有机溶剂自催化和协同预处理促进木质纤维原料酶解研究进展

阚玉娜, 陈冰炜, 翟胜丞, 潘明珠, 梅长彤

(南京林业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 210037)

木质纤维原料是种类繁多、储量丰富的可再生资源。纤维原料细胞壁中富含纤维素和半纤维素等碳水化合物，可用于制备生物乙醇，以缓解日益严峻的资源、环境问题，实现木质资源的合理化利用[1]。预处理是木质纤维原料进行生物质转化利用的必要环节，有效的预处理可破坏木质纤维原料的天然抗降解屏障，提高酶解效率。木质纤维原料的预处理方法一直受到国内外广泛关注，在Web of Science数据库中，根据检索式TS=(lignocellulose or lignocellulosic biomass) and TS=(enzymatic digestibility or enzymatic hydrolysis) and TS=(pretreatment)对2009～2019年间不同预处理方法进行统计，包括酸法预处理、碱法预处理、有机溶剂预处理等预处理方法，共检索得4 628篇文章。进一步以检索式TS=(organic solvent pretreatment or organosolv pretreatment)进行检索，检索得有机溶剂预处理相关论文456篇，约占所有预处理方法的1/10。尤其是近5年，有机溶剂预处理的相关论文多达332篇，增长趋势明显。

有机溶剂预处理在实现木质纤维的分级处理和全组分利用方面具有一定优势[2]。有机溶剂通常具有较高选择性，可以有效分离半纤维素和木质素，得到变性少、分子质量均一的木质素。这类木质素含有较多的活性基团，可作为高附加值副产品使用[3]。此外，有机溶剂具有可回收性，可减少对环境的污染，降低预处理后续处理的成本。为了最大程度提高有机溶剂对木质纤维原料的预处理效果，通常添加酸、碱、盐作为催化剂，以改善预处理反应条件，促进反应的进行。基于不同木质纤维原料和不同配方有机溶剂预处理的研究，本文综述了有机溶剂种类以及与不同催化剂之间的协同作用对酶解效率和木质素的影响，概括性探讨了有机溶剂和催化剂协同的反应机理，以期为有机溶剂预处理促进木质纤维原料酶解转化提供基础理论依据。

1 有机溶剂预处理概述

木质素通常被认为是影响酶解的主要因素[4]，可通过氢键、疏水作用和静电吸附对纤维素酶产生非特异性吸附，这种不可逆的吸附是木质素影响酶解的主要因素之一[5]。此外，木质素的空间阻碍也是抑制纤维素酶解的关键因素[6]。预处理的目的是减少木质素、半纤维素等组分对纤维素酶的物理和化学阻碍作用，以增加纤维素与酶之间的可及性，从而提高酶解效率。Tang等[7]发现，木质素脱除率与纤维素酶解效率呈显著正相关(R2=0.9)，木质素的脱除是预处理过程的主要环节。

有机溶剂预处理是以有机溶剂或其水溶液为预处理液的预处理方式，根据是否添加其他化学试剂分为自催化和催化剂-有机溶剂协同预处理两种方式。以纤维素转化率为依据，总结了自催化和酸/碱催化-有机溶剂协同预处理对木质纤维原料酶解效率的影响(表1)。

表1 不同有机溶剂预处理方式的反应条件和酶解效率比较Table 1 Comparison of reaction conditions and enzymatic digestibility of different organic solvent pretreatment methods

自催化预处理主要依赖预处理中释放的有机酸来促进反应进行，在>180 ℃条件下，才有较高的酶解效率(50%～90%)。协同预处理通过酸或碱等催化剂与有机溶剂之间的协同作用来加快预处理进程，反应温度可低于180 ℃[20]。在酸催化体系中，存在大量H+，H+的存在对半纤维素和纤维素的糖苷键影响较大，其反应条件较有机溶剂自催化预处理温和；碱催化体系中，溶液中OH-和木质素-碳水化合物复合体(LCC)的酯键发生反应[21]，同时纤维素分子内和分子间氢键被破坏，使得纤维素与酶的可及度增加，在较低预处理温度下获得较高的酶解效率。

