0 前言
生物质是取之不尽、用之不竭的天然资源,由纤维素、半纤维素和木质素等组成,具有来源广、价格低、可降解等特点,对其各组分开发利用可逐步替代部分传统不可再生的化石资源。但由于其本身复杂的化学结构及交联特性致使生物质在酶解及微生物降解方面具有超强的抗性,因此要实现各组分的转化与利用首先要破坏其致密的结构即进行预处理,分离出各组分,然后通过生物化学等方法将其转变为生物转化的中间产品。
过去常使用酸、碱、有机溶剂、离子液体（ionic liquids, ILs）等介质及物理法、化学法、蒸汽爆破等技术对生物质进行预处理与组分分离,但上述方法存在工艺复杂、能耗大、成本高及对环境不友好等诸多问题[1]。因此,亟待寻求一种成本低、对环境友好、可高效提取及分离生物质组分的预处理溶剂。近几年来,深度共熔溶剂（deep eutectic solvent, DES）作为一类新型的绿色溶剂开始被广泛研究,该体系也称为类离子液体,兼有ILs和有机溶剂的优良特性[2]。2003年,ABBOTT等[2]首次报道DES,其理化性能与ILs极其相似,原料及合成成本均较低,具有熔点低、不易挥发、热稳定性好、对生物大分子溶解性好等优点,可同时担任溶剂及催化剂的角色,另外可根据最终目的及用途进行合理设计。与ILs相比,DES由氢键接受体（hydrogen bond acceptor, HBA）和氢键供体（hydrogen bond donor, HBD）构成,均可来自再生的生物基材料,其来源广、价格低廉、易获取并可完全降解,室温或近室温下是呈均匀熔融态的混合体系。常用的HBA有季铵盐例如氯化胆碱（choline chloride , ChCl）、甜菜碱等,HBD有氨基酸、有机酸（一元酸、二元酸等）、酰胺、多元醇（二元醇、三元醇等）及一些单糖或多糖等。此外,该体系制备简单快捷,仅需两种或三种组分按合适的摩尔配比,充分混合后加热即可,整个过程无需添加其他物质且无任何物质排放,无需纯化,收率100%。近十年来,关于DES的文献报道呈指数级增加,其在生物燃料、生物医药（医学）、食品行业、饲料行业及生物质预处理和生物炼制等领域均有广阔的应用前景[3,4]。
本文着重阐述预处理中DES对纤维素、半纤维素和木质素等组分的作用机制和对各组分化学结构的影响,最后对DES应用于生物质预处理及组分分离的前景进行展望。
1 预处理的作用机制
2 DES对纤维素的作用机制
2.1 DES对纤维素的影响
DES预处理生物质时,希望尽可能地降低纤维素的溶解,有趣的是多数DES对纤维素的溶解性极差。FRANCISCO等[20]制备了一系列DES,例如乳酸/脯氨酸、乳酸/甜菜碱、苹果酸/脯氨酸等,发现其对纤维素几乎不溶,苹果酸/脯氨酸体系尽管对纤维素溶解性很低,但随脯氨酸含量的增加,其对纤维素的溶解有一定程度的提高。张成武[1]的研究表明,多数DES对微晶纤维素（microcrystalline cellulose, MCC）几乎不溶,但处理后MCC表面变得粗糙不均匀、表面积增大,继而底物和酶接触面增大,因此促进了后续的酶解。ZHANG等[21]也发现纤维素（Avicel pH-101）不溶于ChCl/尿素（1/2）和ChCl/ZnCl2（1/2）,即使在110℃处理12 h也不溶解;也有文献报道无定形的纤维素（棉短绒浆）在ChCl/尿素和ChCl/咪唑中的溶解度分别为1.43%和2.48%;然而,当5%聚乙二醇作为共溶剂时,无定形纤维素在ChCl/咪唑中溶解度增至4.57%[22,23]。REN等[23]研究表明,ChCl/咪唑、ChCl/尿素对纤维素的溶解性均较差。另外,其溶解性还受温度的影响,例如GUO等[24]发现随着温度的升高,以ChCl/甲酸、ChCl/丁二醇和甜菜碱/乳酸等处理纤维素时,纤维素损失率略有增加。
2.2 DES对生物质中纤维素的影响
HOU等[13]研究了基于ChCl的DES预处理水稻秸秆,发现HBD中含有羟基数目越多,纤维素损失就越小。PROCENTESE等[25]研究表明,ChCl/甘油、ChCl/尿素和ChCl/咪唑分别在80℃、115℃和150℃下可有效除去玉米芯中木质素和半纤维素,CrI增大。类似地,JABLONSKÝ等[26]发现经DES预处理后生物质酶解率提高,这是由于纤维素结晶受到了破坏或木质素被去除。NOR等[27]发现,在110℃下,ChCl/尿素预处理天然油棕1 h后,CrI下降,然而在80℃下处理1 h后却发现CrI升高,其原因是低温时去除了无定形的半纤维素和木质素,而纤维素保持相对完整,CrI升高;高温时结晶度遭到破坏,CrI下降。
