效糖化是生產化學品和液體燃料的關鍵。而木質纖維素中各組分之間復雜且緊密的化學結構極大地限制了酶解過程中纖維素酶的可及性，且木質素的存在也會阻礙纖維素酶的有效吸附，使得纖維素酶解轉化效率降低，從而限制了木質纖維素生物質的開發和利用。要實現木質纖維素高效轉化，必須從破壞木質纖維素抗降解屏障出發，尋找高效且綠色環保的預處理技術。

近年來，利用低共熔溶劑（deep eutectic solvent，DES）預處理木質纖維素的研究受到關注。研究表明，DES 制備簡單、無毒性、可生物降解和易循環使用，可高效去除木質素且對纖維素的溶解性差，對后續的發酵不會產生抑制作用，具有巨大的應用潛力。DES 是由兩種或兩種以上氫鍵供體（HBD）和氫鍵受體（HBA）以一定比例組成的低共熔混合物。在使用DES預處理木質纖維素的研究中，主要是以氯化膽堿（ChCl）作為氫鍵受體。Alvarez-vasco 等制備了ChCl-乙酸、ChCl-乳酸、ChCl-甘油等低共熔溶劑，在145℃處理楊木4h，發現ChCl-乙酸、ChCl-乳酸對木質素溶解率分別為70%和78%，而ChCl-甘油幾乎不能溶解楊木中的木質素。劉均等研究發現，相比ChCl，以芳環季銨鹽芐基三乙基氯化銨（TEBAC）作為HBA 合成TEBAC-乳酸對桉木有良好預處理效果，木質素溶解率達92.3%，纖維素保留率高達91.7%。可見TEBAC 作為HBA 合成的DES 對木質纖維素具有良好的預處理能力，而目前研究中使用TEBAC 作為氫鍵受體合成DES預處理生物質的研究并不多。與氫鍵受體種類相比，DES 的氫鍵供體種類對生物質預處理效果有更大的影響。Wang 等發現，在許多類似研究中以甘油作為HBD 的DES 對木質纖維素中的木質素幾乎沒有溶解能力，于是結合路易斯酸（AlCl、FeCl、FeCl、ZnCl、CuCl）與ChCl-甘油合成了三元DES 對雜交狼尾草進行了預處理，發現含有FeCl的DES 預處理效果最佳，木質素的溶解率高達90%，木質素回收率為49%，同時有93.63%的半纖維素被溶解在溶劑中。可見FeCl的引入可以大大增加DES 對木質纖維素預處理過程中組分的拆解。

在DES 預處理木質纖維素的研究中，大量的木質素和半纖維素組分同時被溶解到溶劑中，造成后續生物質單一組分回收利用的經濟效益下降。為了實現木質纖維素全組分充分利用，以酸性電解水為預處理介質，FeCl為催化劑，配制FeCl-酸性電解水溶液預處理楊木，將半纖維素組分定向分離到水解液中，得到僅含纖維素和木質素的楊木水解渣作為原料。本研究以芳環類的TEBAC 和非芳環類的ChCl 作為HBA，以乳酸、乙二醇和2-氯丙酸作為HBD，結合FeCl制備合成了新型DES 預處理楊木水解渣原料，考察DES 種類在預處理過程中對木質素去除和纖維素保留的影響，并且探究了不同溫度、時間和固液比對DES 預處理前后楊木水解渣化學組分的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

氯化膽堿、芐基三乙基氯化銨、乳酸（Lac）、乙二醇（EG）、2-氯丙酸（2Cl）、濃硫酸、氯化鐵均為分析純，國藥集團藥業股份有限公司；楊木粉，40目，含水率為1.89%，江蘇省連云港。

1.2 楊木水解渣的制備

配制0.03mol/L 的FeCl-酸性電解水溶液，以固液比為1∶10的比例將楊木粉與FeCl-酸性電解水溶液混合，在160℃油浴加熱反應25min。結束后將反應混合物固液分離，得到的水解渣作為低共熔溶劑預處理的原料。

