基于乙醇胺的深度共熔溶劑預處理小麥秸稈提高其多糖酶解效率

　　摘要：為了探索基于乙醇胺的深度共熔溶劑預處理生物質的作用機制，本研究以氯化膽堿為氫鍵受體(HBA)，以乙醇胺的化合物為氫鍵供體(HBD)，合成了 7 種 DES 對其理化特性進行了測定，對比研究不同 DES 對小麥秸稈組分和酶解效率的影響。結果表明：30 ℃下，DES 的粘度介于 0.04~1.37 Pa·s，導電率 0.29~3.57 ms/cm，5 mmol/L DES 的 pH 值介于 7.41~11.02;90 ℃下對木質素和木 聚糖的溶解度高達 425 mg/g 和 523 mg/g，而對纖維素幾乎不溶;經(jīng)這些 DES 預處理后，小麥秸稈中的多糖酶解效率得到了顯著提高，并且 DES 的預處理效果依賴于 pH 值，其中[氯化膽堿]:[乙二胺]為最適小麥秸稈預處理溶劑，90 ℃下預處理 4 h 后木質素去除率 83.14%，還原糖收率為 93.88%。該類 DES 可選擇性地從小麥秸稈中除去大量木質素和部分木聚糖，而未改變纖維素的晶體結構，從 而提高后續(xù)酶解效率顯著，并發(fā)現(xiàn)該類 DES 對禾本科類生物質和桉木有良好的預處理效果，預處理后糖收率明顯提高 (57.10%~98.13%)，但對松木效果不佳。本研究可為用于生物質預處理的新型 DES 的合理設計提供一定的理論參考。

　　本文源自董艷梅; 洪元芳; 馬陽陽; 安艷霞， 現(xiàn)代食品科技 發(fā)表時間：2021-05-06《現(xiàn)代食品科技》雜志是由國家重點大學、國家“985工程”和“211工程”重點建設大學的華南理工大學主辦的全國知名的食品科技類期刊，具體事務依托建有國家和廣東省重點學科的輕工與食品學院運行，1985創(chuàng)刊，月刊。主編為華南理工大學副校長李琳教授，副主編為輕工與食品學院院長于淑娟教授和副院長吳暉教授(兼任常務副主編)。

　　關鍵詞：深度共熔溶劑;預處理;木質纖維素;酶解反應

　　生物精煉中預處理是木質纖維素生物質轉化過程的關鍵步驟之一，生物質要轉化為生物能源及生物基材料，必須對其進行預處理，以破壞其三維網(wǎng)狀結構，減弱木質素和半纖維素對纖維素的屏蔽作用或降低纖維素的結晶度，從而增加酶解反應位點，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%)和木質素(15%~22%)組成，本身固有的頑固性結構限制了纖維素的酶解，嚴重影響了生物燃料的轉化，其原因主要是因木質素和半纖維素基質是纖維素的障礙，妨礙了酶和纖維素的接觸。因此，通過預處理去除木質素或半纖維素是提高多糖產(chǎn)量必不可少的關鍵步驟[4,5]。

　　近年來，深度共熔溶劑(DES)預處理木質纖維素受到人們的關注，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者的關注。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。

　　如預期的一樣，DES 在生物質預處理方面具有獨特的性能，然而 DES 預處理尚處于起步階段。基于氯化膽堿(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)廢棄物預處理的報道較多，在 80~120 ℃條件下，基于 ChCl 的 DES 預處理后的生物質經(jīng)酶解后， 20%~90%的纖維素能轉化為葡萄糖，只有 4%~20%的木聚糖能轉化為木糖[3,10-14]。顯然，DES 用于提高預處理效率具有很大的空間，例如中性和弱堿性 DES 對生物質的預處理效果不佳，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、密度和電導率等理化性質，接著研究溫度、時間和生物載量對小麥秸稈預處理的影響，并對預處理后的樣品進行了酶解，同時，將其用于其他生物質的預處理中，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)對預處理前后的生物質進行了分析表征。通過考察小麥秸稈的化學結構、結晶結構和表面形貌的變化，進一步闡明基于乙醇胺的 DES 體系預處理生物質的作用機理。

　　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)溆谩＠w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，使用雷磁電導率儀測定不同溫度下 DES 的電導率數(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： x x M M M M ρ ρ − = − 瓶水水 瓶