VIGIER等[28]认为纤维素和DES均具有很强的氢键,纤维素溶解时需要溶剂具有足够大的能量促使纤维素中氢键网络的断裂或分离,重新组成更加稳定的体系,但是纤维素的内聚能过于强大,在DES体系中无法解离。因此,大部分DES对纤维素溶解性较差。
3 DES对半纤维素的作用机制
半纤维素是生物质中最敏感的组分,酸或碱条件下容易水解或降解,关于DES体系预处理对半纤维素降解方面的研究鲜有报道。PROCENTESE等[16]研究了半纤维素在预处理过程中的降解产物糠醛的积累情况,发现改变预处理条件可调节5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethyl furfural, 5-HMF）及糠醛等物质的浓度,进而控制抑制物的产生。
LCC中木质素与半纤维素通过苄酯、苄醚、苯基糖苷等形成强的共价键及氢键网络[29],研究人员通常通过破坏LCC间的氢键或共价键来提高酶解效率。HOU等[30]研究表明,水稻秸秆经酸性DES即ChCl/草酸在120℃下处理4 h,半纤维素水解率达95.8%;经ChCl/尿素120℃处理12 h,仅有20%的半纤维素水解;而经ChCl/乳酸和甜菜碱/乳酸在60℃处理12 h,并未观察到半纤维素的水解[31]。YU等[32]制备的ChCl/甲酸（1/2）、ChCl/乙酸（1/6）、ChCl/乙醇酸（1/4）和ChCl/乳酸（1/4）对木聚糖的去除率分别为87.0%、55.4%、89.7%和47.2%。KIM等[33]以ChCl作为HBA,HBD分别为对羟基苯甲醇、邻苯二酚、香草醛以及对香豆酸等构成的DES,对木聚糖的去除率分别为28.6%、43.2%、49.6%和70.7%。HOU等[13]用强吸电子基团Cl取代乳酸中的羟基即ChCl/2-氯丙酸,研究发现二者对木质素的去除率相当,但ChCl/2-氯丙酸对半纤维素的去除率却有大幅度的提升,原因可能是HBD中羧基的α位含有吸电子基团,有利于半纤维素的去除;此外,ChCl/2-氯丙酸具有更强的酸性,吸电子基团进攻木质纤维素分子时与酸敏感的半纤维素发生作用,进而大大促进预处理效率。有趣的是,80℃时随HBD的pKa值增大（1.25 ~ 3.86）,半纤维素的去除率下降,pKa继续增大时却发现去除率不再下降;另外温度升至120℃时,木聚糖的去除与pKa呈负相关,同时该研究也表明,尽管大量木质素留存于底物中,但后续酶解效率仍有提高,其原因是大量半纤维素的去除使纤维素表面形成足够多孔洞,因此后续酶解效率提高[34]。但部分DES对半纤维素的溶解性极差,例如LYNAM等[35]制备的ChCl/甲酸、ChCl/乳酸、ChCl/乙酸等对半纤维素几乎不溶。综上,半纤维素的去除效果取决于预处理条件及生物质与DES的类型。
4 DES对木质素的作用机制
木质素是自然界中含芳环化合物最丰富的大分子聚合物[36],为充分利用生物质中的木质素且不影响纤维素,“木质素优先”的策略相继提出[25]。木质素是纤维素的天然物理屏障且可与非生产性/非特异性的酶进行结合,从而限制或阻碍纤维素与酶的接触[16,37-38],因此普遍认为生物质酶解率低的原因是木质素的阻碍及对纤维素酶的吸附引起的[39,40]。对木质素的作用机制可从以下两个方面进行分析：（1）化学结构分析。通常用红外光谱、X-射线衍射、热重、元素分析、核磁共振光谱和量子化学（quantum chemistry, QC）和分子动力学模拟（molecular dynamics simulation, MD）等手段对DES溶解及萃取木质素的机理展开研究[12,38,41],用微观技术手段例如扫描电镜（scanning electron microscope, SEM）、透射电镜（transmission electron microscope, TEM）、激光共聚聚焦显微镜（confocal laser scanning microscope, CLSM）等分析木质素的去除、减少或移位对细胞壁形貌及组分分布的影响。（2）预处理后回收组分的结构、理化特性分析。例如,从生物质中提取的富含木质素及纤维素组分、预处理后残留的木质素等,以研究DES与生物质组分间的作用机理。
