柳靜，王昌梅，趙興玲，吳凱，尹芳,2，楊紅，楊斌，梁承月，張無敵,2

（1云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明 650500；2云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

0 引言

在能源短缺和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，世界能源格局發(fā)生了深刻變革，發(fā)展可再生清潔能源已經(jīng)成為各國學(xué)者研究的重點(diǎn)。木質(zhì)纖維素是自然界中儲量最豐富的可再生資源，來源廣泛且易獲取，然而實(shí)際利用率卻并不高。木質(zhì)纖維素既可以轉(zhuǎn)化為能源燃料，也可以進(jìn)一步加工為各種高附加值產(chǎn)品。構(gòu)成木質(zhì)纖維素的三大組分分別是纖維素(35%～50%)、半纖維素(20%～35%)及木質(zhì)素(10%～30%)[1,2]，各組分之間通過共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵相互鏈接，構(gòu)成了極其復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，難以直接利用。預(yù)處理是生物精煉過程中的關(guān)鍵步驟，約占整個(gè)生物精煉過程總成本的40%[3]。近年來，科學(xué)家們圍繞木質(zhì)纖維素原料的組成成分對其進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化，以求實(shí)現(xiàn)高值化利用。其中，纖維素和半纖維素經(jīng)過轉(zhuǎn)化生成糖類，再經(jīng)過生物轉(zhuǎn)化得到液體燃料，木質(zhì)素通過轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品能應(yīng)用于不同領(lǐng)域。

圍繞木質(zhì)纖維素的預(yù)處理問題，國內(nèi)外研究人員先后對各種預(yù)處理方法進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行廣泛評價(jià)，如酸處理法、堿處理法、有機(jī)溶劑處理法、離子液體處理法、生物處理法等[4-5]，都能夠有效將纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三組分進(jìn)行分離。然而這些方法各有利弊：酸堿預(yù)處理法提取出的纖維素純度高，易于酶解，但容易對設(shè)備造成一定程度的損壞，其他組分作為廢液處理會污染環(huán)境且造成資源浪費(fèi)；濕法氧化處理會造成半纖維素的大量流失，降低工藝的經(jīng)濟(jì)性；有機(jī)溶劑預(yù)處理?xiàng)l件較為溫和，但處理步驟繁瑣，存在安全隱患，溶劑難回收等問題；由于離子液體處理法成本高、毒性大、不可回收性和不可生物降解性，其工業(yè)化應(yīng)用受到限制；生物法處理周期長且成本高，難以達(dá)到工業(yè)化的要求[6]。為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的高值化利用，探究一種綠色高效預(yù)處理方法是本領(lǐng)域亟待攻克的技術(shù)難題[6]。

低共熔溶劑(Deep eutectic solvents，DESs)是一種新型的綠色溶劑，與離子液體相比，具有原料來源廣泛、容易制備、低毒性及可生物降解等優(yōu)勢[7]。自ABBOTT[8]等首次合成DESs以來，因其選擇性溶解多糖和木質(zhì)素的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于木質(zhì)纖維素原料分離提取[9-10]。ZHANG 等[11]使用氯化膽堿和甘油合成DES預(yù)處理玉米芯，木質(zhì)素去除率達(dá)到71.3%。CHEN等[12]使用氯化膽堿/乙二醇預(yù)處理柳枝稷，木質(zhì)素去除率可以達(dá)到54%。VALLARI[13]用氯化膽堿分別與丙二酸、甘油、乳酸合成DESs，預(yù)處理甘蔗渣。研究表明，氯化膽堿/乳酸對甘蔗渣木質(zhì)素去除率達(dá)到81.6%，酶解糖化效率提高至98.5%。