　　1.2.6 預處理

　　將上述 DES 和樣品按一定比例混合，一定溫度下預處理一定時間，預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 并進行了適當修改[18]，未處理或預處理后小麥秸稈樣品用 72% H2SO4 于 30 ℃下水解 1 h，接著調節(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)兩次的質量差，得到酸不溶木質素(AIL)含量。

　　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 使酶解反應終止，離心后取上清液，用于后續(xù) DNS 的測定，得還原糖含量。

　　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 5 o~50 o 。

　　其中 CrI 為結晶度指數(shù)，I002為結晶度峰在 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)，觀察預處理前后樣品的表面形貌，樣品分散在導電材料上，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 結果與討論

　　2.1 DES 的理化特性

　　DES 已被廣泛應用于許多領域，但關于其理化性質鮮有報道[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之間的相互作用導致的[23,24]。離子尺寸越大，電荷越小，化學鍵破壞所需的能量就越少[25]。

　　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，有趣的是當引入胺基時，粘度急劇下降，例如： [CC]:[N-2]的粘度為 0.17 Pa·s。

　　此外，還研究了電導率和溫度之間的關系，如圖 3B 所示，當溫度升高時，粘度下降，電導率增加，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，導致分子間作用力變?nèi)鹾碗妼试黾覽26]。低粘度的 DES 電導率較高，與 Walden 定律相一致，電導率與粘度之間存在負相關。另外發(fā)現(xiàn)[CC]:[M]比[CC]:[D]和[CC]:[T]具有更高的電導率，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，從而導致離子遷移率和電導率減小。此外發(fā)現(xiàn)含胺基數(shù)越多，電導率就越高。例如[CC]:[U]含兩個胺基，其電導率為 1.11，而[CC]:[AT]含一個胺基，電導率為 0.71。[CC]:[U]的電導率大于[CC]:[AT]，結果與相關報道一致，DES 構成成分的結構、尺寸和形狀明顯影響 DES 體系的電導率[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、電導率和密度等相關問題[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，導致密度和粘度的降低以及電導率的提高[32]。

　　2.2 DES 對生物質組分溶解性的影響

　　上述 DES 中的溶解性如表 3 所示，木質素的溶解度 60 ℃時為 234~321 mg/g，而 90 ℃時為 325~425 mg/g，另外 DES 對木質素溶解性可能與溶劑堿性強弱有關，發(fā)現(xiàn)堿性越強，即 pH 值越大，對木質素的溶解性就越高。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]。

　　2.3 DES 預處理對小麥秸稈組成和酶解效率的影響

　　基于乙醇胺的 DES 用于小麥秸稈的預處理，預處理后組成和酶解結果如表 4 所示，未經(jīng)處理時含 55.32%的多糖和 22.50%的木質素(纖維素 34.42%和木聚糖 23.41%，HPLC 方法測定)與之前的結果相一致[36,37]。經(jīng)以上 DES 預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，對木質素和木聚糖的影響較大，尤其是經(jīng)基于乙醇胺的 DES 預處理后，提取了 35.10%~82.03%的木質素，并保留了 90% 以上的纖維素，值得注意的是，這三種 DES 高效地去除了木質素和木聚糖。例如，[CC]:[N-2]的木質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，木質素提取率呈下降趨勢([CC]:[M]>[CC]:[D]>[CC]:[T])，從電子效應上講，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，不利于質子結合，從而木質素的提取率下降。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，不利于木質素的提取[39]。N-2 與 D 結構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，所以木質素提取率[CC]:[N-2]>[CC]:[D]。

　　眾所周知，木質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處理效果[40]。有趣的是[CC]:[N-2]具有優(yōu)異的提取木質素的能力，效果與[Ch][Arg]相當(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%的木質素，表現(xiàn)出較差的預處理功效。同樣，低堿性的[CC]:[U]對木質素的萃取性較差為 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素的去除有負面影響[40]。堿性條件下，木質素中醚鍵的斷裂以及木質素與半纖維素之間酯鍵的斷裂導致木質素的解離 [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-甘油混合物導致木質素去除率高[46]。此外，Li 課題組表明 IL 對木質素(商品木質素)的溶解性能和去木質素率(生物質中的木質素)之間沒有特定的線性相關性，可能是因為堿性木質素與木質纖維素生物質中未修飾的木質素的結構不同，生物質中的半纖維素和木質素相互纏繞、相互交聯(lián)[40]。