4.1 DES对木质素结构的影响
研究DES与木质素的作用机制有助于阐明选择性萃取木质素的分子机制。通常选用模型木质素作为研究对象,因其结构组成相对单一,纯度高。例如,JI等[42]对比研究了对甲苯磺酸助溶剂（p-toluenesulfonic acid cosolvent,p-TsOH）、ChCl/乳酸和1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐等对藜芦基甘油基- β-愈创木基醚（veratryl glyceryl-β-guaifenesin, VG）模型木质素化合物的作用机制。选用红外光谱、热分析、磷谱和二维核磁等手段对其结构进行分析,并通过QC和MD模拟对VG与每种溶剂介质之间的相互作用机理进行了探讨,结果表明,p-TsOH水溶助长剂与VG之间的C—H⋯π和强H键相互作用力大于木质素自身作用力,从而获得较高的木质素去除率。径向分布函数（radial distribution function, RDF）和MD模拟结果也说明了上述的相互作用。
此外,也有学者从微观角度即细胞壁的超微结构及组分位置的移动来研究DES预处理生物质的过程。例如HOU等[43]以ChCl/草酸为媒介,从水稻秸秆中有效地获得了可发酵糖和其他平台化学物,CLSM和TEM的细胞壁微观结构表征表明,该溶剂中草酸含量越高其对木聚糖和木质素的去除能力越强。此外,经CLSM证实,适当去除半纤维素有利于纤维素的酶解。通过TEM观察到脱木素部分优先发生在细胞角隅和复合胞间层,而不是次生细胞壁。
4.2 不同构成DES预处理对木质素的作用机制
4.2.1 二元DES
木质素的去除与DES中氢键强度密切相关[37,38],改变HBD和HBA摩尔比或改变HBD时,氢键强度随之改变[48],直接影响木质素的去除效果。当改变二元DES中HBD/HBA摩尔比时,木质素的去除效果发生改变。例如ZHANG等[37]研究了不同摩尔比ChCl/乳酸构成的DES预处理玉米芯时,发现木质素的去除率随着乳酸比例的增大而增大,当摩尔比为1/15时,木质素去除率高达93.1%;YU等[32]使用ChCl/甲酸对木通属草进行预处理,摩尔比为1/4时,木质素去除效果最佳,而1/6时反而降低,可能是由于过量的甲酸使DES中氢键强度降低,从而导致木质素去除率下降;然而选用ChCl/乙酸或ChCl/乙醇酸（1/6）时,木质素的去除效果最佳。
另外,改变二元DES中的HBD对木质素的去除也有很大的影响。ZHANG等[37]对比研究了ChCl和一元酸、二元酸、多元醇等HBD构成的DES预处理玉米芯,发现含一元酸的DES木质素去除效果优于二元酸;含多元醇的DES可高效去除木质素,主要是随着HBD氢键作用的增强,对木质素的作用效果也随之增强。HOU等[13]研究了一系列ChCl/多元醇构成的DES,发现含有长烷基链的二醇DES比短链的二醇对木质素的去除效果更佳,而且,随HBD中亲水基团的增多,木质素的去除率有所下降,其原因可能是HBD中过多的羟基形成了更多的氢键,因而DES体系更加稳定、黏度更高,进而不利于木质素的去除[49]。HOU等[43]还研究了基于酰胺的DES,发现该类DES对木质素的去除能力更强,其原因是木质素属于碱性聚合物,且酰胺具有碱性,根据相似相溶的原理,木质素的溶解性增强。
随着研究的不断深入,PROCENTESE等[25]用ChCl/甘油和ChCl/乙二醇预处理不同生物质,例如对苹果渣、土豆皮、咖啡银皮和啤酒废弃物去除木质素的效果,结果表明苹果渣中木质素去除率最高,为62%,最低的是马铃薯皮,为33%。另外,作者还指出,如羟甲基糠醛、糠醛、没食子酸、阿魏酸和香豆酸等抑制剂的浓度均很低,远低于酶解液和发酵抑制阈值。因此,经这些DES预处理后的生物质无需再处理,即可直接酶解。更有趣的是,研究发现ChCl/甘油中的羟基可有效地作用于木质素分子,同时又减小了羧基基团引起的酸催化多糖的降解,因此木质素去除效果较好（71.3%）及后续糖收率较高（96.4%）[37]。为了进一步考察DES对木质素的作用机制,LI等[50]选用ChCl/乳酸对蜜桃的果皮进行预处理,并对萃取的木质素进行表征,发现木质素中紫丁香基（syringyl, S）和对羟苯基（p-hydroxyphenyl, H）含量减少,且几乎所有β-O-4' 键发生了断裂和大部分β-5' 键均被去除。
