深度共熔溶劑分離生物質(zhì)資源提取纖維素的研究進(jìn)展

魯俊良 郞金燕 楊鴻燕 張 恒 ，2，3，*

（1. 青島科技大學(xué)海洋科學(xué)與生物工程學(xué)院，山東青島，266042；2. 浙江大學(xué)生物質(zhì)化工教育部重點實驗室，浙江杭州，310027；3. 山東省生物化學(xué)工程重點實驗室，山東青島，266042）

在自然界中，纖維素是一種分布廣泛、含量豐富的天然高分子多糖，與半纖維素、木質(zhì)素共同存在于植物細(xì)胞壁中，是植物細(xì)胞壁的主要成分。作為一種重要的可再生資源，纖維素應(yīng)用日益廣泛，其提取方法也日漸成熟，主要有堿法、亞硫酸鹽法、生物法和溶劑法，它們都能有效將大分子纖維素分離。但與溶劑法相比，堿法和亞硫酸鹽法副產(chǎn)物利用率低，小規(guī)模生產(chǎn)難以解決污染問題，而生物法又常受溫度及微生物自身活性的限制，得率不穩(wěn)定。因此，采用溶劑法提取纖維素是目前研究較多的生物質(zhì)資源利用的一種高效方法。

1 溶劑法提取纖維素

溶劑法提取纖維素最早于1931 年由瑞典化學(xué)家Kleinert 提出［1］，其主要原理是有機(jī)溶劑對特定條件下降解的木質(zhì)素及半纖維素具有溶解作用［2-3］。醇是此法最常用的溶劑，其價格低廉但回收率較低，根據(jù)沸點不同，可分為低沸醇（沸點低于100℃）和高沸醇（沸點高于150℃）兩大類［4］。起初，研究者僅使用高溫乙醇溶液分離纖維素，后期又添加了NaOH作為輔助劑以提高產(chǎn)物性能［5］。之后，Kirci 等［6］引入了亞硫酸鹽和蒽醌進(jìn)行改良。高沸醇對木材原料同樣具有良好選擇性，且在一定條件下無需添加助劑，其提取的纖維素強(qiáng)度與其他溶劑法相當(dāng)，還可改善副產(chǎn)物木質(zhì)素回收利用難的情況［4，7-10］。

有機(jī)酸是另一類纖維素提取溶劑，常與無機(jī)酸混合使用。其中，甲酸和乙酸是最常見的有機(jī)酸，二者均具有良好選擇性［11-12］。乙酸制備纖維素效率較高，甲酸則常與其混合使用以提高纖維素純度，并降低反應(yīng)溫度及壓力。將有機(jī)酸與HCl或H2SO4混合使用后，纖維素強(qiáng)度性質(zhì)接近化學(xué)法制得的纖維素［13-16］。

溶劑法分離提取纖維素具有得率高、制備過程中所用化學(xué)品少、對環(huán)境污染低、從溶劑中獲得的副產(chǎn)品（木質(zhì)素、小分子糖、糠醛）可進(jìn)行綜合利用等優(yōu)點。但醇溶劑法存在溶劑回收率低、反應(yīng)耗時較長，且高沸醇在副產(chǎn)物回收時存在耗能大等缺點；酸溶劑法又存在腐蝕設(shè)備、環(huán)境污染大等問題，這些都阻礙了其廣泛應(yīng)用和大規(guī)模商業(yè)化［17-20］。因此，尋找其他更合適的溶劑是解決此問題的關(guān)鍵所在。

2 深度共熔溶劑分離提取纖維素

2.1 深度共熔溶劑定義及分類

深度共熔溶劑（Deep Eutectic Solvent，DES）又稱低共熔溶劑，是21 世紀(jì)初期發(fā)現(xiàn)的綠色溶劑，這個概念最早由Abbott 等在2003 年提出，他們在研究中發(fā)現(xiàn)，尿素與氯化膽堿混合物熔點遠(yuǎn)低于單個組分熔點。通過進(jìn)一步探究不同種酰胺與季銨鹽的混合物熔點，發(fā)現(xiàn)只有二者間能形成氫鍵的混合物才能使熔點顯著低于各單個組分的熔點，隨著陽離子對稱性的降低，混合物的熔點也隨之降低［21］。有研究表明，任何一種DES都是由氫鍵供體和氫鍵受體間通過氫鍵作用組成的低共熔混合物，氫鍵受體一般為季銨鹽，氫鍵供體要能夠與季銨鹽中的鹵族陰離子形成氫鍵，通常為酰胺和醇，如尿素、乙酞胺、乙二醇等［22-23］。季銨鹽氯化膽堿與氫鍵供體間的相互作用見圖 1[22，24]。