　　小麥秸稈經(jīng)上述 DES 預處理后多糖含量從未處理時的 55.32%增加到 68.21%~82.01%，而木質素則從 22.60%下降到 7.70%~19.36%(表 2)。預處理前后化學結構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的譜帶為木質素芳環(huán)骨架振動吸收峰，而 1245 cm-1的吸收峰為木質素和半纖維素的醚鍵[10,47,48]。與未處理時相比，預處理后的四個吸收峰值均降低，表明在預處理過程中木質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酰化反應發(fā)生在預處理過程中[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]預處理后幾乎消失，表明這兩種 DES 具有更強的預處理能力。經(jīng)上述 DES 預處理后，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 中結果相吻合。

　　預處理過程中有兩個競爭的因素決定了小麥秸稈的結晶度：結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)，對纖維素本身的結晶度影響不大，但因去除了大量無定型成分，例如木質素和木聚糖，導致樣品的 CrI 增加，與膽堿類離子液體預處理結果類似[10,14]。同時，借助 SEM(文中未附)考察了上述 DES 預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、表面光滑完整的結構。經(jīng) DES 預處理后，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。與預處理后 XRD 和 FT-IR 表征結果一致，其原因主要是木質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 預處理溫度對[Ch]:[N-2]預處理過程及后續(xù)多糖酶解反應的影響

　　溫度對預處理和酶解的影響如表 5 所示，隨預處理溫度的升高，木質素去除率和木聚糖損失率均呈增加趨勢。此外，當溫度高于 50 ℃時，小麥秸稈的回收率從 66.91%降至 51.12%，較高的預處理溫度(>90 ℃)更有利于木質素的去除，但造成更多的還原糖損失，此外預處理后的樣品酶解性能較好[8,14]。然而，有趣的是，當溫度由 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處理溫度的升高略有提高，但還原糖收率幾乎相當。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%，以上結果表明完全去除木質素并不是獲取多糖轉化率的必要條件[45,46]。因此，用[CC]:[N-2]進行預處理時最佳溫度選擇為 90 ℃。

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

　　時間對[CC]:[N-2]小麥秸稈預處理和酶解數(shù)據(jù)如表 6 所示。隨預處理時間的延長，更多的木質素和木聚糖被去除，不過，過長的時間對[CC]:[N-2]預處理小麥秸稈的多糖轉化率及木質素去除率影響很小，預處理 8 h 時殘渣(預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]預處理時，選擇 8 h 較為適宜。

　　2.6 [CC]:[N-2]預處理不同木質纖維素生物質

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

　　采用[CC]:[N-2]預處理水稻秸稈、玉米秸稈、玉米芯、豆渣、蘋果渣、松木、桉木等生物質，以拓寬該溶劑對生物質預處理的普適性。由表7得知，[CC]:[N-2] 除了對軟木(松木)預處理效果較差外，對其他生物質預處理效果均較好。例如，水稻秸稈有 88.12%的木質素被提取，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，預處理后 CrI 值均有不同程度的增加，表明預處理過程中無定型木質素和木聚糖組分有不同程度的去除，因而預處理后的生物質相對更易降解，還原糖收率增加了 3~5 倍，不過松木預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。因此，以上結果表明[CC]:[N-2]對禾本科生物質和硬木(桉木)等均有良好的預處理效果，對軟木(松木)幾乎無作用。該結論與[Ch][Arg]預處理其他生物質的效果類似[42]。

　　2.7 生物質載量的影響

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

　　3 結論

　　基于乙醇胺的 DES 體系是一類優(yōu)異的木質纖維素預處理溶劑，能夠高效、高選擇性從小麥秸稈中萃取木質素，破壞其三維結構，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構。DES 體系中 HBD 的化學組成不僅影響其粘度，而且對預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處理效果，其中，[CC]:[N-2]為最優(yōu)預處理溶劑，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 對禾本科類生物質和硬木(桉木)均有良好的預處理效果。此外該研究有助于理解堿性 DES 的預處理機制并為合理設計新型 DES 提供理論基礎，基于乙醇胺的 DES 體系的應用將促進生物質預處理及組分分離向綠色、簡易、經(jīng)濟、高效的方向發(fā)展。