基于乙醇胺的深度共熔溶劑預(yù)處理小麥秸稈提高其多糖酶解效率

董艷梅，洪元芳，馬陽陽，安艷霞,2

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450002）

（2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大宗糧食加工重點實驗室，河南鄭州 450002）

生物精煉中預(yù)處理是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵步驟之一，生物質(zhì)要轉(zhuǎn)化為生物能源及生物基材料，必須對其進行預(yù)處理，以破壞其三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減弱木質(zhì)素和半纖維素對纖維素的屏蔽作用或降低纖維素的結(jié)晶度，從而增加酶解反應(yīng)位點，進而提高后續(xù)酶解效率[1-3]。小麥秸稈屬于農(nóng)業(yè)廢棄物，在世界范圍內(nèi)，每年全球產(chǎn)生約5.29億t，小麥秸稈由纖維素（30%～40%）、半纖維素（20%～25%）和木質(zhì)素（15%～22%）組成，本身固有的頑固性結(jié)構(gòu)限制了纖維素的酶解，嚴重影響了生物燃料的轉(zhuǎn)化，其原因主要是因木質(zhì)素和半纖維素基質(zhì)是纖維素的障礙，妨礙了酶和纖維素的接觸。因此，通過預(yù)處理去除木質(zhì)素或半纖維素是提高多糖產(chǎn)量必不可少的關(guān)鍵步驟[4,5]。

近年來，深度共熔溶劑（DES）預(yù)處理木質(zhì)纖維素受到人們的關(guān)注，它是由氫鍵受體（HBA）和氫鍵供體（HBD）組成的一類低溶點共晶混合物，DES通常由兩到三種廉價的綠色組分組成，通過氫鍵相互作用形成均一穩(wěn)定的溶劑體系[6]，通常稱之為類離子液體（IL）[3,7-9]。隨后，DES逐漸成為有機溶劑和傳統(tǒng)IL的替代溶劑，并因其獨特的性能引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。DES不僅保留了IL的優(yōu)點，蒸汽壓低、不易燃燒，且具有制備簡單快捷、無需純化、價格低廉等優(yōu)勢。

如預(yù)期的一樣，DES在生物質(zhì)預(yù)處理方面具有獨特的性能，然而DES預(yù)處理尚處于起步階段?；诼然憠A（ChCl）的DES，例如酸性DES（[ChCl]:[乳酸]、[ChCl]:[草酸]、[ChCl]:[乙醇酸]、[ChCl]:[乙酰丙酸]、[ChCl]: [2-氯丙酸]、[ChCl]:[丙二酸]、[ChCl]:[戊二酸]）；弱堿性DES，例如（[ChCl]:[尿素]）等和中性的DES（[ChCl]:[甘油]、[ChCl]:[乙二醇]）等。將DES用于水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈和玉米芯等農(nóng)業(yè)廢棄物預(yù)處理的報道較多，在80～120 ℃條件下，基于ChCl的DES預(yù)處理后的生物質(zhì)經(jīng)酶解后，20%～90%的纖維素能轉(zhuǎn)化為葡萄糖，只有4%～20%的木聚糖能轉(zhuǎn)化為木糖[3,10-14]。顯然，DES用于提高預(yù)處理效率具有很大的空間，例如中性和弱堿性DES對生物質(zhì)的預(yù)處理效果不佳，而酸性DES會使大量多糖降解，從而降低可發(fā)酵糖的產(chǎn)量；堿性DES具有優(yōu)異的溶解木質(zhì)素的性能和保護多糖的能力[15-17]。

本研究以ChCl為HBA，以單乙醇胺(M)、二乙醇胺(D)、三乙醇胺(T)、乙二胺(N-2)、尿素(U)和乙酰胺(AT)為HBD，合成基于乙醇胺的DES，命名為[CC]:[M]、[CC]:[D]、[CC]:[T]、[CC]:[N-2]、[CC]:[U]和[CC]:[AT]（圖1和圖2），系統(tǒng)地探討了上述DES的pH、粘度、密度和電導(dǎo)率等理化性質(zhì)，接著研究溫度、時間和生物載量對小麥秸稈預(yù)處理的影響，并對預(yù)處理后的樣品進行了酶解，同時，將其用于其他生物質(zhì)的預(yù)處理中，并借助傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）對預(yù)處理前后的生物質(zhì)進行了分析表征。通過考察小麥秸稈的化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和表面形貌的變化，進一步闡明基于乙醇胺的DES體系預(yù)處理生物質(zhì)的作用機理。

