顆粒在線訊：背景介紹

蓖麻是一種快速生長的纖維性非木材植物和工業(yè)油料作物，在我國廣泛種植，而剩余的蓖麻秸稈（CS）通常被作為低值的農(nóng)業(yè)廢棄物而未被利用。為實現(xiàn)農(nóng)林生物質(zhì)資源的高值高效轉(zhuǎn)化，需要一種高效、綠色且經(jīng)濟的預(yù)處理方法。低共熔溶劑（DES）是一種新型綠色離子液體，憑借獨特的物化性質(zhì)已經(jīng)在農(nóng)林生物質(zhì)組分分離、提取及轉(zhuǎn)化利用方面有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的DES體系往往包含兩種組分-氫鍵受體（HBA）和氫鍵供體（HBD），其中氯化膽堿（ChCl）是最常見、最有效的HBA，研究者們通常選用不同的HBD去調(diào)節(jié)DES的預(yù)處理性能，然而很少研究去探索新的、有效的HBA。本研究中，齊魯工業(yè)大學生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室生物質(zhì)精煉綠色化學技術(shù)團隊（團隊負責人：楊桂花教授）呂高金教授和王超副教授研究組制備了以鹽酸胍（GH）作HBA的DES體系，將其應(yīng)用于CS的預(yù)處理中，通過與ChCl基DES預(yù)處理對比，發(fā)現(xiàn)該可循環(huán)體系得到的纖維素漿料酶解性能更高，并且預(yù)處理工藝更加節(jié)能、省時。

圖文解讀

首先，制備了四種不同的DESs：GH：乳酸(LA)、GH：尿素(U)、GH：甘油(Gly)和ChCl：LA。如Fig.1(a)所示，微波輔助不同的DES解構(gòu)CS材料的能力有顯著差距。其中，GH：LA DES對木聚糖（77.56%）和木質(zhì)素（92.02%）溶出能力最強，極大優(yōu)于ChCl：LA DES對木聚糖（44.53%）和木質(zhì)素（51.49%）溶出能力，這也為提高后續(xù)纖維酶解糖化的產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。上述結(jié)果表明，GH可以取代ChCl作為HBA，促進LA基DES預(yù)處理性能。作者也觀察了HBD對生物質(zhì)預(yù)處理的影響。GH：U DES和GH：Gly DES僅使近23%木聚糖和26%木質(zhì)素溶出，較GH：LA DES具有較大的差異。該現(xiàn)象與先前的研究結(jié)果一致：酸性DES（ChCl：LA）比堿性DESs（ChCl：U或K2CO3：Gly）和中性DES（ChCl：Gly）具有更好的生物質(zhì)預(yù)處理能力。

還詳細地探究了微波溫度（100~140 ℃）和時間（5~30 min）對CS預(yù)處理的影響（Fig.2(a)和Fig.3(a)）。隨著溫度的增加和時間的延長，CS解構(gòu)程度愈嚴重。這與FTIR光譜中較弱的芳香族骨架振動和強烈的纖維素C?H拉伸振動相對應(yīng)。同時，由于預(yù)處理后的纖維漿料中非結(jié)晶物質(zhì)（木質(zhì)素與半纖維素）的溶出，使預(yù)處理后的CS的CrI值增加（49.0%~71.4%）。

發(fā)現(xiàn)預(yù)處理過程中CS纖維素和半纖維素主要經(jīng)歷以下過程：多糖主要水解為單糖；單糖產(chǎn)物進一步降解為副產(chǎn)物（糠醛和HMF）。如Table 1所示，所有的水解產(chǎn)物中以葡萄糖和木糖為主，HMF與糠醛的含量較低。此外，在所有的DES體系中，木糖或糠醛的濃度均高于葡萄糖或HMF，說明半纖維素比纖維素更容易分解。

接著研究評估了CS的酶糖化。如圖所示Fig.1(b)，酶解72 h后未處理的CS糖化率僅有25.8%。木質(zhì)素和半纖維素的溶出可以促進纖維酶解糖化，GH：Gly、GH：U和ChCl：LA DES預(yù)處理得到的纖維漿料經(jīng)過72 h酶解的糖化率分別為40.0%、46.8%和71.1%，而經(jīng)過GH：LA DES預(yù)處理的纖維漿料僅需酶解12~36 h即可達到相近的產(chǎn)量，72 h酶解后產(chǎn)率提高至96.3%。另外，通常CS的酶解效率與預(yù)處理溫度和時間呈正相關(guān)（Fig.2(b)和Fig.3(b)）。

此外，對溶出木質(zhì)素的回收得率與純度進行評價。Table 2顯示GH：LA的木質(zhì)素回收率高達~32%，而其他DESs的回收率為3~17%，且所回收的木質(zhì)素表現(xiàn)出較高的純度（>90%）。

本研究分析了GH：LA DES的可回用次數(shù)與生物質(zhì)組分分解和纖維素糖化有效性之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，木聚糖和木質(zhì)素的溶出能力隨著DES回收次數(shù)的疊加而降低（Fig.4(a)），這是由于DES酸度減弱（pH從1.60升高至2.04）和氫鍵相互作用減少導(dǎo)致。此外，F(xiàn)ig.4(b)表明，在第三次DES循環(huán)實驗中，纖維酶解效率仍可以保持90%。而在第四和第五次循環(huán)實驗中，纖維酶解效率降低至~76%。

最后，對微波輔助預(yù)處理過程中的能源消耗進行了評估。先前研究的常規(guī)加熱DES預(yù)處理的能量消耗達2.29×106 J~9.15×106 J，而GH：LA DES預(yù)處理能耗僅為7.2×105 J。

結(jié)論

本研究的主要目的是利用微波輔助鹽酸胍基DES預(yù)處理實現(xiàn)蓖麻秸稈的高效分離和生物轉(zhuǎn)化。相比于傳統(tǒng)的氯化膽堿基DES體系，該可循環(huán)的DES體系可以更加節(jié)能、高效的生產(chǎn)易于酶解糖化的纖維漿料和高純度木質(zhì)素產(chǎn)品，為木質(zhì)生物質(zhì)預(yù)處理提供了一種低成本、高效的解構(gòu)新體系。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126022