KIM等[33]制备出一系列由ChCl作为HBA,由木质素衍生物4-羟基苄醇、香草醛、阿魏酸、儿茶酚作为HBD的新型DES,用于柳枝稷的预处理,发现ChCl/儿茶酚预处理后木质素去除率达到60.8%,而经由香草醛和阿魏酸构成的DES木质素去除率分别为52.5%和49%。用木质素降解的中间产物合成新型DES的构思,为建立循环生物炼制体系提供了可能性,拓宽了DES在生物质炼制与加工领域发展的应用空间。
4.2.2 三元DES
二元DES通过改变溶剂体系的氢键强度可提高木质素的去除率,受此启发,研究者开始对由双氢键供体构成的三元DES对木质素的作用效果展开研究。例如XING等[51]以ChCl/甲酸/乙酸（1/1/1）合成新型的三元DES,并用于水稻秸秆的预处理中,研究表明预处理效果明显优于单个HBD构成的二元DES,该结果为三元DES用于木质素的去除提供了理论支持。但是含两种HBD的三元DES对LCC的解离及木质素的分离效果不佳。接着研究者便从反应机理及改变溶剂的性质出发,基于酸性多位配位理论,探索DES体系对生物质组分解离的物理化学反应机理,设计出了新的三元DES体系以改善对木质素的作用效果。XIA等[46]基于该设计理念,在ChCl/甘油中巧妙地引入AlCl3∙6H2O制备了三元DES,该体系可通过多位点的桥链作用促使LCC中氢键与醚键的断裂,可高效地去除木质素且提取的木质素纯度高达94%。
非极性溶剂对木质素具有较高的溶解性能,KANDANELLI等[52]据此设计出由DES和醇类构成的三元DES（DES-OL）用于稻壳、小麦及水稻秸秆的预处理中,结果表明DES/正丁醇（1/2）在120℃下预处理60 min,木质素去除率均达50%以上,是二元DES的两倍,表明DES-OL是一种有效的木质素提取体系,另外木质素分离后,有机溶剂可回收再利用。三元DES体系无论从木质素提取、分离及DES回收等方面均展现出更多优势。
与二元DES相比,三元DES体系的制备设计性强、灵活度高,但目前关于三元DES的研究报道较少。对三元DES的研究有助于木质素的高效分离,从溶剂构成及预处理机理的角度添加合适的组分,合理设计出对木质素具有更优异溶解性能的三元DES。然而三元DES与二元DES对比,其机理与构成更加复杂,后续需更系统和深入地对其进行研究,以实现生物质组分的高效分离。
4.3 温度对去除木质素的影响
一般情况下,随着温度的升高,木质素的去除率随之提高。例如GUO等[24]研究了一系列DES在不同温度下对木质素的去除率,结果表明木质素去除率随温度的升高而增大,LOOW等[15]的研究也获得了类似的结果。其原因主要是与低温时相比,高温时DES体系的黏度和表面张力均较低,有利于DES与生物质组分间的相互作用,从而促进木质素的溶解[14]。相反地,也有研究表明随着温度升高,木质素的去除率反而下降,例如YU等[32]用ChCl/甲酸（1/6）处理木通草本残余物时发现,120℃下的木质素去除率低于100℃时的去除率,可能是由于甲酸沸点为117.9℃,高于其沸点时对木质素的去除有抑制作用。总之,DES对木质素的去除效果及作用机制受DES的构成、摩尔比、生物质类型及预处理条件如温度等多种因素的影响。
5 结语与展望
DES预处理会引起生物质各组分结构发生变化,从高值化角度考虑,期望预处理后回收物中尽可能多地保留纤维素。但在预处理过程中去除木质素或半纤维素组分时,难免去除部分纤维素组分。为提高生物质各组分的综合利用,需要进一步探索DES预处理生物质的作用机理,以期达到最优的预处理及分离效果。可从以下几个方面开展研究：
（1）以大量研究为基础,QC及MD等分析方法作为辅助,进一步阐明DES预处理对生物质组分的分离及萃取木质素的作用机理,为更加高效、全面地利用生物质三大组分奠定理论基础。
（2）深入研究木质素在DES预处理前后的化学结构变化可准确地反映木质素的应用潜力,探究DES对萃取木质素的影响机制,为木质素组分的高值化转化与利用提供新的思路。
（3）由于木质纤维素生物质来源和种属的多样性,研究生物质的三组分在DES体系中的溶解性,进一步揭示DES构成与生物质组分间的构效关系,合理设计新的DES体系,为优化工艺及大规模的应用提供理论及技术指导。