在有机溶剂预处理过程中，木质素的脱除是最主要的反应，包括木质素的降解和溶解。木质素通过侧链的醚键断裂而发生降解[22]，继而以小分子质量片段溶解。研究认为：木质素的α-芳基醚键比β-芳基醚键更易发生断裂[20]，β-O- 4键占木质素醚键总量的40%～65%[4]，因此β-芳基醚键的断裂更能决定木质素的降解程度。降解后，木质素的溶解性由氢键作用和溶解度共同决定[23]。根据汉森溶解度参数(HSP)理论，溶解度参数反映了溶剂溶解溶质的能力[24]，溶质与溶剂间的溶解度参数越接近，溶解性越好[25]。理论上，水的溶解度参数约为23.4，远高于乙醇(12.9)、丁醇(11.4)、丙酮(9.8)等有机溶剂[4,23]。有机溶剂与木质素的溶解度参数(9.9)更接近，而且有机溶剂中的羟基与木质素烷基-芳基键的α位会形成氢键。因此，与水溶液相比，有机溶剂对木质素有更好的溶解作用。

2 有机溶剂自催化预处理

以水为溶剂进行自催化预处理时，麦秆等生物质酶解效率在>170 ℃条件下可得到提高[26]，但多糖降解产物如糠醛会重新聚合或与木质素聚合形成“假木质素”[7]，限制酶解效率进一步提高。有机溶剂替代水作为预处理溶剂时，有效减弱了木质素和纤维素酶之间的非生产性吸附。此外，糖苷键和醚键的水解一般需水分子参与，有机溶剂的存在避免了纤维素和半纤维素大量降解[18]，减少了半纤维素分解产物进一步生成对酶解有抑制作用的副产物，如糠醛、5-羟甲基糠醛(5-HMF)、乙酸等[27-28]。作为一种新型高效的预处理方法，有机溶剂预处理引起了研究者的广泛认可，常用的有机溶剂包括乙醇、丙酮等。醇类一般具有低毒、易回收利用的特点，是目前较为高效、安全、清洁的预处理溶剂。

2.1 醇

2.1.1一元醇 乙醇是最常用的一元醇，乙醇预处理最早可追溯到1893年，主要用于木材化学成分的研究，随后在制浆造纸领域被广泛研究[20]。Kumar等[29]研究发现反应温度高于185 ℃时，木质纤维原料经乙醇自催化预处理30～90 min便可取得较好的效果。Tan等[30]比较了水和乙醇对狼尾草的自催化预处理效果，结果表明：经热水预处理后的木质素脱除率仅为11.6%，而乙醇预处理为37.6%，相应的酶解效率由63.1%显著提高到84.3%。多项研究发现：使用质量分数50%～60%乙醇于200～220 ℃对麦草等原料预处理20～40 min，70%以上的木质素被脱除，酶解效率达70%～85%[31-32]。

木质纤维原料酶解效率与木质素含量密切相关，同时还受木质素的结构和组成影响。夏青等[33]用50%乙醇对玉米秸秆进行预处理，得到了较高的木质素脱除率(66.62%)，不同类型木质素降解程度依次是G型(愈创木基)>S型(紫丁香基)>H型(对羟苯基)。这与Zhou等[4]的结论相近，乙醇预处理后木质素的S/G比率增加，G型木质素在乙醇预处理中更易被脱除。G型木质素可能比S型更能限制纤维润胀和酶的可及性[34]。因此，乙醇预处理对G型木质素的降解可有效提高木质纤维原料的酶解效率。在乙醇预处理下，木质素中β-O- 4键和酯键发生断裂，解聚成分子质量较小的片段溶解在有机溶剂中[35]。Hallac等[36]对醉鱼草用体积分数50%乙醇进行预处理，木质素分子质量降低了85%；经元素分析发现，木质素碳含量增加，氧含量减少，反应过程中可能发生了缩合反应，木质素中酚型结构含量增加，进而提高了木质素的抗氧化性能。Wen等[37]的研究也证实了乙醇预处理后可得到相对纯净、富含酚基和羧基的低分子质量木质素，适合进一步开发用作化学和催化过程中的增值产品。