圖1 季銨鹽氯化膽堿與氫鍵供體之間的相互作用

為了更好地區(qū)分DES，Abbott設(shè)計了一個簡單的分類系統(tǒng)，DES可用此通用公式表示［25］（R1R2R3R4N+X-Y-）：

第一類：Y=MClx， M=Zn，Sn，F(xiàn)e，Al，Ga；

第二類：Y=MClx yH2O，M=Cr，Co，Cu，Ni，F(xiàn)e；

第三類：Y=R5Z，Z=CONH2，COOH，OH。

DES通常由兩種或兩種以上價格低廉且自身安全的易得化合物制成，其本質(zhì)是一種混合鹽溶液。由于其制備成本低、揮發(fā)性弱、生物降解性強(qiáng)等特點得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和應(yīng)用［26］。理論上，任何氫鍵供、受體之間相互作用都可以得到種類不同的DES；但在實際設(shè)計和操作上，往往只有選擇合適且容易形成氫鍵的原料，再加以合適的配比，才能得到理想的DES。

2.2 DES的發(fā)展與應(yīng)用

2001 年，Abbott 將MCl2（M=Zn/Sn）與季銨鹽以適當(dāng)摩爾比混合，制備出一系列新穎、穩(wěn)定、含功能側(cè)鏈的路易斯酸離子液體。Abbott認(rèn)為，這類在極端條件下形成的離子液體可以看作由復(fù)雜陰離子形成的深度共晶體，通過降低晶格能來降低混合物熔點［21，27］。Abbott 等［21］在研究酰胺與季銨鹽混合物性質(zhì)時還發(fā)現(xiàn)，氯化膽堿與尿素在常溫下可產(chǎn)生液態(tài)共晶，混合物熔點遠(yuǎn)小于其組分的熔點，并提出DES的概念。這項工作表明，酰胺與季銨鹽按照一定條件混合可以形成低熔點共晶體，其性質(zhì)不同于尋常的溶劑，具有隨溫度升高而顯著提高的高導(dǎo)電性，且黏度和導(dǎo)電性受酰胺和季銨鹽影響較大。這種混合物具有可持續(xù)性和可生物降解的特點，還能從現(xiàn)有的材料中產(chǎn)生大量的新型組合化合物。

DES早期應(yīng)用于金屬電沉積和電拋光領(lǐng)域［28］，之后作為反應(yīng)介質(zhì)在有機(jī)化合物合成、聚合物生產(chǎn)、電化學(xué)、分離過程等［29-34］傳統(tǒng)領(lǐng)域和納米材料的制備、生物催化、生物醫(yī)藥學(xué)、天然活性產(chǎn)物提取等［35-39］新型領(lǐng)域得到了迅速應(yīng)用，將之用于纖維素的提取是其在分離領(lǐng)域應(yīng)用的一個新方向。圖2顯示了DES在不同領(lǐng)域的研究分布［40］。

圖2 DES在不同領(lǐng)域的研究分布[40]

2.3 DES對纖維素的分離提取研究

2.3.1 DES分離提取纖維素機(jī)理研究

國內(nèi)外研究表明，DES分離提取纖維素的主要思路是通過DES對木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的溶解度差異分離木質(zhì)素，再加熱水解所分離的固體（纖維素-半纖維素），使熱穩(wěn)定性較差的半纖維素溶解，從而實現(xiàn)植物纖維三大組分分離。這種方法分離的纖維素及其副產(chǎn)物木質(zhì)素、半纖維素均可得到高附加值利用，且溶劑也易于回收再次使用，是一種發(fā)展前景良好的綠色工藝。

