低共熔溶剂在木质纤维生物质预处理领域的研究进展

摘要

低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents，DESs）由于具有熔点低、溶解性好、制备成本低、绿色无毒、可生物降解和电化学窗口宽等特性而被视为新型绿色溶剂，在木质纤维生物质预处理领域展现出广阔的应用前景。本文综述了DESs在预处理木质纤维生物质、制备纳米纤维素、高效提取分离木质素与半纤维素领域的研究进展，并指出了DESs在目前研究发展中存在的不足及其未来的研究方向，以期为进一步研究提供理论依据。

关键词

低共熔溶剂; 木质纤维生物质; 预处理; 提取; 分离

在过去20年里，随着环境污染问题日益严重，人们的环保意识逐渐增强，加速推动了绿色化学的兴起^[1]。溶剂是绿色化学研究的一个重要领域，而传统的有机溶剂大多是易燃有毒的^[2]。为此，研究人员开发了基于水、超临界流体（Supercritical Fluid，SCF）和离子液体（Ionic Liquids，ILs）的绿色溶剂工艺^[3-4]。水作为常用的化学反应溶剂，无毒无害，廉价易得，但其不能溶解有机化合物，汽化能高^[5]。SCF具有易于处理、化学性质稳定、安全环保等优点，常用来代替传统有机溶剂，然而，SCF通常是非极性的，对极性溶质的溶解能力有限^[6]。ILs是完全由离子组成的有机盐状物质，熔点多低于100℃^[7]，具有不挥发^[8]、可回收^[9]、热稳定^[10]和不可燃^[11-12]等优点，被认为是极具发展潜力的绿色溶剂^[13-14]；但ILs存在成本高^[15]、生物降解性差^[16]、毒性大^[17]、黏度高^[18]等缺点阻碍了其在工业上的应用。因此，新一代绿色溶剂——低共熔溶剂（DESs）被成功研发出来，用于克服上述几种溶剂的局限性，从而更好地应用于工业。

DESs是由季铵盐、季磷盐等氢键受体（Hydrogen Bonding Acceptor，HBA）与氢键供体（Hydrogen Bond Donor，HBD）按照一定的物质的量比通过氢键作用、范德华力或静电作用相互结合在一起的熔融盐，其在室温或接近室温条件下呈流体形态。DESs因与ILs具有许多相同的物化性质而被视为类ILs绿色溶剂^[19]。DESs含有有机分子成分（通常是指HBD，如尿素、酰胺、酸或多元醇），且常以它们为主要组成部分^[20]，其分类表达式如表1所示^[21]。与传统的ILs相比，DESs廉价、可降解^[22]、无毒^[23]、易制备、且环境友好^[24]，因此DESs比传统的ILs更受青睐。近年来，DESs更是引起了各界学者的广泛关注，在各个领域的相关研究报道也逐年增加（如图1和图2所示）。

表1  DESs分类的一般公式^[21]

Table 1  General formula for the classification of DESs^[21]

类型	通式	举例
I	Cat+X-zMClx	M = Zn, Sn, Fe, Al
II	Cat+X-zMClx·yH2O	M = Cr, Co, Cu, Ni, Fe
III	Cat+X-zRZ	Z = CONH2, COOH, OH
IV	MClx + RZ = MClx-1+·RZ +MClx+1-	M = Al, Zn， Z = CONH2, OH