与乙醇相比，丁醇有较强的疏水性，在木质素脱除和用量上有很大优势[38]。Teramura等[39-40]以高粱渣为原料进行了一系列预处理研究，研究发现低体积分数丁醇(25%～37%)可达到与高体积分数乙醇(75%)相近的脱木质素效果。该团队进一步比较了体积分数为12.5%的不同溶剂(丁醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇)预处理效果，丁醇的脱木质素效果(64.7%～74.3%)显著高于其他溶剂(44.1%～49.7%)。而且，丁醇预处理有更好选择性，可避免多糖的大量水解。在0～25%丁醇对高粱渣预处理中，木质素回收率随丁醇体积分数的增加显著下降，而纤维素和半纤维素回收率变化很小。这可能归因于丁醇在水中溶解度低，使得反应降解的木质素和碳水化合物分别溶解在丁醇和水中，实现各组分的有效分离[38]。

2.1.2多元醇 多元醇沸点高，高温下溶剂压力低，具备良好的可回收性和重复利用性[16]。常用预处理液有丁二醇、丙三醇等。Liu等[11]在200 ℃下对毛竹进行热水预处理20～40 min，纤维素酶解葡萄糖转化率最高为30.8%；相同条件下，加入20%丁二醇进行自催化预处理，纤维素酶解葡萄糖转化率提高至82.3%。相较热水预处理，丁二醇可有效脱除木质素，减少木质素或假木质素的沉积对酶产生的无效吸附，有效提高酶解效率。Zhao等[41]认为，就多元醇而言，伯醇脱木质素效果较仲醇或叔醇更好，相似的规律在多元醇也适用。Cheng等[16]用1,2-丁二醇、1,3-丁二醇和1,4-丁二醇对椰壳预处理，其中1,4-丁二醇对木质素脱除效果最好(24.06%)。此外，在1，4-丁二醇自催化预处理中，木质素还会发生脱水或脱羟甲基化反应，使其分子质量减小，C/O质量比提高，得到具有高酚羟基含量的木质素副产物[42]。丙三醇即甘油，是生物柴油工业最主要副产物之一。甘油自催化预处理在麦草中得到广泛研究，采用质量分数70%甘油在220 ℃下进行预处理，木质素脱除率为65%～70%，酶解后纤维素转化率可达80%～90%[12，43]。Sun等[8]发现经甘油预处理后，麦草表面亲水性增加，表面粗糙度由63 nm增加到107 nm，纤维长度变短，结构松散。木质素脱除的同时，改变了木质纤维原料的结构和性质。纤维膨胀、表面粗糙度增加、结构松散等性质的改变对木质纤维原料的酶解具有促进作用。

Hii等[44]采用不同有机溶剂(乙醇、甲醇、乙二醇、甘油)和水对棕榈废弃物进行预处理，研究发现经180 ℃预处理75 min后，棕榈在质量分数65%乙醇预处理中木质素脱除率最高(48.18%)，其次为甲醇(44.55%)，乙二醇(40%)，甘油(25.46%)，水的木质素脱除率最低(18.18%)。一元醇比多元醇具有更好的脱木质素效果，这可能是因为一元醇的分子质量低，分子间氢键更易断裂，化学活性较强；而多元醇分子尺寸大、稳定性高，从而表现出较差的脱木质素效率。此外，不同有机溶剂预处理后的木质素脱除规律与溶解度参数相符，一元醇的溶解度参数与木质素溶解度参数更为相近。尽管多元醇可以弥补一元醇易挥发、易爆的缺点，但其能量消耗大，预处理效果不及一元醇[31]。Shi等[45]和Liu等[11]研究发现，有机溶剂体积分数70%是乙醇和丁二醇自催化预处理效果的转折点。当醇等有机溶剂体积分数低于70%时，木质素脱除率随有机溶剂体积分数的升高而提高；而当体积分数进一步升高，木质素脱除率反而降低。因此，木质素在有机溶剂-水溶液中的脱除效率大于单独任一溶剂[24]，自催化预处理过程中需要平衡木质素溶解度和醚键的水解所需pH值之间的关系[10]。当醇浓度较高时，溶液中H+浓度降低，减弱了LCC和木质素之间酯键和醚键的断裂[9，46]，不利于木质素脱除；当醇浓度降低时，木质素的溶解度显著降低，同时半纤维素损失加剧。目前，有研究表明：乙醇体积分数为70%时木质素的脱除率达到最大[47-48]。

