氯化膽堿基低共熔溶劑拆分秸稈高產可發(fā)酵糖的研究

中圖分類號：TS721 文獻標識碼：A DOI：10.7535/hbkd.2025yx03006

（SchoolofLifeScienceandFoodEngineering，Huaiyin Instituteof Technology，Huai'an，Jiangsu，China）

Abstract：Inorder toestablishanefcientprocessforthe pretreatmentof lignocellosic biomasstodeconstruct thecomplex structureandimproveenzymatichydrolysisefficiencyofpolysaccharidefractions，cholinechloride（ChCl）and glycerol（Gly） wereusedto synthesizegreen depeutectic solvent（DES）forcorn stover pretreatment.Thedeconstructioneffectsof DESon cornstover under diferent synthesisconditions werecompared，and thechemicalreagents wereadded toenhance pretreatment. Theresults indicate that，pretreatment at 120^°C for 3h by DES（at a molar ratio of 1：2 ）with 1% （204 H₂SO₄ addition improves the glucan content from 33.4% to 51.2% . In this case，the removal rates of xylan and lignin reache up to 86.7% and 39.0% ， respectively. After ^72h enzymatic hydrolysis by cellulase，the productions of glucose and fermentable sugars are relatively high，reaching 29.0g and 30.7g from 100g of corn stover. Therefore，the H₂SO₄ -assisted DES system efficiently remove xylanandlignin，whichfacilitatestheimprovementsof hydrolysisandfermentablesugarsproduction.Thisstudydevelopsa grenand high-effcient pretreatment toprovide fundamental dataandtechnicalsupportforvalorizationofrenewableand abundant agricultural residuesin China.

Keywords：biochemicalengineering；agricultural residue；pretreatment；deepeutectic solvent；enzymatic hydrolysis；fermentable sugar

為解決化石燃料供應鏈波動、能源需求增長和全球氣候變暖等問題，建立可持續(xù)的能源生產體系迫在眉睫[1-2]。與傳統(tǒng)化石燃料相比，利用可再生生物質通過生物煉制方式生產液態(tài)燃料，已成為當前研究的重點[3]。木質纖維素類生物質是地球上儲量最豐富的可再生資源，如農業(yè)秸稈（玉米秸稈、水稻秸稈）、森林廢棄物等。全球每年通過光合作用產生的生物質總量達2000億t，其中我國產生的秸稈類生物質總量約20億 Ω_t/a ，目前大部分農業(yè)秸稈可再生資源利用率較低[4]。因此，有效利用該資源進行生物燃料的生產對國家“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義[5]。

木質纖維素是由纖維素、半纖維素和木質素組成的具有復雜結構的超分子，其固有的結構特征導致微生物和酶難以對其進行有效降解，建立高效的木質纖維素預處理工藝是可發(fā)酵糖高產的前提和關鍵[6]。傳統(tǒng)預處理方法存在對設備腐蝕性大、廢棄物難以回收和嚴重污染環(huán)境等問題[6-9]。因此，建立綠色、高效的木質纖維素預處理方法越來越受到研究者們的廣泛關注。

低共熔溶劑（deep eutectic solvent，DES）具有蒸氣壓小、可重復使用和無害等優(yōu)點，已成為生物質預處理的綠色溶劑[10]。氫鍵供體（hydrogen bond donor，HBD）和氫鍵受體（hydrogen bond acceptor，HBA）在溫和的條件下可以合成DES，因此DES被稱為“可設計溶劑”。目前，最廣泛使用的DES是利用氯化膽堿（cholinechloride，ChCI）作為 HBA，以尿素、甘油（glycerol，Gly）、羧酸和多元醇作為HBD進行制備[11]。最近，關于DES聯(lián)合酸堿處理的研究逐漸增多，該方法可以進一步提高生物質中各組分的拆分效率，效果比單獨使用DES進行預處理時更為出色[12]。與傳統(tǒng)酸堿法相比，DES 聯(lián)合酸堿處理能有效減少酸堿用量和廢液排放量;此外，DES可以進行回收再利用，具有低成本和環(huán)境友好的特點。TANG 等[13]使用質量分數(shù)為 5% 的 H₂SO₄ 聯(lián)合DES對蘆葦秸稈進行預處理，葡萄糖酶解得率達 91.1% 。徐佳等[14]在雙螺桿擠壓耦合堿預處理蘆葦中添加質量分數(shù)為 4% 的KOH，酶解后總糖得率相較于未處理的蘆葦提高了1.64倍。雖然上述研究中酸堿輔助獲得了更好的預處理效果，但是添加的酸堿含量相對較多，對于后期廢液的處理增加了難度。