图1  DESs在各领域的出版文章数量

Fig. 1  The number of articles published by DESs in various fields

注   图中数据源于Web of Science。

图2  每年发表的DESs文章数

Fig. 2  The number of DESs articles published per year

注   图中数据源于Web of Science。

木质纤维生物质主要由纤维素（30%~50%）、半纤维素（20%~30%）和木质素（15%~30%）组成，是地球上最丰富的生物质资源，是生物质精炼的理想原料^[25]。生物质精炼是指通过预处理先将木质纤维生物质的3大组分（纤维素、半纤维素和木质素）进行有效分离，然后将分离出来的3大组分转化为能源、材料与化学品的过程，生物质精炼可有效促进木质纤维生物质的高值化利用^[26-29]。在木质纤维生物质预处理领域，相比于传统溶剂，DESs有着明显的优势，其与水的相容性好，可通过氢键相互作用稳定糖类和呋喃衍生物；同时，与酶也有良好的生物相容性^[30]。此外，组成DESs的HBD可与3大组分形成氢键，从而弱化3大组分之间的氢键作用，选择性溶出半纤维素和木质素。而纤维素中存在大量分子间和分子内氢键，采用DESs难以将其从木质纤维生物质中溶解出来，从而保留了纤维素结构，达到组分分离的目的，促进了木质纤维生物质的综合利用^[31-32]。因此，DESs在木质纤维生物质预处理领域的应用逐渐受到专家学者的关注^[33]。本文重点综述了其在预处理木质纤维生物质、制备纳米纤维素、高效分离提取木质素与半纤维素领域的研究进展，以期为DESs在木质纤维生物质的应用研究中提供参考。

1 DESs预处理木质纤维生物质

木质纤维生物质的细胞壁结构复杂且致密，使其难以被溶解和利用，因此，预处理成为有效利用木质纤维生物质的关键^[34]。DESs具有较强的氢键网络结构，在预处理木质纤维生物质过程中可有效溶出半纤维素和木质素，实现木质纤维生物质的组分分离，提高酶解糖化效率。Lin等人^[35]研究了不同组成的氯化胆碱（ChCl）-乳酸DESs体系预处理竹屑的酶解效率，并将酶解效率与半纤维素去除率、木质素去除率、纤维素结晶度及纤维素聚合度等因素进行了线性拟合。结果表明，此DESs可有效去除木质素和半纤维素，降低纤维素的聚合程度，提高纤维素的结晶度，增加纤维素的可及性，采用ChCl-乳酸（物质的量比1∶4）在130℃下预处理竹屑72 h后所得酶解效率最高（76.9%），线性拟合结果呈线性相关（R²=0.6~0.9），这一发现有助于理解DESs预处理提高木质纤维生物质酶解效率的机理。Procentese等人^[36]采用ChCl-尿素、ChCl-甘油和ChCl-咪唑DESs体系预处理玉米芯，对比了DESs在不同温度下处理玉米芯所得残渣的酶解效率。研究结果表明，以ChCl-尿素预处理（80~150℃）玉米芯后，残渣的酶解效率显著提高，从39.9%上升至91.5%，以ChCl-甘油和ChCl-咪唑预处理后，酶解效率仅略微升高。由此可知，随着预处理温度的升高，残渣的酶解效率普遍升高，升高幅度取决于HBD的种类。Zhang等人^[37]制备了ChCl-一元羧酸、ChCl-二元羧酸和ChCl-多元醇DESs体系用于预处理玉米芯，对比了3类DESs的脱木质素能力和预处理后残渣的酶解效率。结果表明，在温度90℃，时间24 h条件下，ChCl-乳酸（物质的量比1∶15）、ChCl-草酸（物质的量比1∶1）具有较好的脱木质素能力（＞93%），但残渣的酶解效率不高（＜80%）；ChCl-多元醇类DESs具有较高的木质素去除率（最高可达87.6%）和酶解糖化产率（最高可达96.4%）。DESs通过去除半纤维素和木质素破坏玉米芯的细胞壁结构，从而提高预处理效果；其中，HBD的性质和用量对预处理效果有较大影响。Wang等人^[38]综合评价了ChCl-对羟基苯甲酸（PB）DESs体系对杨木的预处理效果。结果表明，ChCl-PB在160℃下预处理杨木3 h即可有效去除半纤维素和木质素，半纤维素去除率高达82.3%，木质素去除率可达69%；残渣酶解72 h后，酶解糖化效率超过90%。Xu等人^[39]研究发现ChCl-甲酸在预处理（130℃、2 h）玉米秸秆过程中可脱除66.2%半纤维素和85.3%的木质素，最终酶解糖化效率可达99.0%。