DES對木質(zhì)素、纖維素的分離作用可直接用于提取纖維素，也可視為進(jìn)一步優(yōu)化加工生物質(zhì)材料的預(yù)處理過程。Procentese等［41］用DES處理玉米芯，脫除木質(zhì)素并降低纖維素臨界黏度，提高了隨后的酶促糖化速率。之后，Procentese 等［42］又用兩種DES（氯化膽堿/甘油和氯化膽堿/乙二醇）預(yù)處理蘋果殘渣、馬鈴薯皮、咖啡銀皮和啤酒糟，通過酶促消化生產(chǎn)可發(fā)酵的糖。王冬梅等［43］則以玉米芯為原料，用DES 預(yù)處理得到含74.3%纖維素的產(chǎn)品，將纖維素的酶解糖化效率提高至98.6%。此過程使半纖維素完全水解，木質(zhì)素脫除率為81.5%。

Jablonsky Michal 等和 Largo Garcia de Dios［44-45］用多種DES 處理松木以分離纖維素和木質(zhì)素；研究發(fā)現(xiàn)，松木的木質(zhì)素脫除率最高可達(dá)99.4%。常杰等［46］以Hansen 溶解理論為基礎(chǔ)，將乳酸和氯化膽堿（摩爾比9∶1）作為氫鍵供受體以制備DES并用于處理尾葉桉。結(jié)果表明，在溫度90℃、時間12 h 最佳條件下，桉木的木質(zhì)素溶解率為90.1%，纖維素幾乎不被溶解，且X射線衍射分析表明，纖維素結(jié)構(gòu)基本未遭溶劑破壞。劉鈞等［47］對DES 展開進(jìn)一步探究，分別用三丁基甲基氯化銨（MTBAC）、四甲基氯化銨（TMAC）、芐基三乙基氯化銨（TEBA）和氯化膽堿（ChCl）與DL-乳酸（HL）按照1∶9 的摩爾比合成DES并用于處理尾葉桉。通過對三大組分溶解量的比較，得出TEBA 與HL 合成的DES 對木質(zhì)素的溶解性能最佳，在反應(yīng)條件為90℃、10 h時，木質(zhì)素溶解率達(dá)92.3%，且綜纖維素溶解率僅為8.3%。這種溶解木質(zhì)素以分離纖維素的方法能耗低、污染小，對生物質(zhì)材料中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素選擇效果明顯，且分離的再生木質(zhì)素純度高，其基本結(jié)構(gòu)單元依舊是紫丁香基、愈創(chuàng)木基、對羥苯基。

此外，劉鈞等［47］還測出TEBA/HL、MTBAC/HL、TMAC/HL 及ChCl/HL 的木質(zhì)素-綜纖維素溶解選擇性系數(shù)之比分別為158.5、113.8、16.8、49.7。這說明在溶解生物質(zhì)材料時，不同氫鍵供受體制成的共熔溶劑對三大組分的溶解選擇性不同。因此，繼續(xù)尋找可以使木質(zhì)素、半纖維素溶解率高，纖維素溶解率低的高選擇性DES 將是今后研究更高效溶劑的一個主要方向。

2.3.2 DES對非木材生物質(zhì)資源的制備研究

除了木材生物質(zhì)資源外，DES對非木材原料也有較高的溶解性，這為農(nóng)業(yè)資源豐富地區(qū)的非木材生物質(zhì)高效利用奠定了基礎(chǔ)，拓寬了生物質(zhì)資源利用范圍。Jablonsky 等［44］對小麥秸稈中的纖維素、木質(zhì)素進(jìn)行分離；結(jié)果表明，由氯化膽堿和草酸組成的DES具有良好的分離效果。而Kumar 等［48］以氯化膽堿與乳酸（摩爾比1∶5）為DES的原料，將稻草木質(zhì)素含量降至（3.8±0.5）%，同時得到高純度纖維素。劉洪杰等［49］將1，4-丁二醇和氯化膽堿按照3∶1的摩爾比制成DES，分離獲取生物質(zhì)玉米芯中的纖維素；在180℃、4 h 的最佳條件下，纖維素含量為77.8%，木質(zhì)素脫除率為95%，半纖維素脫除率為75%，并且制得的纖維物質(zhì)內(nèi)部較松散且結(jié)構(gòu)基本未被破壞。與木質(zhì)生物質(zhì)材料相比，該研究對木質(zhì)素的脫除效果相當(dāng)，但反應(yīng)時間明顯縮短，在溶解木質(zhì)素的過程中，纖維素基本不損失。