因此，本文以常見的農業(yè)廢棄物玉米秸稈為原料，選用不同物質的量比原料合成的DES進行預處理研究，并在合適的DES體系中添加水和少量的酸堿輔助劑進行預處理工藝優(yōu)化。隨后，將預處理后的產物進行酶解，探究其酶解性能，通過比較酶解后的可發(fā)酵糖產量確定最優(yōu)預處理條件，從而實現(xiàn)對儲量豐富的農業(yè)廢棄物（如秸稈、稻草等）資源化高值利用。

1材料與方法

1.1 實驗材料

本研究中使用的玉米秸稈來自江蘇省連云港市，經過粉碎研磨后過40目篩（粒徑 ?425μm， ，然后放置于 60^°C 烘箱中烘干至恒重，原料的粒徑約為 0.4mm 。使用的纖維素酶CellicCTec3購于諾維信公司，文中所述其他試劑均購于國藥集團化學試劑有限公司，試劑純度均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 DES的合成

將ChCl作為HBA，Gly作為HBD合成DES。按照HBA與HBD 物質的量比為 1：1 和 1：2 的條件分別稱取ChC1和Gly，在 的磁力攪拌器中將二者進行攪拌，直至形成均勻透明的溶液，并分別標注為 1：1 -DES和 1：2 -DES。

1.2.2玉米秸稈預處理

在四聯(lián)反應釜（ZNCL-TS，貴州閃勵實驗儀器有限公司提供）中進行玉米秸稈預處理，該反應釜配備溫度控制模塊和磁力攪拌功能。按照 1：15 （約 和 1：20（1.25g：25g） 的固液比分別稱取對應質量的玉米秸稈和DES至反應釜中，在 120^°C 下預處理 3～4h 。反應結束后，將預處理后的生物質漿液

放入真空抽濾機，用加熱的去離子水進行抽濾洗脫，并將固體殘渣洗脫至 pH 值為 6～7 。將洗脫后的固體殘渣放入恒溫烘箱中于 85°C 干燥 。烘干后進行化學組分分析和酶水解操作。

對比 1：1? -DES和 1：2 -DES預處理玉米秸稈后的葡聚糖和總糖含量，確定后續(xù)預處理使用的DES物質的量比，然后在體系中分別加入質量分數(shù)為 50% 的水 ，3% 的 ΔNaOH 和 1% 的 H₂SO₄ 與DES協(xié)同反應，探究其對預處理性能的影響。

1.2.3玉米秸稈的酶水解

分別稱取 _0.5g 預處理后和未經預處理的玉米秸稈放入三角瓶中進行酶解，加入 25mL 檸檬酸緩沖液（ pH 值為4.8），其中纖維素酶的添加量為 20FPU/g 底物。將三角瓶置于 50^°C 水浴搖床中，在 150r/min 條件下酶解 ^72h ，分別在12、24、48和 ^72h 時取樣。將取樣后的樣品放人高速離心機中以 5000r/min 離心10min ，離心后取上清液，測定可發(fā)酵糖的含量。

1.3 分析方法

采用美國國家可再生能源實驗室的測量方法NREL/TP-510-42618測定玉米秸稈原料中的葡聚糖、木聚糖和木質素含量。用生物傳感儀（S-1O，深圳市西爾曼科技有限公司提供）對酶解后的上清液進行葡萄糖濃度的測定，利用高效液相色譜系統(tǒng)（LC-15C，日本島津公司提供）測定酶解液中的木糖含量。相關參數(shù)計算方法參照前期研究[15]。所有試驗重復進行3次，數(shù)據(jù)用均值士標準偏差（SD）表示。

2 結果與分析

ChCl具有無毒、價格低廉等特性，是目前DES合成中最常用的HBA。文獻[16]對以ChCl作為 HBA的6種常用DES進行了生物毒性和廢液處理等方面的分析，結果表明，以Gly為HBD制備的DES被認為是最為“綠色的”。因此，本研究使用ChCI和Gly合成的DES對玉米秸稈進行預處理，探究不同預處理條件對玉米秸稈的綜合影響，分析預處理后玉米秸稈的各組分含量變化以及酶解產生可發(fā)酵糖的效率，以比較處理性能的優(yōu)劣。