2.2 丙酮

丙酮具有较高的极性，是溶解木质素和木质素衍生产品的优良溶剂，且丙醇的沸点较低，与水不会形成共沸物，用丙酮代替乙醇，会极大减少预处理的能量需求[49]。目前，涉及使用酮类溶剂进行有机溶剂预处理的研究相对有限。Raita等[19]对比分析了乙醇和丙酮对麦草的预处理效果，结果发现丙酮预处理的酶解效率(76.0%)要优于乙醇(71.0%)。丙酮对纤维素有更高的选择性，使溶解纤维素和半纤维素发生沉淀，减少纤维素等碳水化合物的损失。Smit等[49]研究发现丙酮预处理可实现木质纤维原料各组分的有效分离，在有效提高纤维素酶解效率的同时，提高半纤维素和木质素等单体的产率。Huijgen等[9]采用质量分数50%丙酮在205 ℃下对麦草进行1 h的预处理，木质素脱除率高达79%，纤维素回收率高达93%。此外，丙酮预处理显著改善了纤维素酶解效率，使酶解得率由未处理的16%提升至87%。但丙酮的高成本和难回收限制了其在预处理中的应用。

通常，在中性条件下对木质纤维原料预处理时，其细胞壁中的木质素很难脱除[50]。在有机溶剂自催化预处理中，木质素的脱除主要依赖于半纤维素水解释放的乙酸来催化反应进行，其反应程度取决于预处理温度，反应需较高能量。因此，有机溶剂预处理中常加入其他化学物质作为催化剂[20]，通过有机溶剂和催化剂之间的协同作用来实现酶解效率的提高[15]。

3 催化剂-有机溶剂协同预处理类型及机理

3.1 催化剂类型

3.1.1酸性催化剂

3.1.1.1无机酸 无机酸是有机溶剂预处理中最常用的催化剂。在酸催化下，半纤维素水解程度增加，减少了半纤维素空间位阻对纤维素酶的限制，同时部分木质素也随半纤维素的水解而脱除，有效提高了木质纤维原料的酶解效率[24,51]。Wildschut等[10]采用质量分数50%乙醇对麦秸秆进行预处理，在190 ℃添加30 mmol/L H2SO4作催化剂时酶解效率达到86%，与210 ℃自催化预处理的效果相近。研究认为，在预处理中决定催化效果的是酸的浓度(pH值)，而非酸的类型[3]。考虑经济和环境因素，稀硫酸是目前有机溶剂预处理中最常用的酸催化剂。岳军等[13]发现在对木糖渣进行乙醇预处理时，反应条件的影响显著性依次为硫酸浓度>温度>时间，酸浓度的提高对半纤维素的水解影响最为明显。Koo等[14]用质量分数1%硫酸对鹅掌楸预处理，半纤维素几乎全部水解，纤维素也发生大量水解。因此，为了避免纤维素的过度水解，预处理溶液pH值需高于3.5，硫酸质量分数通常为1.0%～2.0%[4]。在酸催化下，部分木质素尤其是S型木质素发生降解。随着酸质量分数的提高，木质素酚羟基含量提高、脂肪族羟基含量降低，木质素抗氧化能力提高[52]。

3.1.1.2酸性离子液体 离子液体的热稳定性和化学稳定性高，被称为“环境友好的化合物”[53]。酸性离子液体(AIL)是将酸性基团引入阳离子和阴离子中，通过催化部分碳水化合物降解，加速LCC的解构。2002年，Swatloski等[54]发现离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)可有效溶解纤维素，酸性离子液体在预处理中的研究才开始进行。