然而，DESs 預(yù)處理過程是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)體系，預(yù)處理的效果受到許多因素的影響，如DESs的性質(zhì)、預(yù)處理溫度、預(yù)處理時(shí)間等。MASSAYEV[14]用PCA和PLS 分析方法研究了影響DESs 預(yù)處理效果的變量。結(jié)果顯示，最顯著的變量是強(qiáng)度因子、溶劑類型、粒度、攪拌強(qiáng)度和氫鍵供體。目前，DESs在木質(zhì)纖維素領(lǐng)域的研究范圍逐漸擴(kuò)大，對于其將生物質(zhì)資源預(yù)處理并有效加工成可持續(xù)的生物燃料少有報(bào)道?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，本研究在概述DESs 的性質(zhì)和預(yù)處理機(jī)理的基礎(chǔ)上，從不同預(yù)處理的條件和不同氫鍵供體方面闡明了DESs預(yù)處理對木質(zhì)纖維素酶解及發(fā)酵產(chǎn)乙醇的影響，為木質(zhì)纖維素的高效利用提供研究方向。

1 DESs的合成及性質(zhì)

1.1 DESs的合成

低共熔溶劑(DESs)是氫鍵供體(Hydrogen Bond Donors, HBDs)與氫鍵受體(Hydrogen Bond Acceptors,HBAs)以固定摩爾比，在一定的溫度和環(huán)境壓力下，通過分子間氫鍵作用形成的共晶混合物。合成DESs的方法有加熱法、研磨法和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法[15]。DESs的一般表達(dá)式為Cat+X-zY，其中Cat+表示陽離子基團(tuán)包括銨、磷或锍陽離子；X-代表路易斯堿，通常是鹵素陰離子；Y表示路易斯酸或布朗斯特酸；z表示與陰離子相互作用的分子數(shù)量[16]。DESs 中使用的氫鍵供體HBDs（乳酸、甲酸、甘油等）和氫鍵受體HBA（氯化膽堿，ChCl)，能夠提供和接受質(zhì)子，它們之間能夠形成氫鍵[17]。這類DESs 容易制備，且絕大多數(shù)可生物降解，價(jià)格低廉，與咪唑鹽類離子液體有相似的理化性質(zhì)，可以被用來代替離子液體[16]。

1.2 DESs的性質(zhì)

1.2.1 凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)大多DESs的熔點(diǎn)都低于150℃，并低于其單一組分。ABBOTT等[18]認(rèn)為凝固點(diǎn)主要取決于膽堿鹽與氫鍵供體的晶格能大小、相互結(jié)合方式以及其形成液相過程中的熵變。HBAs 和HBDs 之間氫鍵的形成促進(jìn)電荷離域化使得熔點(diǎn)低于單個(gè)組分[19]。膽堿類DESs的熔點(diǎn)為固體組分熔化形成DESs時(shí)的特定溫度，決定了其適用溫度的下限。DESs熔點(diǎn)受到HBAs/HBDs 摩爾比、HBDs 選擇、制備方法等的影響。DESs熔點(diǎn)的降低程度與HBDs和HBAs間形成的氫鍵鍵能大小密切相關(guān)，通過設(shè)計(jì)合適的HBAs/HBDs摩爾比，可以得到該DESs的最低共熔點(diǎn)[20]。

1.2.2 密度通常，大多數(shù)DESs 表現(xiàn)出比水更高的密度，并且受溫度及其組分結(jié)構(gòu)、比例等情況的影響。溫度升高可以增大分子動能和分子間距，提高分子流動性，進(jìn)而使DESs 體積增大，DESs 密度得到降低[21]。ZHAO 等[22]制備了20 組膽堿類DESs，研究發(fā)現(xiàn)HBDs中羧基的存在和溶劑中不同程度的氫鍵提高了DESs的密度。聶文潔[23]運(yùn)用分子動力學(xué)模擬研究了ChCl/乙二醇、ChCl/丙二醇、ChCl/丁二醇溶劑的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)密度隨著溫度呈現(xiàn)線性變化。

1.2.3 黏度DESs的黏度是工業(yè)應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)，與常規(guī)離子液體相比，膽堿類DESs 的黏度比分子流體和高溫熔融鹽都要大[24]，且受溫度的影響較大。升高溫度可使DESs分子獲得足夠的動能來克服分子間作用力，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動自由，分子間范德華力和氫鍵相互作用也隨之減弱，DESs 黏度可以得到降低。DAI 等[25-26]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從20℃升高至40℃，ChCl/葡萄糖黏度可降低67%。