2.1DES預處理對玉米秸稈組分和酶解性能的影響

2.1.1 1：1 -DES預處理對玉米秸稈組分的影響

如圖1a）所示，原始玉米秸稈的葡聚糖、木聚糖、木質素的含量分別為 33.4% （質量分數(shù)，下同）、 32.7% 和 25.1% 。當固液比為 1：15 、預處理時間為 ⁴h 時，葡聚糖的含量較其他條件略微增加，從對照的 33.4% 增加到 36.6% 。在該條件下，木質素含量較原始玉米秸稈沒有明顯變化，說明該DES體系對玉米秸稈中木質素的脫除效果不明顯。這與使用ChCl和Gly的DES預處理楊木時，對木質素的作用效果類似[1]。另一方面，預處理后的木聚糖含量均比原始玉米秸稈高，這主要是由于預處理強度不大（ 120^°C） ，使得大部分木聚糖仍保留在固體殘渣基質中。如圖1b）所示，葡聚糖保留率均在較高水平，這有助于后續(xù)酶解。由圖1b）可知， 1：20 固液比條件下的木質素和木聚糖去除效果均優(yōu)于 1：15 固液比條件，由于木聚糖和木質素的去除率均較低，這使其固體保留率也處于較高水平 （gt;80% ）。

2.1.2 1：2 -DES預處理對玉米秸稈組分的影響

與原始玉米秸稈各組分含量相比， 1：1 -DES對玉米秸稈預處理的效果并不明顯。因此，通過改變ChCl與Gly的物質的量比合成不同DES體系，探究其對玉米秸稈的預處理效果。將 1：2 -DES與玉米秸稈按照1：15 和 1：20 的固液比進行預處理實驗。如圖1a）和圖2a）所示，與 1：1 -DES相比，利用 1：2 -DES體系預處理玉米秸稈 3h 或 后，得到的固體殘渣中葡聚糖、木聚糖和木質素的含量均沒有發(fā)生明顯變化。由圖2b）可知，在 1：15 的固液比條件下，木質素的去除率達到 21.4%～33.4% ；而在 1：20 的固液比條件下，木質素的去除率僅為 13.5%～19.4% 。這可能是由于HBD中的羥基與木質素中的游離羥基和醚化羥基之間產生了相互作用，提高了木質素去除過程中DES 的性能;但是充足的羥基會在HBA 和 HBD之間形成豐富的氫鍵網絡，從而會削弱 HBA與生物質成分中分子內鍵合競爭的能力[18]。

2.1.3不同DES預處理對秸稈酶解性能的影響

圖3反映了原始玉米秸稈、 1：1 -DES、 1：2 -DES預處理條件下的秸稈酶解性能比較。由圖可知，原始玉米秸稈在 2% 固含量、 20FPU/g 基質的條件下酶解 ^72h 后，葡萄糖得率為 20.6% ，木糖得率僅為5.5% 。這一結果表明，復雜的玉米秸稈抗降解結構嚴重阻礙了纖維素酶與底物的接觸，導致酶解效率較低[19]。

與原始玉米秸稈相比，經過DES預處理后的玉米秸稈在酶解 ^72h 后，葡萄糖、木糖和總糖得率都明顯上升。圖3a和圖3c為 1：1 -DES預處理玉米秸稈的酶解效果。在相同的固液比條件下，當延長預處理時間后，酶解性能總體有所提升，這主要是由于在DES體系下隨著反應時間的延長，增強了DES與玉米秸稈的相互作用，進而提高了玉米秸稈中纖維素組分與纖維素酶的可及性。在固液比為 1：20 的條件下預處理 時，酶解性能達到最佳，葡萄糖酶解得率 45.5% ）是原始玉米秸稈直接酶解條件下的2.2倍，木糖得率 （26.4%） ）約是原始玉米秸稈的4.8倍。在此條件下，葡萄糖產量和總糖產量達到最高， 100g 玉米秸桿中分別能得到 12.8g 葡萄糖和 21.2g 總糖。圖3b）和圖3d）為 1：2 -DES預處理條件下，以玉米秸稈為底物進行酶解的綜合效果。在 1：15 的固液比下預處理4h后，葡萄糖、木糖和總糖得率達到最高，分別為47.4%.33.0% 和 39.0% 。在 1：20 固液比下預處理4h后，葡萄糖和總糖產量達到最高，分別為每 100g 玉米秸桿 13.7g 和 22.7g 。預處理條件的選擇不僅需要考慮可發(fā)酵糖產量，還需要參考預處理后組分的變化。在可發(fā)酵糖產量盡可能高的前提下，應當選擇能夠去除更多木聚糖和木質素的條件[20]。綜合上述分析， 1：2 -DES 條件下的預處理效果較好，這為后續(xù)DES與其他試劑進行協(xié)同預處理提供了基礎工藝。