采用不同处理方式辅助DESs预处理木质纤维生物质可提高其预处理效果，相关研究成果已被大量报道。路易斯酸是酸催化反应过程中常用的催化剂，其因与DESs具有协同效应而被应用于木质纤维生物质预处理领域。Loow等人^[40]探究了以ChCl-尿素（物质的量比1∶2）组成的DESs和CuCl₂协同预处理油棕榈叶制备木糖的效果，如图3所示。研究发现在温度低于100℃、固液比为1∶10的条件下，单独以DESs对油棕榈叶进行预处理未获得木糖，而先用DESs（120℃，4 h）处理后，再用0.4 mol/L的CuCl₂溶液（120℃，30 min）进行水解，可产生含有14.76 g/L木糖的预处理水解液，比仅用CuCl₂进行预处理所得水解液中木糖的含量（11.87 g/L）高出25%。此外场发射扫描电子显微镜、比表面积、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等表征证实了经DESs处理后油棕榈叶的木质素被大量脱除，使用这种综合预处理方式可使木糖产率与其他传统预处理方法相当。Huang等人^[41]研究发现在ChCl-邻甲氧基苯酚DESs体系中加入AlCl₃可显著提高该DESs体系对稻草的预处理效果。加入AlCl₃后，在相同预处理条件下（130℃、1 h），残渣回收率从93.50%下降到57.63%，木质素去除率提高了25%；同时，半纤维素去除率显著升高，从5%上升至76.42%；随着木质素和半纤维素的去除，最终的酶解糖化率达到了100%。

图3  DESs+CuCl₂预处理油棕榈叶促进半纤维素水解^[40]

Fig. 3  DESs+CuCl₂ pretreated oil palm fronds improving hydrolysis of hemicelluloses^[40]

微波预处理作为一种生物质炼制的热处理方法，具有反应时间短、溶剂用量少、副反应少、能量效率高和无复杂参数变化等优点^[42-43]。微波辅助预处理可显著缩短DESs预处理的反应时间，且能达到与纯DESs相当或更好的预处理效果。Liu等人^[44]报道了一种快速分离木质素的简便方法，其利用微波辅助DESs预处理杨木，使杨木的木质素-碳水化合物复合物（Lignin-Carbohydrate Complex，LCC）的化学键发生断裂，从而快速分离得到木质素。该DESs体系由ChCl和草酸二水合物组成，氢键酸度为1.31，在80℃、800 W微波辐射条件下，DESs体系对杨木处理3 min即可有效提取木质素，提取的木质素的质均分子质量（M_w）为913，多分散性为1.25，且纯度高达96%（单独以ChCl-草酸二水合物的DESs体系需在110℃下处理杨木9 h才能达到相当的预处理效果），其它溶解物主要为葡萄糖、木糖和羟甲基糠醛；未溶解物主要为Ⅰ型纤维素，其结晶度约为75%，可用于制备纳米纤维素。该研究工作可得到结晶度高的纤维素、高纯度的木质素以及单糖、羟甲基糠醛等化学品，可为生物质全组分利用提供理论指导，改善木质纤维素生物质精炼的经济性。Chen等人^[45]采用微波辅助（800 W，45 s，152℃）ChCl-乳酸（物质的量比1∶2）DESs体系预处理玉米秸秆、柳枝稷和芒草，进行组分分离。研究结果表明，在该预处理条件下，3种木质纤维生物质的木质素和半纤维素被大量去除，同时保留了大部分的纤维素，从预处理液中再生所得木质素的纯度较高（85%~87%），且后续纤维素的酶解糖化率均提高了2~5倍。

超声预处理主要是利用超声波的空化作用、机械效应和热效应等加速物质的释放、扩散和溶解。因此，超声辅助预处理可增强DESs对目标化合物的提取效果。Bosiljkov等人^[46]以超声辅助ChCl-苹果酸天然低共熔溶剂（Natural Deep Eutectic Solvents，NADES）体系提取果酒酒糟中的花青素，采用响应面分析法得出，在提取时间30.6 min，超声功率341.5 W，NADES含水量35.4%条件下对花青素的提取率可达100%。Ong等人^[47]探究了不同超声条件下ChCl-尿素DESs体系对油棕榈叶木质素的去除效果。结果表明，在超声振幅70%，时间30 min条件下，木质素的去除率可达36.42%，远高于仅以DESs进行预处理的木质素去除率（14.02%）。Lee等人^[48]研究了超声与DESs预处理油棕空果束（Oil Palm Empty Fruit Bunch，OPEFB）的协同效应，以ChCl-乳酸、ChCl-尿素和ChCl-甘油等DESs体系在不同超声条件下对OPEFB进行处理，根据还原糖产率、木质素去除率、OPEFB的结构形态变化对预处理的性能进行评价。结果表明，在超声功率210 W、温度50℃、时间15 min条件下，经ChCl-乳酸的DESs体系预处理的OPEFB所得还原糖产率最高（36.7%），木质素含量最低（4.9%），其致密的细胞壁结构坍塌，形态发生显著变化，证明超声与DES预处理具有协同效应。