DESs 的高黏度會阻礙熱量以及反應(yīng)過程中的傳質(zhì)，降低預(yù)處理過程的效率。DESs 具有吸濕性，可以從空氣中和木質(zhì)纖維素材料中吸收水分。YANG等[27]發(fā)現(xiàn)ChCl/尿素可以從空氣中吸收水分來降低黏度和電化學(xué)窗口，SHAUKAT 等[28]發(fā)現(xiàn)水分的存在會降低DESs 的黏度。ABBOTT 等[29]采用空穴理論研究ChCl與羧酸形成的DESs 時(shí)發(fā)現(xiàn)，黏度受離子的流動性和空穴效應(yīng)的影響。DESs各組分間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)、范德華力、靜電作用等也大大降低了溶劑的流動性。研究還發(fā)現(xiàn)，添加適量的水能夠顯著降低DESs 的黏度并增大其溶解度[30]。在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮通過優(yōu)化流動性來降低DESs黏度，如在制備DESs過程中增加水分進(jìn)行組分調(diào)節(jié)，可降低反應(yīng)體系的黏度，優(yōu)化反應(yīng)機(jī)制，提高反應(yīng)速率。

1.2.4 電導(dǎo)率大多數(shù)DESs 具有弱導(dǎo)電性（常溫下＜1 mS/cm），DESs 的電導(dǎo)率大小與溫度有關(guān)。將電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系用Arrhenius 方程擬合：lnσ=lnσ0-Eσ/RT，lnσ隨T-1線性降低，即電導(dǎo)率隨溫度升高而增大[31]。電導(dǎo)率與DESs 黏度同樣有關(guān)。ABBOTT 等[18]對電導(dǎo)率和黏度的活化能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)ChCl摩爾比在30%～70%時(shí)，電導(dǎo)率與黏度的倒數(shù)是呈線性相關(guān)[19]。

1.2.5 極性與pH DESs的極性對用作工業(yè)有機(jī)溶劑的環(huán)保替代品非常重要。大多數(shù)的DESs 是極性溶液，具有高極性和氫鍵接受能力的DESs可以更容易地分解生物質(zhì)以去除木質(zhì)素。研究表明，DESs可以通過提供合適的極性來增強(qiáng)預(yù)處理過程中的反應(yīng)活性[32-33]。

DESs 的酸堿性是非常重要的物理化學(xué)性質(zhì)。DESs 中的HBDs 和HBAs 決定了溶劑的pH 值。HAYYAN 等[34]以果糖作為HBD，與ChCl 合成DESs，研究了HBD 對DESs 中pH 值的影響，發(fā)現(xiàn)HBD 摩爾比的增加會導(dǎo)致DESs的pH值升高。ABBOTT等[35]證明，向ChCl/甘油混合物中添加氯離子會降低DESs 的酸度，并將混合物的pH 值變?yōu)閴A性。此外，DESs 的pH值受溫度影響較大。隨著溫度的升高，DESs的pH值線性降低[36]。SKULCOVA等[36]發(fā)現(xiàn)醇基DESs的pH值隨溫度升高緩慢下降，而羧基DESs 的pH 值溫度升高急劇下降。

部分DESs的物理化學(xué)性質(zhì)總結(jié)如表1所示。

表1 部分DESs的物理化學(xué)性質(zhì)

2 DESs對木質(zhì)纖維素預(yù)處理機(jī)理

2012年，F(xiàn)RANCISCO等[41]合成出多種DESs用于加工木質(zhì)纖維素，首次證實(shí)了DESs 對木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的增溶能力[42]。

