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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州，310027；3. 山東省生物化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wèn)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(duì)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(jià)格低廉但回收率較低，根據(jù)沸點(diǎn)不同，可分為低沸醇（沸點(diǎn)低于100℃）和高沸醇（沸點(diǎn)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(duì)木材原料同樣具有良好選擇性，且在一定條件下無(wú)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(wú)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(guò)程中所用化學(xué)品少、對(duì)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(diǎn)。但醇溶劑法存在溶劑回收率低、反應(yīng)耗時(shí)較長(zhǎng)，且高沸醇在副產(chǎn)物回收時(shí)存在耗能大等缺點(diǎn)；酸溶劑法又存在腐蝕設(shè)備、環(huán)境污染大等問(wèn)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(wèn)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(gè)概念最早由Abbott 等在2003 年提出，他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，尿素與氯化膽堿混合物熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于單個(gè)組分熔點(diǎn)。通過(guò)進(jìn)一步探究不同種酰胺與季銨鹽的混合物熔點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)只有二者間能形成氫鍵的混合物才能使熔點(diǎn)顯著低于各單個(gè)組分的熔點(diǎn)，隨著陽(yáng)離子對(duì)稱性的降低，混合物的熔點(diǎn)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(guò)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(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)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(jià)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(diǎn)得到國(guó)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(shí)際設(shè)計(jì)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(guò)降低晶格能來(lái)降低混合物熔點(diǎn)［21，27］。Abbott 等［21］在研究酰胺與季銨鹽混合物性質(zhì)時(shí)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(diǎn)遠(yuǎn)小于其組分的熔點(diǎn)，并提出DES的概念。這項(xiàng)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(diǎn)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(diǎn)，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(guò)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(gè)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(duì)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(guó)內(nèi)外研究表明，DES分離提取纖維素的主要思路是通過(guò)DES對(duì)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(shí)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(duì)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(guò)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?jiān)ⅠR鈴薯皮、咖啡銀皮和啤酒糟，通過(guò)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(guò)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(shí)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(duì)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(guò)對(duì)三大組分溶解量的比較，得出TEBA 與HL 合成的DES 對(duì)木質(zhì)素的溶解性能最佳，在反應(yīng)條件為90℃、10 h時(shí)，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(duì)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(duì)羥苯基。

此外，劉鈞等［47］還測(cè)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(shuō)明在溶解生物質(zhì)材料時(shí)，不同氫鍵供受體制成的共熔溶劑對(duì)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(gè)主要方向。

2.3.2 DES對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)木質(zhì)素的脫除效果相當(dāng)，但反應(yīng)時(shí)間明顯縮短，在溶解木質(zhì)素的過(guò)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(duì)柳枝稷處理3 h。研究表明，氯乙烯/香豆酸對(duì)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(duì)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(guò)處理又變成原DES 的一部分，溶質(zhì)、溶劑含量此消彼長(zhǎng)，使DES完成自身凈化和循環(huán)利用，甚至可以直接對(duì)生物質(zhì)材料的木質(zhì)素進(jìn)行處理，通過(guò)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(shí)現(xiàn)更高純度纖維素的制備。

2.3.3 DES對(duì)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(duì)木質(zhì)素的極佳溶解性分離制備纖維素，但其對(duì)纖維素是否具有選擇性尚且存有爭(zhēng)議。Largo Garcia de Dios、Kumar和Francisco等認(rèn)為，DES對(duì)纖維素的溶解量很小，可以忽略不計(jì)［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(duì)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(jìng)爭(zhēng)，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(guò)溶解纖維素分離木質(zhì)素來(lái)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(duì)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?jī)H為7.3%，但處理過(guò)程中纖維素也部分溶解，對(duì)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(shuō)明酸性DES（氯化膽堿與草酸、尿素）對(duì)木質(zhì)素溶解有選擇性，而堿性DES（氯化膽堿與氫氧化鉀）對(duì)纖維素溶解有選擇性。但這些研究還不夠充分和系統(tǒng)，因?yàn)槟举|(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?xiàng)l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(duì)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(jiǎn)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(bào)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(lái)。通過(guò)調(diào)整超聲輻照時(shí)間和對(duì)DES混合物的設(shè)計(jì)，可以使纖維素溶解度進(jìn)一步降低，這是一種操作條件簡(jiǎn)單的纖維素提取方式。

2.3.4 DES提取纖維素展望

DES對(duì)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(guò)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(shí)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(wú)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(wú)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(huì)隨之變化，故研究者在合成制備此類溶劑時(shí)不能因原料無(wú)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(shí)間較短，有許多機(jī)理還有待探究，尚存的一些問(wèn)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(duì)纖維素的溶解程度都不太理想，而且這些溶液對(duì)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(bào)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(lái)提高其對(duì)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(guò)程將是DES法提取纖維素的一個(gè)重要突破點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

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(shí)現(xiàn)將在很大程度上減少傳統(tǒng)制備纖維素方法對(duì)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(guó)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(lái)才開展的，但其已成為國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)研究利用的熱點(diǎn)，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(lái)很有可能替代傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑并實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，繼續(xù)探究?jī)?yōu)良的DES對(duì)未來(lái)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(diǎn)和重點(diǎn)。