2 DESs制备纳米纤维素

纤维素是木质纤维生物质中含量最多的成分。纳米纤维素是以天然纤维素为原料制备的一种纳米级的纤维素，其强度高、热稳定性好、比表面积大且富含羟基基团，在许多领域中展现出巨大的应用价值^[49]。DESs在木质纤维素纳米化方面优势显著：可通过调节DESs组成和控制处理工艺，实现纳米纤维素形貌和性质的可控性；DESs预处理木质纤维生物质几乎不破坏纤维素的I型结晶结构，可有效提高纳米纤维素的产率，且具有一定的产业化潜力^[50]。Yang等人^[51]在ChCl-草酸二水合物DESs体系中加入FeCl₃·6H₂O作为催化剂，并采用该溶剂体系处理（80℃、6 h）漂白硫酸盐桉木浆（Beached Eucalyptus Kraft Pulp，BEKP），成功制备出直径5~20 nm，长度50~300 nm的纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystals，CNC），且CNC得率超过90%，结晶度高达80%。该溶剂体系可循环使用、绿色环保，如图4所示。Sirviö等人^[52]报道了利用ChCl-草酸DESs体系对纤维素进行预处理制备CNC的新方法。首先，在60~100℃温度下制备DESs，并用其水解处理纤维素的无定形区域，经DESs处理后的纤维素降解为微细纤维，再将微细纤维进行机械研磨处理，成功制备了CNC。所得CNC的宽度为9~17 nm，长度为310~410 nm，结晶度指数和羧酸含量分别为66%~71%和0.20~0.28 mmol/g，且具有良好的热稳定性。这种CNC生产工艺具有加工条件温和、制备简单、低毒、成本相对较低等优点。Liu等人^[53]采用微波辅助（800 W，80℃，3 min）ChCl-草酸DESs体系预处理棉纤维，然后再进行超声处理（1200 W，30 min）制备出直径为3~25 nm，长度为100~350 nm的CNC，该CNC的结晶度高达82.0%，具有良好的热稳定性，得率高达74.2%，有效提高了棉纤维的利用率。

图4  利用FeCl₃·6H₂O催化DESs反应制备CNC流程图^[51]

Fig. 4  Schematic diagram of preparation of CNC by DESs reaction catalyzed by FeCl₃·6H₂O^[51]

目前，主要以带氨基的尿素、氨基磺酸、盐酸胍等盐类作为HBD制备纤维素纳米纤丝（Cellulose Nanofibrils，CNF），这类DESs体系对纤维素的破坏程度较低，可有效提高CNF的理化性质稳定性。Li等人^[54]以尿素、硫氰酸铵和盐酸胍作为HBD制备DESs，并用其预处理纤维素成功制备出CNF，如图5所示。结果表明，尿素基DESs体系均能使纤维素产生润胀作用，对润胀后的纤维素进行不同程度的机械处理后，均可制备出直径为13.0~19.3 nm的CNF。采用该CNF制备的半透明纳米纤维膜具有良好的热稳定性和机械性能，其拉伸强度可达189 MPa，弹性模量为7.7 GPa。Sirviö等人^[55]以ChCl-尿素（物质的量比1∶2）DESs体系作为非水解预处理介质，采用微流化器处理促进纤维素纳米化，并研究了DESs处理对纤维性能的影响。结果表明，经DESs预处理后，纤维素的晶体结构和聚合程度均保持不变，再通过微流化器处理成功制备出直径为2~5 nm的CNF。Yu等人^[56]以ChCl-草酸二水合物DESs体系预处理（100℃，4 h）苎麻原纤维制备CNF，所制CNF的平均宽度为14.29 nm，结晶度高达79.17%，且具有良好的热稳定性。采用该CNF制备的薄膜拉伸强度为98.071 MPa，弹性模量为2.749 GPa。因此，DESs在纳米纤维素（CNC和CNF）的制备方面具有极高的应用价值。