由于具有較強(qiáng)的氫鍵形成能力，DESs對木質(zhì)纖維原料中各組分具有選擇性或者優(yōu)先溶解性，過程相對簡單溫和[43]。除了破壞連接木質(zhì)素半纖維素的共價(jià)鍵和連接木質(zhì)素纖維素的氫鍵外，DESs對木質(zhì)素的生物質(zhì)分餾主要依賴于木質(zhì)素中芳基醚（C-O 鍵）和碳-碳鍵（C-C 鍵）的裂解[40]。DESs 對木質(zhì)素有著較強(qiáng)的溶解能力，并且在溶解過程中幾乎不破壞木質(zhì)素的骨架結(jié)構(gòu)，只是在一定程度上使木質(zhì)素發(fā)生降解，生成部分甲氧基[44]。LYNAM等[45]制備了5種DESs（ChCl/甲酸、ChCl/乳酸、ChCl/乙酸、甜菜堿/乳酸、脯氨酸/乳酸）用于溶解堿木質(zhì)素、木聚糖和纖維素的混合物模擬生物材料，通過測定溶解度（見表2）發(fā)現(xiàn)在60℃時(shí)就能夠溶解木質(zhì)素，對纖維素和木聚糖幾乎不溶解。DESs預(yù)處理木質(zhì)纖維素的效果與預(yù)處理時(shí)間、預(yù)處理溫度、HBDs 類型的不同而有顯著差異，下面對各因素進(jìn)行討論。

表2 木質(zhì)纖維素不同組分在部分DESs中的溶解度

2.1 時(shí)間對DESs預(yù)處理效果的影響

木質(zhì)纖維素的預(yù)處理效果與預(yù)處理時(shí)間密切相關(guān)。熊龍[46]以構(gòu)樹木粉為原料，在140℃下，采用ChCl/乳酸（摩爾比為1:2）分別經(jīng)過1、2、3、4 h 預(yù)處理，處理后纖維素含量明顯增加。與未處理組相比，4 個(gè)時(shí)間下的殘余物回收率隨著處理時(shí)間的增加而逐漸降低?？赡艿脑蚴侨樗崾侵袕?qiáng)酸，隨著處理時(shí)間的延長和羧酸基團(tuán)的劇烈作用，原料發(fā)生焦化[11]。解先利[47]等用ChCl/乙醇胺對甘草渣進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過不同時(shí)間預(yù)處理后(1、2、3、4 h)，發(fā)現(xiàn)半纖維素和木質(zhì)素在預(yù)處理4 h后去除率相對較高。

2.2 溫度對DESs預(yù)處理效果的影響

根據(jù)范特霍夫定律和阿倫尼烏斯(Arrhenius)公式，化學(xué)反應(yīng)的速率會隨著溫度的變化而變化，進(jìn)而影響到預(yù)處理的效果。酸性和堿性的DESs預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料還受到溫度的影響。楊宇辰等[48]分別合成了ChCl/草酸、ChCl/甲酸、ChCl/乳酸、ChCl/乙二醇、ChCl/甘油5種DESs體系，對玉米芯進(jìn)行預(yù)處理，研究發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后的固體物質(zhì)回收率隨著反應(yīng)溫度的升高而下降。對于堿性DESs 也同樣存在這樣的現(xiàn)象。Procentese等[49]制備ChCl/尿素（80℃和115℃）和ChCl/咪唑（80、115℃和150℃）兩種堿性DESs 對玉米芯進(jìn)行預(yù)處理，研究發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素去除率隨著溫度的升高而增加。

熊龍[46]發(fā)現(xiàn)隨著DESs預(yù)處理溫度的上升，殘余物中纖維素含量由36.31%增加到73.20%，木聚糖含量先降低然后保持在3.83%，而木質(zhì)素含量降低幅度不大。這是因?yàn)樵陬A(yù)處理過程中，隨著溫度升高，反應(yīng)的速率加快，促進(jìn)了木質(zhì)素的去除，加之半纖維素和非結(jié)晶區(qū)纖維素大分子部分轉(zhuǎn)化為低分子量可溶性產(chǎn)物，導(dǎo)致殘?jiān)厥章式档?，與LI等[50]的報(bào)道結(jié)果一致。因此，纖維素純度越高、殘余物的回收率越低成為了一個(gè)預(yù)處理的普遍現(xiàn)象。