此外，一種以生物質(zhì)原料分離產(chǎn)物為DES原料的纖維素制備方式非常值得關(guān)注。2017 年，Kim 等［50］用氯化膽堿與木質(zhì)素酚類物質(zhì)（兒茶酚、香草醛、香豆酸等）組成一類利用可再生資源合成的DES，在160℃的溫度下對柳枝稷處理3 h。研究表明，氯乙烯/香豆酸對木質(zhì)素的分離效率最高（60.8%），分離得到的產(chǎn)物中纖維素含量最高，氯乙烯與香草醛、兒茶酚組成的DES 對木質(zhì)素脫除率較低，分別為52.5%和49.0%。這種以生物質(zhì)原料自身木質(zhì)素及衍生物為DES 原料的理念十分先進(jìn)，是木質(zhì)素的高附加值利用。溶解的木質(zhì)素經(jīng)過處理又變成原DES 的一部分，溶質(zhì)、溶劑含量此消彼長，使DES完成自身凈化和循環(huán)利用，甚至可以直接對生物質(zhì)材料的木質(zhì)素進(jìn)行處理，通過加入氫鍵受體形成DES-綜纖維素混合物，再適當(dāng)升溫使溶劑可以更有效地溶解殘留木質(zhì)素、半纖維素，從而實現(xiàn)更高純度纖維素的制備。

2.3.3 DES對纖維素溶解分離機(jī)制研究

大量的研究均已表明，DES可以憑借對木質(zhì)素的極佳溶解性分離制備纖維素，但其對纖維素是否具有選擇性尚且存有爭議。Largo Garcia de Dios、Kumar和Francisco等認(rèn)為，DES對纖維素的溶解量很小，可以忽略不計［44-45，48，51］。Zhou 等［52］以尿素、乙酰胺、己內(nèi)酰胺為原料合成新型DES用于處理工業(yè)棉麻漿，探究其對纖維素的溶解效果。研究發(fā)現(xiàn)，纖維素在DES中的溶解本質(zhì)是DES與纖維素氫鍵的競爭，溶解度取決于與纖維素形成氫鍵的數(shù)量和強(qiáng)度，即與纖維素形成的氫鍵越多，纖維素的溶解度越高。但這種溶解性能較低，否定了通過溶解纖維素分離木質(zhì)素來制備纖維素的方式。

Jablonsky 等［44］用氯化膽堿與不同種類酸分別組成的DES 處理小麥秸稈，發(fā)現(xiàn)氯化膽堿/草酸組合對木質(zhì)素與纖維素的分離效果最佳，分離后木質(zhì)素的含量僅為7.3%，但處理過程中纖維素也部分溶解，對之前研究者得出的結(jié)論提出質(zhì)疑。Mamilla等［53］用氯化膽堿分別與草酸、尿素、乳酸、氫氧化鉀組成的DES處理山毛櫸木，酸性和堿性DES處理后溶劑中分別富含木質(zhì)素和纖維素，這說明酸性DES（氯化膽堿與草酸、尿素）對木質(zhì)素溶解有選擇性，而堿性DES（氯化膽堿與氫氧化鉀）對纖維素溶解有選擇性。但這些研究還不夠充分和系統(tǒng)，因為木質(zhì)素、纖維素的分離同樣受生物質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)及處理條件等因素影響，而且所研究的同種生物質(zhì)材料在不同環(huán)境下自身結(jié)構(gòu)也不盡相同，對結(jié)果的定量比較還有待進(jìn)一步深入探究。

此外，一些多元復(fù)合體系和物理輔助手段的出現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化改良了纖維素及后續(xù)產(chǎn)物的分離提取。2014 年，Nagoor 等［54］發(fā)現(xiàn)，乙烯乙二醇和氯化膽堿組成的DES能與纖維素酶協(xié)同使用，在一定條件下酶活性可達(dá)90%以上，將其用于處理稻殼可以簡化工藝，直接使制備的纖維素糖化。2018 年，Ramesh等［55］以氯化膽堿、草酸和正丁醇組成新型三元體系（DES-OL 體系），從稻殼、稻草和小麥秸稈中高效分離木質(zhì)素和纖維素，發(fā)現(xiàn)用DES-OL 體系脫木質(zhì)素的效果比純DES處理至少高出50%。Malaeke等［56］首次報道在DES中使用超聲輻照以提高木質(zhì)素溶解度。結(jié)果表明，在這種DES聯(lián)合超聲作用下，木質(zhì)素可以從小麥秸稈中較容易地分離出來。通過調(diào)整超聲輻照時間和對DES混合物的設(shè)計，可以使纖維素溶解度進(jìn)一步降低，這是一種操作條件簡單的纖維素提取方式。