图5  尿素基DES制备CNF^[54]

Fig. 5  Preparation of CNF from urea-based DES^[54]

3 DESs选择性溶解木质素

木质素作为木质纤维生物质的3大主要成分之一，是由3种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的天然高分子。木质素广泛存在于维管植物中，尤其是木本植物，在细胞壁中与纤维素和半纤维素存在较强的相互作用^[57]。近年来，研究人员制备了能够选择性溶解木质素的DESs，可实现木质素的高效分离，同时提高纤维素的酶解糖化效率，促进木质纤维生物质的高值化利用^[58]。Francisco等人^[59]首次报道了木质素易溶于酸性DESs体系中，而纤维素在此类DESs体系中几乎不溶解，此研究结果表明采用酸性DESs体系预处理木质纤维生物质可实现木质素和纤维素的有效分离。Carlos等人^[60]以DESs预处理木质纤维生物质并从中选择性提取出木质素，该研究工作使用ChCl分别与乙酸、乳酸、乙酰丙酸和甘油制备而成的DESs体系对杨树和冷杉进行处理。研究结果表明，这些DESs体系可选择性断裂木质素中的醚键，从而将木质素提取出来，且木质素的提取率高（杨树为78%，冷杉为58%）、纯度高（达95%）。DESs断裂苯丙烷单元间醚键机制的研究表明，DESs是一种可以从木质纤维生物质中选择性脱除木质素和改变木质素结构的新型溶剂。Kumar等人^[61]采用ChCl/甜菜碱-乳酸NADES体系对稻草进行预处理，该溶剂体系可以成功从稻草中选择性分离木质素，从而达到一步分离稻草中木质素和综纤维素的目的。对NADES预处理后的提取物进行分析表明，该NADES分离的木质素约占稻草中总木质素含量的（60±5）%，且提取的木质素纯度较高（>90%）。此外，在NADES中加入少量水能显著改善预处理效果，如采用含水量为5.0%的NADES对残渣进行处理，可从残渣中再提取出（22±3）%的木质素。该研究制备的几种NADES中，ChCl-乳酸（物质的量比5∶1）DESs体系从稻草中提取的木质素含量最高，为（68±4） mg/g；分离木质素后，对富含综纤维素的残渣进行酶解糖化处理，糖转化效率为（36.0±3.2）%。Wang等人^[62]在ChCl-甘油DESs体系中加入路易斯酸（AlCl₃、FeCl₃、FeCl₂、ZnCl₂和CuCl₂）预处理杂交狼尾草制备高纯度且具有抗氧化活性的木质素，并对该木质素的结构特性进行了综合分析。结果表明，FeCl₃催化DESs预处理杂交狼尾草促进了木质素的分离，所得木质素具有良好的抗氧化活性，其酚羟基含量大幅增加，醚键含量随着预处理剧烈程度的提高而逐渐减少。

随着研究工作不断深入，研究人员还对DESs脱除木质素的机理进行了探究。Hou等人^[63]以ChCl-草酸二水合物DESs体系预处理稻草制备可发酵糖和其他平台化合物，并进行了机理研究，研究发现该体系可有效降解半纤维素和分离木质素（纯度＞82%）并获得易于酶解的富含纤维素的原料，流程如图6所示。该研究还采用共聚焦激光扫描显微镜和透射电子显微镜对稻草细胞壁的超微结构进行表征，木质素分布的超微结构变化表明木质素的脱除优先发生在细胞角隅处和复合胞间层中，而不是发生在次生壁中。该研究工作提出了酸性DESs脱除木质素机理的新见解，对开发分离提取木质素的酸性DESs体系具有重要的指导意义。Loow等人^[64]研究发现含卤素阴离子的DESs体系脱木素能力较强，原因在于卤素阴离子可与木质素的羟基基团形成氢键，从而实现木质素的溶解提取。因此，DESs脱木素效率取决于其所含的卤素阴离子和木质素形成氢键能力的强弱。Xia等人^[65]研究发现α氢键酸性和β氢键碱性值较高的DESs对木质素的分离提取效果较好，其中氢键酸性值较高的DESs具有较好的氢质子生成能力，可催化醚键、糖苷键和LCC键断裂，实现木质素的分离提取；而氢键碱性值较高的DESs具有较好的氢键接受能力，可与木质素形成较强的氢键作用，从而起到分离提取木质素的作用。