楊木及楊木水解渣的纖維素、半纖維素和木質素的含量均按照美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）標準分析方法測定。具體方法為：第一步，準確稱取0.30g 樣品干物質放入玻璃試管中，加入3.0mL 72%的硫酸后混合均勻，在30℃的恒溫水浴鍋中反應1h，期間每隔15min渦旋混合一次，保證試管中硫酸和樣品可以充分接觸和水解；第二步，水浴1h后向每根試管中加入84mL去離子水，將試管中的硫酸濃度稀釋到4%，然后放入高溫高壓滅菌鍋中于121℃反應1h，反應結束將反應混合物進行抽濾，收集水解液過0.22μm 的濾膜，過濾后的水解液采用HPLC法測定其中的葡萄糖和木糖含量，分別用于計算生物質中的纖維素含量和半纖維素含量，抽濾得到的濾渣在105℃烘干至恒重后稱量濾渣質量，測定木質素含量。每種生物質樣品重復三次取平均值。經測定，楊木原料主要組分質量分數為纖維素45.89%、半纖維素12.73%、木質素26.33%。楊木水解渣主要組分質量分數為纖維素64.59%、木質素33.00%。

1.3 低共熔溶劑的制備

將HBA 和HBD 按一定的摩爾比混合，在90℃恒溫振蕩2h，直到形成均一透明的液體，即為合成的低共熔溶劑。具體的合成條件、組分比例以及簡稱如表1和表2所示。制備的低共熔溶劑置于干燥的室溫條件下備用。

表1 二元DES的制備

表2 含FeCl3的三元DES的制備

1.4 不同種類DES預處理楊木水解渣實驗

稱取3g楊木水解渣與30g DES混合于耐高溫的玻璃容器中，在120℃油浴攪拌加熱反應4h。反應結束后將反應混合物進行真空抽濾使固液分離，并用50mL的水∶乙醇（體積比為1∶9）溶液洗滌固體殘渣3次，將黏附在殘渣上的DES洗脫。得到的固體殘渣在105℃干燥，用于測定纖維素、半纖維素和木質素含量。預處理效果的評價指標計算方法如式(1)～式(3)所示。

1.5 DES預處理楊木水解渣工藝參數優化

稱取3g 楊木水解渣按照不同固液比（1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30）與上述篩選獲得的效果最佳的DES 混合于耐高溫玻璃容器中，在一定溫度（110℃、120℃、130℃、140℃）油浴攪拌加熱反應一定時間（1h、2h、3h、4h、5h、6h）。反應完成后按照1.4節中的方法進行分離和組分測定。

1.6 DES的回收使用

利用DES 預處理楊木水解渣后，按照1.4 節中的方法進行固液分離，收集洗滌液與濾液混合，通過旋轉蒸餾將其中的乙醇蒸發后，再將其置于105℃烘箱中烘干至恒重，去除其中的水分，最后得到的液體部分則為回收的DES。稱取3g 楊木水解渣與回收的DES 以1∶15 的固液比在130℃反應4h，反應完成后按照1.4 節中的方法進行分離和組分測定。按照此方法回收使用DES 4次。

2 結果與分析

2.1 不同種類DES的預處理效果

DES 預處理生物質的反應機理與DES 的性質有關，氫鍵供體與氫鍵受體的種類是影響DES 性質的重要因素。本文研究了不同HBA（氯化膽堿、芐基三乙基氯化銨）、HBD（乳酸、乙二醇、2-氯丙酸）以及結合FeCl組成的三元DES 對楊木水解渣的預處理效果。

2.1.1 二元DES對楊木水解渣的預處理效果

圖1 為采用二元DES（C-Lac、C-2Cl、C-EG、T-Lac、T-2Cl、T-EG）處理楊木水解渣對其中木質素和纖維素的影響。如圖1所示，C-Lac、C-2Cl和C-EG 預處理楊木水解渣后35.44%～58.95%的木質素被去除，而T-Lac、T-2Cl和T-EG預處理楊木水解渣后40.22%～68.00%的木質素被去除。Liu等利用TEBAC-乳酸在373K的溫度下處理小麥秸稈，79.73%的木質素被去除。可以看出，芐基三乙基氯化銨基DES 體系比氯化膽堿基DES 體系具有更強的木質素去除能力。這可能是因為含有疏水性芳環結構的DES 能夠有效提高木質素中疏水性苯丙烷基團的溶解。當2-氯丙酸作為氫鍵供體時，雖然C-2Cl 和T-2Cl 具有相對較強的木質素去除能力，但對纖維素的保留能力較弱，造成了纖維素組分的損失。而由乙二醇作為氫鍵供體的C-EG 和T-EG 對楊木水解渣預處理時纖維素保留率分別為90.58%和86.28%，相比于由其他氫鍵供體組成的DES有更高的纖維素保留率，在Hou等的研究中也表明當低共熔溶劑組分中的氫鍵供體包含更多羥基時，纖維素的保留率更高。