2.3.4 DES提取纖維素展望

DES對木質(zhì)素優(yōu)良的選擇性可以使其盡可能與纖維素分離，這種分離的效率很高且反應(yīng)條件溫和，既降低了安全隱患又避免加熱過程中能量的大量損耗。此法一般在常壓下進(jìn)行，溶劑揮發(fā)性極低，易于生物質(zhì)分解。而分離的木質(zhì)素多為小分子，易于改性形成衍生物，還可作為氫鍵供體充當(dāng)新型DES的原料，實現(xiàn)循環(huán)利用，進(jìn)一步降低廢物排放。

大量的研究結(jié)果都已表明，DES無疑將成為21世紀(jì)的綠色溶劑，但這并不能掩蓋其現(xiàn)存的種種缺陷。雖然其制備原料無毒或毒性極低，但混合物原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)因氫鍵的形成而改變，其性質(zhì)也會隨之變化，故研究者在合成制備此類溶劑時不能因原料無毒就判斷混合物具有安全性，仍需謹(jǐn)慎地將其用于食品、醫(yī)藥行業(yè)。DES在制備纖維素方面的研究時間較短，有許多機(jī)理還有待探究，尚存的一些問題，如黏度較高、電導(dǎo)率差、細(xì)胞毒性、與酶的相容性及纖維素的溶解現(xiàn)象等都有待進(jìn)一步系統(tǒng)深入研究［57-58］。

此外，DES目前在生物質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用較少，在提取纖維素方面僅具有溶解木質(zhì)素進(jìn)而分離纖維素的單一手段。此法制備的纖維素往往含有部分小分子半纖維素和殘留的木質(zhì)素，其純度有待進(jìn)一步提高。雖然有部分DES可以溶解纖維素，但對纖維素的溶解程度都不太理想，而且這些溶液對木質(zhì)素的溶解效果更佳，這使得以溶解纖維素的方式提取纖維素還有待開發(fā)研究。筆者認(rèn)為，可以根據(jù)現(xiàn)有報道中酶在特定條件DES中的高活性，研發(fā)新型酶-DES混合體系或引入其他非生物催化劑來提高其對木質(zhì)素和纖維素的選擇性，進(jìn)一步增大纖維素與木質(zhì)素、半纖維素的溶解度差異。探究選擇性更佳、更高效環(huán)保的DES組合體系并進(jìn)一步優(yōu)化制備過程將是DES法提取纖維素的一個重要突破點。

3 結(jié) 語

利用深度共熔溶劑（DES）制備纖維素是一種高附加值的生物質(zhì)資源利用手段，該方法產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)將在很大程度上減少傳統(tǒng)制備纖維素方法對環(huán)境的破壞。本文綜述了傳統(tǒng)溶劑法分離提取纖維素中部分醇類、酸類的應(yīng)用和改進(jìn)，以及DES法分離提取纖維素的國內(nèi)外研究進(jìn)展。為進(jìn)一步深入研究溶劑法、提高纖維素和副產(chǎn)物木質(zhì)素的得率提供了理論支持。

雖然將DES用于分離生物質(zhì)資源的研究是近十年來才開展的，但其已成為國內(nèi)外生物質(zhì)研究利用的熱點，是目前最符合綠色、環(huán)保、可持續(xù)理念的纖維素制備方法之一。其溫和的反應(yīng)條件、較弱的揮發(fā)性以及優(yōu)良的生物質(zhì)降解性、木質(zhì)素選擇性可以有效改善傳統(tǒng)溶劑的缺陷，而其現(xiàn)存的一些不足必將隨著更多種類DES的發(fā)現(xiàn)和有關(guān)機(jī)理的研究得到有效改善。因此，DES在未來很有可能替代傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑并實現(xiàn)其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，繼續(xù)探究優(yōu)良的DES對未來纖維素綠色分離意義重大，相關(guān)研究在今后仍將是生物質(zhì)資源高值化利用的熱點和重點。