同時(shí)，溫度升高會影響DESs 體系中氫鍵網(wǎng)路，導(dǎo)致體系中部分分子脫離氫鍵束縛，進(jìn)行自由擴(kuò)散，從而降低DESs體系的黏度，增強(qiáng)DESs溶劑的滲透性[23]，從而破壞木質(zhì)素、半纖維素和纖維素之間形成的復(fù)雜氫鍵網(wǎng)絡(luò)，溶解生物質(zhì)的部分木質(zhì)素、半纖維素和纖維素。GUO等[51]制備了ChCl/甲酸、ChCl/1,4-丁二醇、甜菜堿/乳酸三種DESs，分別在80℃、100℃、120℃進(jìn)行預(yù)處理，研究發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素去除率均隨溫度的升高而增大[52]。但是預(yù)處理溫度升高，纖維素?fù)p失率也會增加。熊龍[46]的研究中發(fā)現(xiàn)新隨著預(yù)處理溫度從140 ℃升至180℃，殘余物回收率由78.40%下降到30.10%，纖維素?fù)p失率由1.36%提高39.32%，木聚糖去除率高達(dá)95.18%，當(dāng)溫度為170℃和180℃時(shí)，木質(zhì)素去除率和酶解消化率幾乎沒有變化，這可能是原料在DESs預(yù)處理中多糖的大量損失，反而影響到酶解作用[48]。多名學(xué)者的研究也證實(shí)了當(dāng)木質(zhì)素去除率達(dá)到較高程度后，進(jìn)一步的木質(zhì)素脫除并不會促進(jìn)后續(xù)酶解作用，并且木質(zhì)素的全部去除并非是提高酶解消化率的最優(yōu)途徑[53]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)處理溫度升高，木質(zhì)素的去除率反而降低。YU 等[54]制備的ChCl/甲酸（摩爾比為1:6）用于草藥殘留物預(yù)處理，預(yù)處理溫度為從100℃增加至120℃時(shí)，木質(zhì)素去除率反而降低。由此可知，木質(zhì)素的去除效果受DESs 的組成成分及其摩爾比、反應(yīng)條件等多種因素的影響[52]。因此，木質(zhì)素去除率、酶解效率與預(yù)處理溫度之間的關(guān)系是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

2.3 HBDs的選擇對預(yù)處理效果的影響

在膽堿類DESs 中，預(yù)處理的效果很大程度上與HBDs的選擇有關(guān)（見表3）?；诙嘣冀M成的DESs體系，羥基的數(shù)量與木質(zhì)素去除能力有關(guān)。HBDs 中羥基越多，DESs木質(zhì)素去除率就越低。HOU[55]制備不同醇基的DESs 對稻草秸稈進(jìn)行預(yù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理效率和纖維素酶消化率由高到低依次為：ChCl/乙二醇＞ChCl/甘油＞ChCl/木糖醇。原因在于更多羥基的存在會形成更強(qiáng)的分子間氫鍵，其穩(wěn)定性更強(qiáng)，黏度更高，這需要更多的能量來弱化氫鍵結(jié)構(gòu)，降低其黏度，從而有利于滲透到木質(zhì)纖維素中并與之相互作用[25]。