离子液体对木质素溶解主要受阴离子种类的影响。Pu等[55]发现阳离子为[BMIM]+的离子液体，在不同阴离子时木质素的溶解性依次为：[MeSO4]->[Cl]->[Br]-≫[BF4]-。离子液体的催化效果还与溶剂类型有关，Cheng等[16]用1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([BMIM][HSO4])为催化剂对椰壳和杨木进行预处理，乙醇为溶剂时，纤维素回收率52.64%，木质素脱除率59.42%；1, 4-丁二醇为溶剂时，纤维素回收率44.56%，木质素脱除率79.64%。[BMIM][HSO4]改善了木质素的脱除能力，尤其在1, 4-丁二醇体系中效果更明显。离子液体本身黏度高、生产及回收成本高、制备过程复杂，长期使用的稳定性和安全性不确定[56]。因此，酸性离子液体在预处理中的应用仍需进一步探索。

3.1.2无机盐催化剂 与无机酸相比，无机盐的腐蚀性、毒性低，无需过度中和就可在反应体系中实现再循环，减少了对环境的污染。尽管无机盐对酶解效率的提高贡献较少，但可以有效减少预处理过程中纤维素和半纤维素的水解。Huijgen等[3]分别用盐酸和MgCl2对柳木预处理，酶解得率(85%)相同时，MgCl2催化下木聚糖水解率仅为52%，远低于HCl(83%)。相同条件下，MgCl2作催化剂时葡聚糖水解程度较HCl低，预处理后葡聚糖的回收率可达96%。

Cl-被认为是最有效的阴离子[3]，常用无机盐包括MgCl2、FeCl3、AlCl3等。Yawalata等[57]分别以MgCl2、Mg(NO3)2、MgSO4为催化剂，采用80%甲醇对云杉进行预处理，结果发现：预处理后木质素残余率的大小顺序为MgCl2(10.32%)

3.1.3碱性催化剂

3.1.3.1无机碱 氢氧化钠是使用最多的碱催化剂。碱促进了木质素和半纤维素之间醚键的皂化，使得纤维素更易与酶结合，有效提高酶解效率。Tang等[7]以质量分数4%氢氧化钠为催化剂对玉米秸秆进行乙醇预处理，木质素脱除效率>80%，酶解单糖回收率最大为83.7%。Yuan等[18]以甲醇为溶剂对鹅掌楸预处理，不同碱催化酶解效果依次为氢氧化钠>氢氧化钾>氢氧化钙，可能是因为碱金属离子以水合离子的形式存在，半径小的离子对水分子吸引力强，更易于进入无定形区和结晶区，使纤维更好润胀，增加与酶的可接触面积。陈冰炜等[17]研究发现碱含量也是影响催化效果的重要因素，在70%乙醇对芦竹预处理中，含碱量由2.5 g/L提高到10 g/L，木质素脱除率由27.57%提升至47.11%，酶解效率由20.97%提高到49.41%。Raita等[19]研究发现氨溶液的催化效果不显著，在80 ℃下乙醇溶剂中对麦秸秆进行预处理， 5% NH4OH催化下得到的糖得率低于200 mg/g，而50 g/L氢氧化钠催化下糖得率约800 mg/g。

3.1.3.2有机碱 有机胺，是一种有机碱，既可促进纤维原料的碱性水解，也可形成氢键网络来破坏纤维素分子间与分子内氢键，使纤维素膨胀，有效抑制半纤维素的水解[60]。有机胺作为催化剂可与乙醇等有机溶剂实现回收和循环利用，目前常见催化剂有二乙胺、三乙胺、正丙胺等。Tang等[60]采用60%乙醇对玉米秸秆进行预处理，重点比较了几种有机胺的催化性能，结果表明：就脱木质素效果而言，正丙胺>二乙胺>异丙胺>正丁胺>异丁胺>三乙胺，在10 mmol/g的正丙胺催化下，44.9%的木质素被脱除，酶解效率高达88%。正丙胺是一种比较有前景的有机溶剂，具有很好的回收性，回收液重复利用5次后质量损失仅为13.7%。此外，预处理前后木质素β-O- 4醚键含量变化很小，木质素降解和再分解反应几乎不发生，更有利于高质量木质素的制备。三乙胺临界溶解温度较高，低温条件下作为催化剂的作用效果较差。Wang等[61]在80 ℃下70%乙醇中加入质量分数1%三乙胺对三倍体白杨进行预处理，预处理后三倍体白杨的原料质量损失率仅约7%，同步糖化获得生物乙醇仅1.66 g/L。