圖1 氯化膽堿與HBD合成DES示意圖Fig.1 Schematic diagram of synthesis DES of choline chloride and HBD

圖2 基于氯化膽堿的DES化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of DESs based on ChCl

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥秸稈由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥實驗基地贈送，曬干后經(jīng)粉碎脫蠟，收集250～400 μm的粉末，于60 ℃烘箱干燥，然后置干燥器中保存?zhèn)溆?。纖維素酶，購于諾維信公司；氯化膽堿、乳酸、蘋果酸、草酸、乙醇酸、檸檬酸、檸檬酸鈉和各種氨基酸均購于阿拉丁試劑有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 DES的制備

[CC]:[M]，[CC]:[D]，[CC]:[T]，[CC]:[N-2]，[CC]:[U]和[CC]:[AT]的以摩爾比為1:5、1:6、1:2、1:4、1:2、1:2混合，在80 ℃下攪拌直到形成均一透明的液態(tài)，置于干燥器內(nèi)室溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 差示掃描量熱分析（DSC）

上述DES測試前需在70 ℃真空干燥箱干燥48 h，按照差示掃描儀DSCQ200使用方法，在N2保護下，以10 ℃/min的速度從室溫升到100 ℃保留30 min，以去除殘留的水分，然后降溫到-80 ℃并保持30 min，接著以5 ℃/min的速度升到100 ℃，DSC曲線的峰谷處的溫度為熔點。

1.2.3 粘度的測定

上述DES測試前需在70 ℃真空干燥箱干燥48 h，滴加適量的DES溶劑于臺面上，以10 ℃/min的速度從室溫升到100 ℃保留30 min，以去除微量的水分，然后降溫到20 ℃并保持10 min，接著以5 ℃/min的速度升到80 ℃。

1.2.4 電導(dǎo)率的測定

上述DES測試前需在70 ℃真空干燥箱干燥48 h，取一定體積的DES于細口瓶中并置于恒溫槽內(nèi)，不同的溫度下保持20 min，使用雷磁電導(dǎo)率儀測定不同溫度下DES的電導(dǎo)率數(shù)值。

1.2.5 密度的測定

上述DES測試前需在70 ℃真空干燥箱干燥48 h，取體積為5 mL的比重瓶，利用比重法測定DES的密度，具體如下：干燥的比重瓶（空）為M瓶，在比重瓶里注滿密度為ρ水的蒸餾水，室溫下測定其總質(zhì)量為M水，則M水=M瓶+ρ水*V瓶，將比重瓶里的水倒空，干燥；再將待測密度為ρX的DES注入比重瓶，然后稱重Mx=M瓶+ρX*V瓶，由以上兩式可得DES的密度：

1.2.6 預(yù)處理

將上述DES和樣品按一定比例混合，一定溫度下預(yù)處理一定時間，預(yù)處理后加入適量的溫水，多次洗滌并分離出不溶物至上層清液的pH顯示中性。最后將不溶物干燥，置于干燥器中保存供后續(xù)酶解及成分分析使用。

1.2.7 組分分析

組分含量測定參照NREL并進行了適當(dāng)修改[18]，未處理或預(yù)處理后小麥秸稈樣品用72% H2SO4于30 ℃下水解1 h，接著調(diào)節(jié)酸濃度至4%，121 ℃下處理1 h。采用DNS法測定酶解液中還原糖的濃度，計算樣品中多糖含量。酶解液在320 nm下稀釋一定的倍數(shù)測定其吸光值，據(jù)摩爾吸光系數(shù)30 L/(g·cm)得出酸溶性木質(zhì)素（ASL）含量；酸解后的不溶物于105 ℃干燥4 h，然后置于馬弗爐中575 ℃處理3～4 h，據(jù)兩次的質(zhì)量差，得到酸不溶木質(zhì)素（AIL）含量。計算公式如下：

1.2.8 酶解分析

將20 mg樣品置于三角瓶中，14 mL檸檬酸緩沖液（pH 4.8）并添加20 FPU/g纖維素酶，混勻置于恒溫振蕩器（50 ℃，200 r/min）。定時取樣300 μL（0.5，2、6、12、24和48 h），沸水中滅活5 min使酶解反應(yīng)終止，離心后取上清液，用于后續(xù)DNS的測定，得還原糖含量。計算公式如下:

1.2.9 X射線衍射分析（XRD）

采用D8衍射儀，配以密封管Cu-K射線源，對預(yù)處理前后的樣品進行了XRD分析。掃描速度為5次/min，掃描范圍為5o～50o。

其中CrI為結(jié)晶度指數(shù)，I002為結(jié)晶度峰在2θ =22.51o時的強度，Iam為無定形纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在2θ = 18.22o時的強度。

1.2.10 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）

采用Nicolet 8700型光譜儀進行FT-IR分析，掃描范圍為400～4000 cm-1，分辨率為2 cm-1，樣品用KBr粉末壓成薄片，掃描32次。

1.2.11 掃描電子顯微鏡（SEM）

采用SEM（JSM-6701），觀察預(yù)處理前后樣品的表面形貌，樣品分散在導(dǎo)電材料上，并進行噴金處理。

1.2.12 數(shù)據(jù)處理

測試次數(shù)至少2次，結(jié)果以平均數(shù)±標準偏差（X±SD）表示，Excel和SPSS統(tǒng)計軟件整理和分析，采用Origin 9.0繪制圖表。

2 結(jié)果與討論

2.1 DES的理化特性

DES已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，但關(guān)于其理化性質(zhì)鮮有報道[19,20]。類似ILs，DES的形成取決于各組分，同時也受到HBD與HBA交互作用的影響[20]，另外晶格能和熵的變化也起著重要的作用，決定著DES的熔點[21]，DES的熔點如表1所示。DES的熔點均低于單個組分的熔點，例如DES由ChCl和U組成（分別為302 ℃和133 ℃），而[CC]:[U]的熔點為12.50 ℃，與Zhao[22]的報道相吻合，DES形成后熔點的降低是由于U和ChCl的Cl-之間的相互作用導(dǎo)致的[23,24]。離子尺寸越大，電荷越小，化學(xué)鍵破壞所需的能量就越少[25]。

表1 DESs或構(gòu)成組分的熱特性Table 1 The thermal properties of the DESs or individual substances

溶劑體系的粘度取決于氫鍵、范德華力、靜電相互作用及分子之間的作用力，與IL類似，DES的粘度通常大于常規(guī)溶劑[19,20]。DES的粘度對溫度較為敏感，粘度隨溫度的變化趨勢如圖3a所示，20 ℃時，[CC]:[D]和[CC]:[T]的粘度分別為0.55 Pa·s和0.56 Pa·s，70 ℃時粘度降低到0.06 Pa·s和0.08 Pa·s。由于范德華力和氫鍵相互作用力的減弱，粘度隨溫度升高有明顯降低的趨勢。這是因為分子獲得了足夠的能量足以克服分子間的作用力并允許自由運動，另外羥基的存將產(chǎn)生更多的氫鍵，增加分子間的吸引力，溶劑粘性增大，例如[CC]:[M]，[CC]:[D]及[CC]:[T]隨著羥基數(shù)目的增多，粘度逐步增大由0.05 Pa·s增加到0.32 Pa·s，有趣的是當(dāng)引入胺基時，粘度急劇下降，例如：[CC]:[N-2]的粘度為0.17 Pa·s。

圖3 溫度對DES的粘度(a)和導(dǎo)電率(b)的影響Fig.3 Effect of temperature on the viscosity (a) and conductivity(b) of DESs

此外，還研究了電導(dǎo)率和溫度之間的關(guān)系，如圖3b所示，當(dāng)溫度升高時，粘度下降，電導(dǎo)率增加，其原因可能是溫度升高產(chǎn)生的動能增加了分子間碰撞的頻率，導(dǎo)致分子間作用力變?nèi)鹾碗妼?dǎo)率增加[26]。低粘度的DES電導(dǎo)率較高，與Walden定律相一致，電導(dǎo)率與粘度之間存在負相關(guān)。另外發(fā)現(xiàn)[CC]:[M]比[CC]:[D]和[CC]:[T]具有更高的電導(dǎo)率，其原因可能是后者HBD中含有更多的羥基，羥基越多產(chǎn)生的氫鍵就越多，從而導(dǎo)致離子遷移率和電導(dǎo)率減小。此外發(fā)現(xiàn)含胺基數(shù)越多，電導(dǎo)率就越高。例如[CC]:[U]含兩個胺基，其電導(dǎo)率為1.11，而[CC]:[AT]含一個胺基，電導(dǎo)率為0.71。[CC]:[U]的電導(dǎo)率大于[CC]:[AT]，結(jié)果與相關(guān)報道一致，DES構(gòu)成成分的結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀明顯影響DES體系的電導(dǎo)率[27]。