表3 不同種類DESs對木質(zhì)素的分離效果

ChCl 與羧酸組成的DESs 體系，木質(zhì)素去除能力與溶劑pKa 值密切相關(guān)。DESs 組分的pKa 值與解離原子的電子位置和質(zhì)子溶劑化自由能相關(guān)，即溶劑中的pKa值代表給出質(zhì)子能力和溶劑體系內(nèi)氫鍵強(qiáng)弱情況[56]。 pKa 值越低，溶劑的酸性就越強(qiáng)。FRANCISCO[57]的研究發(fā)現(xiàn)，由于半纖維素對酸較為敏感，pKa 值增大，體系酸度減弱，木聚糖的去除率降低[55]。酸性的DESs 體系在去除木聚糖和木質(zhì)素方面表現(xiàn)出顯著的效果，同時(shí)還能保證大部分纖維素的完整性[53]。酸性HBDs 官能團(tuán)的選擇對于DESs 體系也是至關(guān)重要的。在酸的官能團(tuán)方面，TAN[58]研究了官能團(tuán)類型對木質(zhì)素提取效果的影響，HBDs 中存在的羥基、雙鍵、短烷基鏈和單羧酸結(jié)構(gòu)有利于木質(zhì)素的提取。值得探究的是，烷基或吸電子基團(tuán)的存在也會影響酸基DESs體系的性能。較長烷基鏈酸構(gòu)成的DESs體系，由于酸的空間位阻較大，顯著減少了生物質(zhì)與DESs之間的相互作用。

堿基DESs 體系主要含有胺和酰胺基團(tuán)，以此作為HBDs，對木質(zhì)素的去除率較為顯著。同時(shí)，木質(zhì)素去除效果與DESs 的堿性強(qiáng)弱也有關(guān)，DESs 的堿性越強(qiáng)，木質(zhì)素去除率就越高。趙崢等[59]選用幾種不同堿性DESs 對小麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，研究發(fā)現(xiàn)三種乙醇胺基DESs 木質(zhì)素去除率依次為：ChCl/乙醇胺、ChCl/二乙醇胺、ChCl/甲基二乙醇胺。木質(zhì)素去除效果與其pH 值相對應(yīng)，當(dāng)pH 值大于10 時(shí)，木質(zhì)素的去除效率顯著增加。堿性DESs 中HBDs 中氨基數(shù)量也與木質(zhì)素去除能力有關(guān)。HOU 等[55]制備不同的酰胺基DESs對稻草秸稈進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)DESs 的預(yù)處理效率和纖維素酶消化率由高到低依次為：ChCl/甲酰胺＞ChCl/尿素＞ChCl/鹽酸胍?？赡苁怯捎贖BDs中氨基數(shù)量越多，在溶劑體系中形成的氫鍵越多，因此沒有足夠量的游離和活性基團(tuán)與生物質(zhì)各組分相互作用，導(dǎo)致預(yù)處理的效果不佳。

3 DESs預(yù)處理對纖維素素酶解效果的影響

木質(zhì)素、半纖維素的存在以及纖維素的結(jié)晶情況對酶水解過程有著緊密聯(lián)系[63]。在酶解過程中，木質(zhì)素作為阻止纖維素酶水解纖維素的物理屏障。通常，滿意的水解性能取決于半纖維素和木質(zhì)素的有效去除。ZHOU等[64]指出纖維素轉(zhuǎn)化率與木聚糖和木質(zhì)素的去除率呈正相關(guān)(R2＞0.77)。通常，含有酸基的DESs在糖化方面比醇解和酰胺基DESs 更有優(yōu)勢，能有效提高酶解效率。TIAN等[65]指出，具有雙鍵、羥基、短烷基鏈和單羧酸結(jié)構(gòu)的DESs 在生物質(zhì)餾分上表現(xiàn)更佳。楊宇辰等[48]發(fā)現(xiàn)草酸和甲酸與ChCl組成的DESs溶劑在100℃預(yù)處理玉米芯后能獲得最高的酶水解率，分別為55.87%和47.54%，乳酸與ChCl 組成的DESs預(yù)處理玉米芯后酶水解率由80℃的36.90%提高至140℃時(shí)的94.11%，葡萄糖回收率也由34.35%提高至85.00%。ZULKEFLI 等[66]將氯化物-乙二醇（EAC:EG）用于油棕樹干(OPT)纖維預(yù)處理，葡萄糖產(chǎn)量為74%。HOU等[55]將ChCl/草酸和ChCl/尿素用于水稻秸稈纖維預(yù)處理，葡萄糖產(chǎn)量達(dá)到90.2%。楊露敏[67]以甘蔗渣為原料進(jìn)行DESs 預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)ChCl 和草酸的組合木聚糖去除率最高，達(dá)到93.9%；ChCl和乳酸組合的DES木質(zhì)素去除效果最好達(dá)到83.6%。