3.1.3.3水合肼 水合肼(N2H4·H2O)具有碱性和高还原性，一定程度上可抑制半纤维素侧链上乙酰基的自催化，抑制半纤维素水解[62]。水合肼极性大，更易穿透细胞壁，从而得到更好的脱木质素效果。Zhong等[62]以10 mmol/g水合肼为催化剂，用60%乙醇对玉米秸秆进行预处理，研究发现温度对水合肼催化效果影响显著，最佳温度为130 ℃，木质素脱除效果高达77.94%；与未处理原料相比，酶解纤维素得率由34.56%提高到90%，半纤维素得率也由14.36%升至75%。作为一种新型的催化剂，水合肼的处理相对温和有效，可获得高质量的木质素副产品。水合肼催化预处理得到了两种木质素，这两种木质素抗氧化性均高于磨木木质素，可用作抗老化复合材料。

3.2 催化剂-有机溶剂协同预处理反应机理

有机溶剂预处理是破坏细胞壁中木质素与半纤维素之间的交联结构，将木质素溶出的过程。在不同催化体系下，木质纤维原料中木质素和半纤维素的降解程度都有所提高，有效提高了酶解效率。有机溶剂对木质素有较好的溶解度，有机溶剂的存在有效减弱了预处理后降解木质素在底物上的重新沉积[15]。因此，与酸/碱-水预处理相比，木质素脱除效率在酸/碱-有机溶剂协同预处理体系中得到有效提高(图1)。根据前人研究，下文概括了酸和碱两种催化剂与有机溶剂协同预处理的反应机理，比较了两种体系下木质素结构的变化情况，为其结构的改性和资源化利用提供参考。

酸催化体系中，溶液中存在大量H+，主要进攻LCC连接键和碳水化合物(尤其是半纤维素)的糖苷键，使得半纤维素显著降解，并生成糠醛等抑制产物(图1(a))。此外，在酸催化下，木质素发生解聚(酸解)和再聚合反应。木质素α位上OH-基团在H+作用下被去除，形成苄基碳鎓离子，进一步转化为两种烯醇-醚结构，进而形成Hibbert酮和甲醛(图1(b))[47]。在有机溶剂的共同作用下，降解木质素溶解，使得木质素脱除率提高。而碱催化体系中，溶液中的OH-与LCC的酯键发生反应，木质素中β-O- 4 键裂解程度增加[14]。此外，糖苷键的水解比脱木质素反应慢得多[38]，可最大限度减少纤维素及半纤维素的损失。在碱催化下，木质素发生降解和再分解。木质素α-醚键发生断裂，非酚型结构木质素由于诱导效应形成环氧化合物，进一步形成α,β-乙二醇结构产物；酚型结构转化为亚甲基醌结构，进一步形成苯乙烯芳基醚结构产物和β-酮类产物[4](图1(c))。与碱木质素相比，碱催化下的有机溶剂木质素中酚类含量更高，抗氧化能力更强，可作为高质量副产物加以利用[36]。

图1 催化剂-有机溶剂协同预处理模式图[4,15，47]

4 结 语

在有机溶剂预处理木质纤维原料的过程中，木质素的脱除可显著提高纤维原料的酶解效率，有机溶剂的类型和含量是影响木质素的脱除的重要因素。有机溶剂自催化预处理受反应温度限制，为改善有机溶剂预处理条件，常以酸性、碱性催化剂与有机溶剂协同作用来提高预处理效果，进一步提高酶解效率。目前，新型的催化剂如有机胺、水合肼在协同有机溶剂预处理上有很大的优势，但在实际生产工艺上仍不成熟，需继续深入研究、改进现有配方。鉴于有机溶剂预处理对木质素的有效脱除，同时有机溶剂具有回收性，可实现循环利用，符合绿色可持续发展理念，目前有机溶剂预处理被认为是最有前景的预处理方式之一。此外，有机溶剂预处理可得到酚羟基含量高的木质素，可用做抗氧化材料，实现木质纤维原料的高效利用。有效的预处理工艺不仅要着眼于改善木质纤维原料的酶解效率，还要实现副产物的高效利用以及有机溶剂的有效回收，以降低生产工艺中预处理的高成本。