通常情況下，DES的密度大于水和傳統(tǒng)有機溶劑[28]，上述DES的理化特性如表2所示，DES體系中羧基的存在和氫鍵變化均會使密度增大。例如[CC]:[M]的密度遠低于其他DES，可能是由于[CC]:[M]中氨基數(shù)目較多，而[CC]:[D]和[CC]:[T]中發(fā)現(xiàn)羧基引入時密度增加，與Florindo的研究[29]結(jié)果相一致，此外，密度還取決于自由體積和孔體積理論，可用于解釋粘度、電導(dǎo)率和密度等相關(guān)問題[30,31]，該理論提出了液體中的流動空隙或孔的大小和位置是隨機的且雜亂無章的。如果孔的大小等于或大于其相鄰離子的大小，則離子可以移動；溫度升高，離子間的弱作用力會引起空位或空穴發(fā)生變化，并且DES體系中陰離子和陽離子的振動會引起分子重排，導(dǎo)致密度和粘度的降低以及電導(dǎo)率的提高[32]。

表2 DES的理化特性測定Table 2 Physiochemical parameters of DESs

2.2 DES對生物質(zhì)組分溶解性的影響

生物質(zhì)組分（木質(zhì)素、木聚糖和微晶纖維素）在上述DES中的溶解性如表3所示，木質(zhì)素的溶解度60 ℃時為234～321 mg/g，而90 ℃時為325～425 mg/g，另外DES對木質(zhì)素溶解性可能與溶劑堿性強弱有關(guān)，發(fā)現(xiàn)堿性越強，即pH值越大，對木質(zhì)素的溶解性就越高。有趣的是，發(fā)現(xiàn)[CC]:[M]和[CC]:[N-2]中均含有羥基和胺基，對木質(zhì)素和木聚糖具有較強的溶解性能，特別是[CC]:[N-2]，在90 ℃時木聚糖的溶解度高達523 mg/g，此外發(fā)現(xiàn)上述DES與膽堿類ILs類似，對纖維素的溶解性均很差（＜5 mg/g）[33]。因此，預(yù)測基于乙醇胺的新型DES可能是一類有潛力的溶劑體系[34,35]。

表3 木質(zhì)素、木聚糖和纖維素在DES中的溶解性Table 3 Solubility of lignin, xylan and cellulose in DESs

2.3 DES預(yù)處理對小麥秸稈組成和酶解效率的影響

基于乙醇胺的DES用于小麥秸稈的預(yù)處理，預(yù)處理后組成和酶解結(jié)果如表4所示，未經(jīng)處理時含55.32%的多糖和22.50%的木質(zhì)素（纖維素34.42%和木聚糖23.41%，HPLC方法測定）與之前的結(jié)果相一致[36,37]。經(jīng)以上DES預(yù)處理后小麥秸稈的多糖含量均增加，是由于DES對纖維素的影響較小，對木質(zhì)素和木聚糖的影響較大，尤其是經(jīng)基于乙醇胺的DES預(yù)處理后，提取了35.10%～82.03%的木質(zhì)素，并保留了90%以上的纖維素，值得注意的是，這三種DES高效地去除了木質(zhì)素和木聚糖。例如，[CC]:[N-2]的木質(zhì)素提取率和多糖損失分別接近81.41%和20.31%，而[CC]:[D]的分別為63.39%和9.51%，[CC]:[M]的去除率分別為82.03%和22.52%。另外發(fā)現(xiàn)隨HBD中羥基數(shù)目的增加，木質(zhì)素提取率呈下降趨勢（[CC]:[M]＞[CC]:[D]＞[CC]:[T]），從電子效應(yīng)上講，羥基對于N原子來說屬于吸電子基團，羥基增多，N原子上面的電子云密度減小，其給電子能力下降，不利于質(zhì)子結(jié)合，從而木質(zhì)素的提取率下降。Hou也提出乳酸:鹽酸胍與乳酸:U對比，前者包含更多的電子供體，在預(yù)處理中表現(xiàn)的更好[38]。從空間位阻上分析，羥基越多空間位阻越大，不利于木質(zhì)素的提取[39]。N-2與D結(jié)構(gòu)組成上分別為一個氨基，一個羥基，N原子的給電子能力大于O原子，即氨基親電性強于羥基，所以木質(zhì)素提取率[CC]:[N-2]＞[CC]:[D]。