2.2不同輔助劑強化DES預處理條件下玉米秸稈的酶解效能

由上述實驗可知， 1：2 -DES預處理效果優(yōu)于 1：1 -DES，但是酶解效果和可發(fā)酵糖產量仍需要進一步提高。研究表明，在DES體系中添加水、酸或堿等輔助劑均會影響預處理效果[10]。因此，在 1：2 -DES體系下探究 H₂O，H₂SO₄ 和 ΔNaOH 的添加對玉米秸稈酶解和可發(fā)酵糖生產的影響。

2.2.1 H₂O 與DES協(xié)同預處理

DES的黏度對預處理的效果會產生很大影響，較高的黏度會降低DES的溶解能力和傳質傳熱性能，也會增加操作復雜性[21]。通過升高 DES 體系的溫度或在體系中加人水可以有效降低 DES黏度。因此，首先在 1：2 -DES體系中加入等質量的去離子水，將DES含量稀釋至 50% 。表1為利用質量比為 50：50 的H₂ O-DES體系對玉米秸稈進行預處理后的固體組分及可發(fā)酵糖產量情況。與上述使用 1：2 -DES體系預處理后的玉米秸桿化學組分（見圖2）相比，使用 50% 的DES預處理并未表現(xiàn)出明顯差異。葡聚糖含量中 33.4%～36.5% ）對比原來DES預處理有略微增加，這可能是由于水作為纖維素的抗溶劑，抑制了纖維素在DES中的溶解[22]。另一方面，木質素的去除率在部分條件下有所下降，特別是在 1：15 固液比條件下處理4h后，木質素去除率由原來的 33.4% 下降至 17.6% 。這主要是由于玉米秸稈或DES中存在的少量水足以去除木質素，而木質素在水相中較差的溶解性能導致 H₂O -DES體系中DES氫鍵網絡被弱化，也進一步降低了木質素的去除效果[23-24]。

在 ^72h 酶解后，4組實驗條件下的可發(fā)酵糖得率與原始玉米秸稈相比都有所提高，但均略低于純DES的預處理水平。雖然加水后適度降低了DES的黏度，增強了溶液的流動性，但是當水含量過高時，會明顯削弱DES的預處理性能，這可能是影響后續(xù)酶解的重要原因[24]

2.2.2 ΔNaOH 與DES協(xié)同預處理

ΔNaOH 作為最常用的堿性預處理試劑之一，對生物質中木質素的去除有著顯著效果，可以增加后續(xù)纖維素酶對纖維素組分的可及性，從而提高酶解效率[25]。然而，常規(guī)的 ΔNaOH 預處理所需堿濃度較高（質量體積比 30%～40% ），對環(huán)境不友好。因此，在 1：2 -DES體系中加入少量 NaOH（3% ，質量分數(shù)）進行協(xié)同預處理。如表2所示，經過堿性DES體系預處理后，葡聚糖含量較單獨DES預處理有明顯提升，在 1：20 固液比條件下預處理 3h ，由最低的 32.4% 提高到 45.9% ；在此條件下，木聚糖去除率由 13.1% 提升至36.4% ，木質素的去除率也達到最高 （50.6% ），是相同條件下單獨使用DES預處理的3.7倍。這主要是由于 ΔNaOH 通過皂化等反應，去除了半纖維素中的乙?；⑻侨┧峄鶊F并使木質素中的酯鍵、芳香-醚鍵等發(fā)生斷裂，從而達到提高預處理效果的目的[26]。由酶解得率結果可知，在 1：20 固液比條件下預處理 后，固體組分的葡萄糖得率達到 87.1% ，總糖得率達到 61.6% ，分別是單獨使用DES預處理組的1.9倍和1.8倍。這表明經過 ΔNaOH 和DES協(xié)同預處理后，木質纖維素結構被進一步解構，增加了孔隙率和比表面積，使得酶能與其更好地結合，從而提高酶解效率[25]。