圖1 二元DES對楊木水解渣的預處理效果

2.1.2 含FeCl的三元DES 對楊木水解渣的預處理效果

研究表明DES 對木質素的溶解能力與DES 的酸度有密切的關系，對木質素的溶解性能隨酸含量的增加而提高，而作為路易斯（Lewis）酸的FeCl加入可以提高溶劑的酸性，從而具有更強的脫木質素能力。據報道，Lewis 酸可以明顯提高木質素、半纖維素的去除以及纖維素的糖化效率。為進一步提高DES 對楊木水解渣木質素的拆解，在二元DES 的基礎上引入FeCl，合成了C-Lac-Fe、 C-2Cl-Fe、 C-EG-Fe、 T-Lac-Fe、T-2Cl-Fe、T-EG-Fe 共6 種三元DES。圖2 為采用三元DES 處理楊木水解渣對其中木質素和纖維素的影響。由圖2可以看出，與二元DES類似，無論選擇何種氫鍵供體，芐基三乙基氯化銨基DES 體系在處理過程中都比氯化膽堿基DES 體系具有更強的木質素去除能力。在3種氯化膽堿基DES的處理中，C-EG-Fe 處理效果最優，木質素去除率達到72.23%，纖維素保留率達到93.42%。而Hou等在使用氯化膽堿-乙二醇體系在120℃預處理稻草6h后，僅去除了26.00%的木質素。當使用芐基三乙基氯化銨基DES 處理原料時，T-Lac-Fe 對木質素有較強的去除能力（82.26%），但是在去除木質素的同時纖維素的損失較大，纖維素保留率僅為79.73%。而T-EG-Fe 與T-Lac-Fe 具有相當的木質素去除能力（80.46%），并且對于纖維素的保留率高達90.81%，在三種芐基三乙基氯化銨基DES中，T-EG-Fe 體系預處理能力最優。對于木質素組分而言，6種二元DES對木質素溶解能力均不如三元DES。其中，二元的C-EG 和T-EG 對木質素的溶解能力最弱，木質素去除率僅為35.44% 和40.22%，而對應的含有FeCl的三元C-EG-Fe 和T-EG-Fe 預處理楊木水解渣后木質素去除率分別提高到72.23%和80.46%。總的來說，FeCl的引入對楊木水解渣中木質素的拆解有促進作用，使木質素去除率提高了20%～50%。綜上所述，在合成的DES 中，優選出三元T-EG-Fe 體系作為后續處理楊木水解渣原料的低共熔溶劑體系。

圖2 三元DES對楊木水解渣的預處理效果

2.1.3 低共熔溶劑組分的摩爾比對預處理效果的影響

有研究發現DES 組分的摩爾比對木質纖維素原料中組分的溶解能力有影響。圖3 所示為不同摩爾比的T-EG-Fe對楊木水解渣的預處理效果。由圖3(a)可看出，固定TEBAC∶FeCl=1∶0.1，隨著DES 中EG 組分摩爾比的增加，木質素的去除率略有增加，TEBAC∶EG∶FeCl=1∶10∶0.1時預處理效果最好，木質素去除率為82.00%。由圖3(b)可以看出，固定TEBAC∶EG=1∶10，當FeCl摩爾比由TEBAC∶EG∶FeCl=1∶10∶0.05增加到1∶10∶0.1時，木質素去除率由60.03%提高到82.00%，繼續增加FeCl的摩爾比，木質素去除率逐漸下降到77.89%和46.15%，這是因為DES中FeCl含量越多形成的DES 黏度越大，并且DES 中氫鍵作用越不穩定，造成對木質素的去除性能下降。而由于TEG-Fe對木質素具有較強的選擇性，無論摩爾比如何變化，纖維素保留率均保持在90%左右。綜上，優選摩爾比為1∶10∶0.1 的T-EG-Fe 體系進行后續的實驗。

圖3 T-EG-Fe摩爾比對楊木水解渣的預處理效果

2.2 T-EG-Fe預處理楊木水解渣工藝條件的優化

DES預處理木質纖維素過程受到溫度、時間和固液比等因素的影響，通過優化條件參數提高DES的預處理效率。

2.2.1 固液比對預處理效果的影響

固定反應溫度為120℃，反應時間為4h，優化預處理固液比（1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30）對木質素和纖維素組分的影響，圖4 所示為不同固液比（原料∶DES，質量比）的預處理效果。由圖4 可知，隨著DES 用量由1∶5 增加到1∶15，T-EG-Fe 對楊木水解渣中木質素的去除率由69.59%增加到82.78%，纖維素保留率由92.26%增加到98.38%。在固液比從1∶20 逐步增加到1∶30的過程中，更多的DES進一步軟化和滲透了原料的網絡結構，造成生物質過度降解，一部分纖維素被溶解，使得纖維素保留率下降。固液比為1∶20 時，木質素去除率略微增加到83.12%，隨后固液比逐漸增加到1∶30的過程中木質素去除率略微降低3.729%～4.537%。這是由于在較強的預處理條件下，碳水化合物的降解產物脫水縮合會形成假木質素，這使得回收得到的固體中木質素含量增加，導致木質素去除率略微下降。考慮到預處理成本、木質素的脫除率和纖維素的保留率，最佳固液比條件確定為1∶15。