表4 幾種DES對小麥秸稈預(yù)處理及后續(xù)酶解的影響Table 4 Effect of different DESs pretreatment on the composition and enzymatic hydrolysis of wheat straw

眾所周知，木質(zhì)素屬于堿性生物大分子，氨基可改善溶劑的堿性，堿性的提高有助于預(yù)處理效果[40]。有趣的是[CC]:[N-2]具有優(yōu)異的提取木質(zhì)素的能力，效果與[Ch][Arg]相當(dāng)（81.41%比79.61%）[41]。與[CC]:[N-2]相比，[CC]:[T]和[CC]:[AT]僅提取了43.41%～47.12%的木質(zhì)素，表現(xiàn)出較差的預(yù)處理功效。同樣，低堿性的[CC]:[U]對木質(zhì)素的萃取性較差為35.10%，其原因可能是烷基引入后空間位阻增大，并且最近Hou也證實了烷基的引入對木質(zhì)素的去除有負面影響[40]。堿性條件下，木質(zhì)素中醚鍵的斷裂以及木質(zhì)素與半纖維素之間酯鍵的斷裂導(dǎo)致木質(zhì)素的解離[42-46]。如表2所示，[CC]:[N-2]的水溶液的pH值高于其他DES，因此基于胺基的DES中，[CC]:[N-2]表現(xiàn)出最強的木質(zhì)素去除能力，之前的研究中，已觀察到類似現(xiàn)象，即強堿性膽堿氨基酸-甘油混合物導(dǎo)致木質(zhì)素去除率高[46]。此外，Li課題組表明IL對木質(zhì)素（商品木質(zhì)素）的溶解性能和去木質(zhì)素率（生物質(zhì)中的木質(zhì)素）之間沒有特定的線性相關(guān)性，可能是因為堿性木質(zhì)素與木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中未修飾的木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)不同，生物質(zhì)中的半纖維素和木質(zhì)素相互纏繞、相互交聯(lián)[40]。

小麥秸稈經(jīng)上述DES預(yù)處理后多糖含量從未處理時的55.32%增加到68.21%～82.01%，而木質(zhì)素則從22.60%下降到7.70%～19.36%（表2）。預(yù)處理前后化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成的變化可通過FT-IR進行印證（圖4），3400 cm-1的吸收峰為O-H振動吸收峰，1600 cm-1、1512 cm-1和1456 cm-1的譜帶為木質(zhì)素芳環(huán)骨架振動吸收峰，而1245 cm-1的吸收峰為木質(zhì)素和半纖維素的醚鍵[10,47,48]。與未處理時相比，預(yù)處理后的四個吸收峰值均降低，表明在預(yù)處理過程中木質(zhì)素和半纖維素鏈接鍵發(fā)生了斷裂或解聚，如圖4a、4b所示，在1375 cm-1（半纖維素中的羥基）和1732 cm-1處信號峰幾乎消失，表明半纖維素的脫乙?；磻?yīng)發(fā)生在預(yù)處理過程中[10,14,47,49]。阿魏酸酯基團中酯鍵的變化如圖4d所示，與未處理時相比，該峰1512 cm-1經(jīng)[CC]:[M]和[CC]:[N-2]預(yù)處理后幾乎消失，表明這兩種DES具有更強的預(yù)處理能力。經(jīng)上述DES預(yù)處理后，898 cm-1的特征信號峰（β-糖苷鍵如己糖/戊糖）均增強，表明多糖含量增加與表4中結(jié)果相吻合。

圖4 預(yù)處理前后小麥秸稈的傅里葉紅外圖譜和X-射線衍射圖譜Fig.4 FTIR and XRD spectra of untreated and pretreated wheat straw with DESs