图6  DESs预处理稻草流程图^[63]

Fig. 6  Flow chart of DESs pre-treated rice straw^[63]

4 DESs溶解提取半纤维素

半纤维素由几种不同类型的单糖构成，具有主链和支链，是由多种复合聚糖构成的不均一聚糖的总称。半纤维素组成较为复杂，研究中常以聚木糖作为模型化合物对其溶解性能进行测试与表征，DESs溶解半纤维素的研究相对较少。Morais等人^[66]研究了聚木糖在ChCl-尿素（物质的量比1∶2）和ChCl-醋酸（物质的量比1∶2）2种DESs体系中的溶解性能，并利用响应面法得出在ChCl-尿素DESs体系质量分数66.7%、温度80℃条件下，聚木糖的溶解度（328.23 g/L）最高，与1.67 mol/L NaOH溶液的溶解度（316.47 g/L）相当，远高于ChCl-醋酸DESs体系中聚木糖的溶解度（208.61 g/L）。通过添加无水乙醇作为反向溶剂再生聚木糖，其得率超过90%。对再生聚木糖进行表征，发现在聚木糖溶解再生的过程中，其侧链上的4-O-甲基葡萄糖醛酸发生脱落；最后采用该ChCl-尿素DESs体系在90℃下连续处理桉木原料24 h，最终提取得到14.8%的半纤维素。Yu等人^[67]以4种ILs作为HBA制备了一系列ILs基DESs，测定了聚木糖在这些DESs体系中的溶解性能。结果表明，当温度为343.15 K时，聚木糖在1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐-乙二醇（物质的量比2∶1）DESs体系中的溶解度（40.4%）最高。Malaeke等人^[68]研究了聚木糖在ChCl-苯酚、ChCl-α-萘酚、ChCl-间苯二酚和ChCl-马来酸中的溶解性能。结果显示，聚木糖在各溶剂中的最大溶解度分别为1.55%、0.92%、1.96%和0.85%，均低于纤维素和木质素在相应溶剂中的最大溶解度。Lynam等人^[69]测试了60℃条件下聚木糖在5种酸性DESs中的溶解性，结果表明，聚木糖在ChCl-乳酸（物质的量比1∶10）DESs体系中的溶解度小于5%，在ChCl-甲酸、ChCl-乙酸、甜菜碱-乳酸和脯氨酸-乳酸DESs体系中的溶解度均小于1%。

5 结　语

DESs可应用于诸多领域，被认为是21世纪最具发展潜力的绿色溶剂。DESs应用于木质纤维生物质预处理领域的潜力巨大，通过高效提取分离木质素与半纤维素，得到高纯度的木质素与大量的半纤维素产物，同时提高了纤维素的可及性，从而达到更高的酶解糖化效率，对实现木质纤维生物质全组分高值化利用具有重要意义，且DESs有望实现纳米纤维素的产业化生产，进一步扩大经济效益。近几年，有关DESs的研究报道大幅增加，DESs的研究发展迅速，但还存在许多局限，是未来需要重点攻克的难题。

5.1　研究工作涉及的DESs类型很少，现有研究集中在ChCl基DESs上；有关DESs的理化性质的研究也很少，源自不同文献的数据差异较大，还没有系统地研究HBA和HBD类型及其物质的量比对溶剂性质的影响。

5.2　DESs极性、pH值、黏度等理化性质与其在处理纤维素和木质素过程中所产生的作用机理尚未完全明确。

5.3　DESs分离木质纤维生物质组分的研究尚处于初步阶段，关于半纤维素在DESs中的解离机制的研究很少，有关其溶解性能的报道也存在分歧。

5.4　有关DESs回收利用的次数和方式及回收利用后溶剂的性质变化等方面的研究不够充分，缺乏系统性。

5.5　DESs的生产规模较小，难以实现大规模工业化生产。