圖4 固液比對T-EG-Fe預處理楊木水解渣的影響

2.2.2 反應時間對預處理效果的影響

固定反應溫度為120℃，反應固液比為1∶15，優化預處理時間（1h、2h、3h、4h、5h、6h）對木質素和纖維素組分的影響，圖5所示為不同反應時間下預處理后固體殘渣的回收率以及其組分含量。從圖5可看出，隨著預處理時間的延長，由于DES對木質素組分的溶解，固體殘渣回收率逐漸降低，處理5h后固體回收率為66.55%，5h后繼續延長時間，回收率基本保持不變。處理時間從1h 增加到5h，固體殘渣中纖維素含量明顯提高，繼續延長處理時間，纖維素含量下降。楊木水解渣經過T-EG-Fe 預處理5h 之后，纖維素質量分數增加到92.20%，木質素質量分數僅為7.33%，絕大部分木質素被去除。通常，較高純度的纖維素底物有利于得到更多的下游可發酵糖產物。在王冬梅的研究中，未處理時玉米芯纖維素純度為33.9%，經過DES在不同條件下預處理后，固體殘渣纖維素純度提高到64.45%、70.07%和72.88%，糖化率從50%提高到73.6%、81.38%和98.56%。可見，本研究中此時回收得到的固體殘渣是高純度的纖維素底物，有利于提高后續酶解效率。

圖5 預處理時間對T-EG-Fe預處理楊木水解渣的固體回收率及組分質量分數影響

2.2.3 反應溫度對預處理效果的影響

固定反應時間為5h，反應固液比為1∶15，優化預處理溫度（110℃、120℃、130℃、140℃）對木質素和纖維素組分的影響，圖6所示為不同反應溫度下預處理后固體殘渣的回收率及其組分含量。由圖6可看出，隨著預處理溫度的升高，大量木質素組分被溶解，同時在較高溫度下纖維素組分也受到一定的破壞，固體殘渣回收率逐漸下降。當預處理溫度由110℃增加到130℃時，纖維素質量分數從68.45%逐漸增加到92.78%，同時木質素的質量分數從30.22% 下降到5.33%。隨著溫度升高到140℃，纖維素質量分數下降到84.48%，過高的預處理溫度會導致木質纖維素中碳水化合物組分的降解。因此，T-EG-Fe處理楊木水解渣的最佳溫度條件為130℃。

圖6 預處理溫度對T-EG-Fe預處理楊木水解渣的固體回收率及組分質量分數影響

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，圖7所示為DES 回收使用的預處理效果。由圖7 可以看出，隨著使用次數的增加，DES對木質素的去除能力逐漸減弱。回收三次后，木質素去除率由91.73%下降到66.91%，纖維素保留率始終保持在90%以上，表明回收使用三次的DES 仍具有一定的預處理性能。隨著回收次數的增加，回收的DES 中氫鍵相互作用的減少以及黏度的增大會導致預處理性能降低。

圖7 T-EG-Fe回收次數對楊木水解渣預處理效果的影響

3 結論

開發了一種可高效預處理木質纖維素的方法，提出了利用三元DES 預處理楊木水解渣拆解木質素，為木質纖維素生物質的全組分利用提供技術參考。

（1）DES組分對其預處理木質纖維素的能力有較大影響。芐基三乙基氯化銨作為氫鍵受體的DES對木質素的去除能力優于氯化膽堿作為氫鍵受體的DES。在合成的6種三元DES 中，以芐基三乙基氯化銨作為氫鍵受體的T-EG-Fe 預處理效果最優，木質素去除率為80.46%，纖維素保留率為90.81%，并且T-EG-Fe具有較好的回收使用性能。

（2）在木質纖維素預處理過程中，溫度和時間是最重要的工藝參數。T-EG-Fe 預處理楊木水解渣最優的工藝參數為固液比1∶15，預處理溫度130℃，預處理時間為5h，得到的固體殘渣中纖維素質量分數為92.78%，木質素質量分數為5.33%。