預(yù)處理過程中有兩個競爭的因素決定了小麥秸稈的結(jié)晶度：結(jié)晶纖維素部分的溶脹或溶解及無定型部分的去除。小麥秸稈經(jīng)DES預(yù)處理后CrI從38.70增加到55.32（表4，圖4）[50,51]。CrI值增加，無定型成分的去除勝過纖維素的溶脹[41,48]。本研究中纖維素幾乎不溶于上述DES（＜5 mg/g），對纖維素本身的結(jié)晶度影響不大，但因去除了大量無定型成分，例如木質(zhì)素和木聚糖，導(dǎo)致樣品的CrI增加，與膽堿類離子液體預(yù)處理結(jié)果類似[10,14]。同時，借助SEM（文中未附）考察了上述DES預(yù)處理前后小麥秸稈的表面形態(tài)，未處理時顯示出緊密有序的小纖維束、表面光滑完整的結(jié)構(gòu)。經(jīng)DES預(yù)處理后，纖維束變得疏松而粗糙，甚至分裂成長束狀，尤其是經(jīng)[CC]:[M]和[CC]:[N-2]處理后以無序的狀態(tài)暴露在外面。與預(yù)處理后XRD和FT-IR表征結(jié)果一致，其原因主要是木質(zhì)素和木聚糖的去除所致，去除的越多表面積就越大，并且暴露出無序的原纖維，進而提高了纖維素酶與纖維素的接觸機會，進而提高了酶解效率[12,14,49]。

2.4 預(yù)處理溫度對[Ch]:[N-2]預(yù)處理過程及后續(xù)多糖酶解反應(yīng)的影響

溫度對預(yù)處理和酶解的影響如表5所示，隨預(yù)處理溫度的升高，木質(zhì)素去除率和木聚糖損失率均呈增加趨勢。此外，當(dāng)溫度高于50 ℃時，小麥秸稈的回收率從66.91%降至51.12%，較高的預(yù)處理溫度（＞90 ℃）更有利于木質(zhì)素的去除，但造成更多的還原糖損失，此外預(yù)處理后的樣品酶解性能較好[8,14]。然而，有趣的是，當(dāng)溫度由90 ℃升至130 ℃時，還原糖的釋放初速度逐步增大，但溫度持續(xù)上升時對還原糖初速度影響較小。在所研究的溫度范圍內(nèi)，盡管多糖降解度隨預(yù)處理溫度的升高略有提高，但還原糖收率幾乎相當(dāng)。例如在90 ℃時還原糖收率為93.88%，110 ℃時為94.79%，而在130 ℃時為94.12%，以上結(jié)果表明完全去除木質(zhì)素并不是獲取多糖轉(zhuǎn)化率的必要條件[45,46]。因此，用[CC]:[N-2]進行預(yù)處理時最佳溫度選擇為90 ℃。

表5 溫度對[CC]:[N-2]預(yù)處理小麥秸稈及后續(xù)酶解的影響Table 5 Effect of pretreatment temperature on [CC]:[N-2] pretreatment of wheat straw and subsequent enzymatic hydrolysis of polysaccharides

2.5 預(yù)處理時間對[Ch]:[N-2]預(yù)處理過程及后續(xù)多糖酶解反應(yīng)的影響

時間對[CC]:[N-2]小麥秸稈預(yù)處理和酶解數(shù)據(jù)如表6所示。隨預(yù)處理時間的延長，更多的木質(zhì)素和木聚糖被去除，不過，過長的時間對[CC]:[N-2]預(yù)處理小麥秸稈的多糖轉(zhuǎn)化率及木質(zhì)素去除率影響很小，預(yù)處理8 h時殘渣（預(yù)處理后富含纖維素的組分）的降解率和還原糖收率與12 h和24 h接近。例如在8 h時還原糖收率為97.31%，而12 h時為99.01%，24 h為96.31%。在實際生產(chǎn)中，縮短時間可大大提高生產(chǎn)效率，因此用[CC]:[N-2]預(yù)處理時，選擇8 h較為適宜。

表6 時間對[CC]:[N-2]預(yù)處理小麥秸稈及后續(xù)酶解的影響Table 6 Effect of pretreatment time on [CC]:[N-2] pretreatment of wheat straw and subsequent enzymatic hydrolysis of polysaccharides

2.6 [CC]:[N-2]預(yù)處理不同木質(zhì)纖維素生物質(zhì)

上述結(jié)果表明，[CC]:[N-2]是一類優(yōu)異的小麥秸稈預(yù)處理溶劑，接著進一步研究了在其它木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中預(yù)處理的可行性。