由于酶在多元醇基DESs 中顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，具有多元醇基DESs 在生物質(zhì)回收糖能力方面具有較好潛力。PROCENTESE 等[68]使用ChCl/甘油和ChCl/乙二醇預(yù)處理農(nóng)業(yè)食品廢物，結(jié)果表明，從食品廢物中可獲得大約217 kt/a的總可發(fā)酵糖。雖然多元醇基DESs在糖化方面表現(xiàn)優(yōu)異，然而由于缺乏酸度，在木質(zhì)素和木聚糖去除效果上低于酸基DESs。因此，部分研究學(xué)者采取將醇基的DESs與酸結(jié)合后來提高其性能。GUO等[69]使用ChCl/甘油與硅鎢酸輔助預(yù)處理奇崗，其中酶解效率可達(dá)到97.3%，在12 h內(nèi)葡萄糖產(chǎn)率為80%。值得注意的是，單獨(dú)使用ChCl/甘油時(shí)僅去除1.6%的木質(zhì)素和5.3%的木聚糖，而引入雜多酸后，木質(zhì)素和木聚糖的去除率顯著提高，分別上升至89.5%和58.5%。CHEN等[70]通過酸化含水DES（ChCl/甘油，含0.9% H2SO4）將柳枝稷分餾成木質(zhì)素、富含木糖的預(yù)處理水解物和富含纖維素的紙漿，其中富含纖維素的紙漿酶水解可實(shí)現(xiàn)89%的葡萄糖產(chǎn)率。

為降低生產(chǎn)成本，在工業(yè)化生產(chǎn)中若采用預(yù)處理后直接進(jìn)行酶解，需要評估纖維素酶對DESs 溶劑的適應(yīng)性。GUNNY 等[71]合成了ChCl/甘油、ChCl/乙二醇、ChCl/丙二酸三種DESs 用于評價(jià)纖維素酶的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示在10%(v/v)的ChCl/甘油和ChCl/乙二醇酶解體系中，纖維素酶活能夠保持其90%以上的活性，而在含有丙二酸的DES 的24 h 內(nèi)，活性降低了60%。WAHLSTROM等[72]比較了三種里氏木霉纖維素酶（纖維素二糖水解酶Cel7A、纖維素內(nèi)切酶Cel5A 和Cel7B）以及一種里氏木霉木聚糖酶Xyn11在3種高濃度DESs 溶液中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)ChCl/甘油(1:1)對纖維素酶具有高度穩(wěn)定性，酶的活性變化較小，但預(yù)處理效率有限。王冬梅[73]觀察了ChCl/甲酸殘留量對纖維素酶活性的影響，當(dāng)殘留量低于2%時(shí)，糖化6 h纖維素酶活性不受影響。KUMAR 等[74]研究了ChCl/甘油、ChCl/1,2-丙二醇、ChCl/乙二醇等DESs 對纖維素酶活性影響，發(fā)現(xiàn)在高濃度下（DESs 添加量為30%），對纖維素酶活性無明顯抑制。在ChCl/甘油、ChCl/1,2-丙二醇添加量為10%的濃度體系中，對克拉維孢菌NRRL Y-50464的生長速率、糖消耗和乙醇生產(chǎn)沒有影響，而10%(v/v)的ChCl/乙二醇抑制并延遲了微生物的細(xì)胞生長。

這些研究表明一些DESs 對纖維素酶活性的影響較小，且與纖維素酶具有良好的相容性，生物質(zhì)預(yù)處理糖化一步法工藝是可行的，可在一定程度上控制生產(chǎn)成本。為了更好地利用DESs，還需進(jìn)行纖維素酶對DESs的耐受限度、抑制機(jī)理方面開展進(jìn)一步深入研究。