2.2.3 H₂SO₄ 與DES協(xié)同預處理

從綠色可持續(xù)角度出發(fā)， 1：2 -DES體系中 H₂SO₄ 添加量設定為 1% 。 H₂SO₄ 與DES協(xié)同預處理后，葡聚糖含量較 ΔNaOH 與DES協(xié)同預處理有明顯上升。在4組實驗條件下，葡聚糖含量達到 47.0%～ 52.2% （見表3）。文獻[27]在較高溫度下使用稀酸預處理促進了半纖維素從木質纖維素結構中溶解，幾乎可以將木聚糖從生物質中完全去除，同時可以去除部分木質素。由表3可知，在 H₂SO₄ 與DES協(xié)同預處理的條件下，木聚糖的去除率均達到 80.0% 以上；同時，木質素的去除率較上述協(xié)同預處理有所提高。在固液比為 1：15 處理 3h 的條件下，葡萄糖得率達到 97.7% ，是原始玉米秸稈 （20.6%） 的4.7倍；在固液比為1：20 處理 3h 的條件下，總糖得率達到 84.3% 。葡萄糖和木糖得率的大幅提高主要歸因于木聚糖和木質素的高效去除和木質纖維素結構的改變。同時， H₂SO₄ 輔助的DES體系對玉米秸稈固體保留率有較大影響 （42.3%～53.7%） ，該結果明顯低于 ΔNaOH 輔助的DES體系 （58.9%～63.7% ，見表2）。

2.2.4不同預處理條件下可發(fā)酵糖產量的比較

在3種不同輔助劑的協(xié)同作用下，DES預處理后的玉米秸桿可發(fā)酵糖產量如圖4所示。利用 H₂O 與DES協(xié)同預處理獲得的可發(fā)酵糖產量明顯低于其他2個條件。利用 ΔNaOH 與DES協(xié)同預處理中， 100g 玉米秸桿中葡萄糖產量最高達到 25.7g ，總糖產量達到 36.8g 。利用 H₂SO₄ 與DES協(xié)同預處理中， 100g 玉米秸桿中葡萄糖產量最高達到 29.0g ，總糖產量達到 30.7g 。WANG等[28]使用微波輔助堿預處理玉米秸稈， 100g 玉米秸稈中葡萄糖產量達到 26.37g ，總糖產量達到 27.56g 。本研究相較于上述研究，利用了較少量的酸堿溶劑，并且取得了更高的可發(fā)酵糖產量。雖然 H₂SO₄ 與DES協(xié)同預處理條件下的總糖產量低于 ΔNaOH 與DES協(xié)同預處理條件下的總糖產量，但是前者葡萄糖占總糖的比例要高出后者近 25% 。葡萄中0 葡萄糖； 木糖； 總糖。 00 葡萄糖； 木糖； 總糖。 中00 葡萄糖； 木糖； 總糖。原始秸稈：15-4h：20-4h：15-3h20-3h 原始秸稈：15-4h：20-4h：15-3b：20-3h 原始秸稈：15-：20-4：15-3h：20-3h固液比-時間 固液比-時間 固液比-時間a）HO與DES協(xié)同預處理 b）NaOH與DES協(xié)同預處理 c） H₂SO₄ 與DES協(xié)同預處理糖作為六碳糖，代謝途徑較為簡單，微生物可以迅速通過糖酵解途徑將葡萄糖轉化為能量和中間代謝產物。在常規(guī)的工業(yè)微生物代謝過程中，底物中葡萄糖和木糖的共存環(huán)境會影響細胞發(fā)酵性能[29-30]。因此，一般在預處理過程中更傾向于獲得高葡萄糖占比的可發(fā)酵糖溶液，因此本文建立的 H₂SO₄ 輔助DES體系對玉米秸稈資源化利用和高效生物轉化具有一定的參考價值。

3結語

建立了綠色DES體系并分析了該工藝用于玉米秸稈生產可發(fā)酵糖的性能。結果表明，ChCl和Gly 物質的量比為 1：2 時合成DES，在預處理過程中輔助添加 1% 的 H₂SO₄ ，于 120°C 下預處理 3h 后能獲得最優(yōu)的預處理效果。在此條件下，葡聚糖的保留率達到 82.2% ，木聚糖和木質素的去除率分別達到 86.7% 和39.0% 。經過 72h 酶解之后， 100g 玉米秸稈中葡萄糖產量達到 29.0g ，總糖產量達到 30.7g 。通過對玉米秸稈進行有效預處理提高底物的酶解性能，實現(xiàn)了將木質纖維素高效轉化為可發(fā)酵糖的目標，可以為農業(yè)廢棄物的有效利用提供參考。

本文建立的綠色預處理工藝雖然可以利用可再生生物質高效生產可發(fā)酵糖，但是在經濟性和大規(guī)模應用的可行性上仍需要進一步探索，從而為綠色低碳的廢棄物資源化利用提供理論參考。

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