采用[CC]:[N-2]預(yù)處理水稻秸稈、玉米秸稈、玉米芯、豆渣、蘋果渣、松木、桉木等生物質(zhì)，以拓寬該溶劑對生物質(zhì)預(yù)處理的普適性。由表7得知，[CC]:[N-2]除了對軟木（松木）預(yù)處理效果較差外，對其他生物質(zhì)預(yù)處理效果均較好。例如，水稻秸稈有88.12%的木質(zhì)素被提取，玉米秸稈77.10%、玉米芯70.71%、豆渣75.70%、桉木42.40%，而松木僅為29.20%。與未處理相比，預(yù)處理后CrI值均有不同程度的增加，表明預(yù)處理過程中無定型木質(zhì)素和木聚糖組分有不同程度的去除，因而預(yù)處理后的生物質(zhì)相對更易降解，還原糖收率增加了3～5倍，不過松木預(yù)處理前后多糖含量幾乎不變，酶解初速度和還原糖收率與未處理時相當(dāng)。因此，以上結(jié)果表明[CC]:[N-2]對禾本科生物質(zhì)和硬木（桉木）等均有良好的預(yù)處理效果，對軟木（松木）幾乎無作用。該結(jié)論與[Ch][Arg]預(yù)處理其他生物質(zhì)的效果類似[42]。

表7 [CC]:[N-2]對不同生物質(zhì)預(yù)處理的影響Table 7 Effect of [CC]:[N-2] pretreatment on the composition of different lignocellulose

2.7 生物質(zhì)載量的影響

Blanch等使用IL預(yù)處理對木質(zhì)纖維素生物精煉進行了技術(shù)經(jīng)濟分析，指出載量是影響經(jīng)濟成本的關(guān)鍵因素之一[52]，同時許多研究者嘗試用IL在高生物量負載下對木質(zhì)纖維素生物質(zhì)進行預(yù)處理[47,53,54]。本文研究了生物質(zhì)載量5%～10%對DES預(yù)處理及酶解的影響（表8）。有趣的是，在上述載量范圍內(nèi)，DES的木質(zhì)素提取率保持在81.11%～89.13%，還原糖產(chǎn)率穩(wěn)定在98.31%～99.71%，同時也印證了木質(zhì)素去除率越大，后續(xù)生物質(zhì)更易降解。不同載量的底物經(jīng)DES預(yù)處理后，多糖含量增加而木質(zhì)素含量略有下降，表明該溶劑體系具有優(yōu)異的預(yù)處理能力。綜上，[CC]:[N-2]具有良好的預(yù)處理效果，從經(jīng)濟學(xué)角度考慮，選擇10%的生物質(zhì)載量較為合適。

表8 生物質(zhì)載量對[CC]:[N-2]預(yù)處理小麥秸稈及后續(xù)酶解的影響Table 8 Effect of biomass load on [CC]:[N-2] pretreatment of wheat straw and subsequent enzymatic hydrolysis of polysaccharides

3 結(jié)論

基于乙醇胺的DES體系是一類優(yōu)異的木質(zhì)纖維素預(yù)處理溶劑，能夠高效、高選擇性從小麥秸稈中萃取木質(zhì)素，破壞其三維結(jié)構(gòu)，提高多糖可及性，從而提高后續(xù)多糖酶解效率。并且，該類DES的預(yù)處理過程完全不同于傳統(tǒng)離子液體的，因為利用前者不能顯著改變纖維素的晶體結(jié)構(gòu)。DES體系中HBD的化學(xué)組成不僅影響其粘度，而且對預(yù)處理效果也有顯著的影響；另外DES的pH值、溫度和時間等均會影響預(yù)處理效果，其中，[CC]:[N-2]為最優(yōu)預(yù)處理溶劑，在一定范圍內(nèi)提高DES體系的堿性有利于去除更多的木質(zhì)素和木聚糖，可促使纖維素降解度的提高。同時該類DES對禾本科類生物質(zhì)和硬木（桉木）均有良好的預(yù)處理效果。此外該研究有助于理解堿性DES的預(yù)處理機制并為合理設(shè)計新型DES提供理論基礎(chǔ)，基于乙醇胺的DES體系的應(yīng)用將促進生物質(zhì)預(yù)處理及組分分離向綠色、簡易、經(jīng)濟、高效的方向發(fā)展。