4 DESs預(yù)處理對乙醇產(chǎn)量的影響

利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇最早是1910 年由Heinerch 等[75]通過酸水解木材和發(fā)酵得到的，至今已有上百年的時(shí)間。目前，常規(guī)的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的工藝包括原料預(yù)處理、酶水解、乙醇發(fā)酵和分離提純等步驟。經(jīng)DESs預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素對生物發(fā)酵過程并無明顯的抑制作用，然而利用DESs 預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素為原料進(jìn)行乙醇生產(chǎn)的研究并不多。

GUO等[69]利用ChCl/甘油預(yù)處理的奇崗進(jìn)行半同步糖化發(fā)酵，獲得了81.8%的乙醇產(chǎn)率，發(fā)酵效率高達(dá)97.3%，是未預(yù)處理的8 倍。KUMAR 等[74]使用ChCl/甘油預(yù)處理后的稻草進(jìn)行水解發(fā)酵，可獲得226.7 g/L的最大還原糖，并且還原糖可以有效的發(fā)酵成乙醇。

近年來，也有研究人員將利用預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)丁醇，也獲得較好的成果。CHEN 等[76]利用乙二醇/ChCl 體系在酸性條件下預(yù)處理柳枝稷，葡萄糖產(chǎn)率達(dá)到86.2%，經(jīng)過芽孢桿菌發(fā)酵后2，3-丁二醇產(chǎn)量為90.2 g/L。XU 等[77]利用ChCl/甲酸體系對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，半纖維素和木質(zhì)素的脫除率分別為66.2%、23.8%，酶解后葡萄糖產(chǎn)率達(dá)到99%，發(fā)酵所得丁醇濃度為5.63 g/L。這些研究成果證明了從木質(zhì)素纖維素原料制備生物燃料過程中，DESs預(yù)處理木質(zhì)纖素是一種有前景的工藝技術(shù)。

5 展望

DESs憑借其獨(dú)特的物化性質(zhì)，在處理木質(zhì)纖維素方面展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢，不僅被成功應(yīng)用于生物質(zhì)組分分離，還推動木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為生物燃料[78]。但目前DESs 的研究與應(yīng)用尚處于初級階段，其工業(yè)化利用還需突破以下幾個(gè)方面的問題。

（1）DESs 研究機(jī)理方面，前期的研究主要集中在DESs 組成成分對預(yù)處理機(jī)理及效果的影響，還需對DESs 理化性質(zhì)方面（如黏度、電導(dǎo)率、密度、表面張力等）進(jìn)行探究，為DESs的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

（2）基于DESs 的可設(shè)計(jì)性理念，輔助分子模擬手段，設(shè)計(jì)針對不同來源的木質(zhì)纖維素DESs，以提高目標(biāo)產(chǎn)物得率。

（3）進(jìn)一步研究DESs 的可回收性和再利用性。開發(fā)DESs回收新技術(shù)工藝，提高回收利用率，降低產(chǎn)業(yè)化成本。溶劑的可回收性和重復(fù)使用性決定了DESs預(yù)處理生物質(zhì)的工藝可行性。

（4）預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)一步優(yōu)化。通過探究預(yù)處理?xiàng)l件（如DESs 用量、時(shí)間、溫度）與纖維素酶的協(xié)同效應(yīng)，減少纖維素酶的使用，降低生產(chǎn)成本。在生物質(zhì)精煉工藝中，預(yù)處理階段約占總成本的40%，其中水解階段為整個(gè)工藝帶來較大成本，如果纖維素酶可以實(shí)現(xiàn)回收或者再利用，可以大大降低生產(chǎn)成本。

隨著研究的不斷深入，DESs 在木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理方面會逐步實(shí)現(xiàn)高效化、低能耗。通過充分利用DESs 預(yù)處理技術(shù)的優(yōu)勢，探索生物質(zhì)原料可持續(xù)轉(zhuǎn)化為生物燃料或更多種類的高附加值產(chǎn)品，降低成本，提高生產(chǎn)工藝的經(jīng)濟(jì)可行性，減少對化石燃料的依賴。