三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究_陶顺辉.pdf

第 43 卷第 2 期2023 年 4 月林 产 化 学 与 工 业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol.43 No.2Apr.2023 收稿日期:2022-01-28 基金项目:国家自然科学基金资助项目(21978053);广东省重点领域研发计划项目(2020B0101070001)作者简介:陶顺辉(1995),男,湖南宁远人,硕士生,从事生物质组分高效分离与高值化利用研究 通讯作者:林晓清,教授,博士生导师,研究领域为生物质炼制化学品及下游分离纯化应用基础研究;E-mail:linxiaoqing 。doi:10.3969/j.issn.0253-2417.2023.02.017三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究TAO Shunhui陶顺辉1,张可炫1,李碧莹1,郑晓洁1,刘 耀1,林晓清1,2,3(1.广东工业大学 轻工化工学院,广东 广州 510006;2.广东省植物资源生物炼制重点实验室,广东 广州 510006;3.广州市清洁交通能源化学重点实验室,广东 广州 510006)摘 要:以制糖工业副产物甘蔗渣(SCB)作为木质纤维原料,使用具有优异相转移催化能力的三乙基苄基氯化铵(TEBAC)、无毒无害的甘油(GL),以及高价态路易斯酸六水合氯化铝(ACH)组成的三元低共熔溶剂(DES)对 SCB 进行预处理,系统考察了 DES 物质的量之比、预处理温度、预处理时间、固液质量比对 SCB 中各组分含量和纤维素酶解效率的影响。研究结果表明:最佳预处理条件为 nTEBAC nGL nACH为120.05、预处理时间 30 min、预处理温度 120 和固液质量比 1 15,此优化条件下木质素去除率达到(86.23 2.11)%,纤维素保留率为(94.51 2.03)%,酶解纤维素转化率达到(98.21 1.02)%,相较于未处理 SCB 提高了 2 倍,葡萄糖得率高达(81.94 1.98)%,提高了 1.5 倍。SEM、FT-IR 和 XRD 分析结果表明:三元 DES 预处理能够有效去除SCB 中的木质素和半纤维素,从而使纤维素的结晶度由未预处理的 41.19%提高到预处理后的 65.87%。DES 经过 5 次循环利用后,纤维素转化率和葡萄糖得率仍达到(92.36 1.64)%和(74.45 1.12)%,依旧保持了较好的预处理效果。关键词:三元低共熔溶剂;甘蔗渣;预处理;酶解中图分类号:TQ35 文献标志码:A 文章编号:0253-2417(2023)02-0135-08引文格式:陶顺辉,张可炫,李碧莹,等.三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究J.林产化学与工业,2023,43(2):135-142.Enzymatic Digestibility of Ternary Deep Eutectic Solvent PretreatedSugarcane BagasseTAO Shunhui1,ZHANG Kexuan1,LI Biying1,ZHENG Xiaojie1,LIU Yao1,LIN Xiaoqing1,2,3(1.School of Chemical Engineering and Light Industry,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Plant Resources Biorefinery,Guangzhou 510006,China;3.GuangzhouKey Laboratory of Clean Transportation Energy Chemistry,Guangzhou 510006,China)Abstract:Sugarcane bagasse(SCB),a by-product of the sugar industry,was used as a lignocellulosic raw material.In thepresent study,a ternary deep eutectic solvent(DES)composed of triethylbenzyl ammonium chloride(TEBAC)with strong phasetransfer catalytic ability,non-toxic and harmless glycerol(GL)and high-valence Lewis acid aluminum chloride hexahydrate(ACH),was used to pretreat SCB.The effects of molar ratio of ternary DES,reaction temperature,reaction time and solid-liquid mass ratio on the content of each component in SCB and cellulase enzymatic digestibility were systematically investigated.The results showed that the optimal pretreatment conditions were as follows:the molar ratio of nTEBACnGLnACHwas 120.05,thepretreatment time was 30 min,the pretreatment temperature was 120 and the solid-liquid ratio was 1 15.Under theseconditions,the lignin removal rate was(86.23 2.11)%,and the cellulose retention rate was(94.51 2.03)%.Theconversion of enzymatic hydrolysis cellulose was(98.21 1.02)%,which was 2 times higher than that of untreated SCB,andthe yield of glucose was(81.94 1.98)%,which was increased by 1.5 times.The results of SEM,FT-IR and XRD analysisshowed that ternary DES pretreatment could effectively remove lignin and hemicellulose from SCB,and the crystallinity of celluloseincreased from 41.19%to 65.87%after pretreatment.Importantly,DES still maintained good pretreatment performance after 5136 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷cycles of recycling,and the cellulose conversion rate and glucose yield reached(92.36 1.64)%and(74.45 1.12)%,respectively.Key word:ternary deep eutectic solvent;sugarcane bagasse;pretreatment;enzymatic digestibility甘蔗渣是甘蔗制糖工业的副产物1。以甘蔗渣为原料通过预处理、酶水解和发酵制备生物燃料,可实现甘蔗渣变废为宝,对缓解能源紧张和减少环境污染具有重要意义2。然而,甘蔗渣中的纤维素、半纤维素和木质素(“三大素”)互相交联缠绕形成一种致密的结构,使其难以被分离3。预处理是甘蔗渣“三大素”高效分离与高值化利用的关键步骤4,其目的是破坏甘蔗渣的致密结构,将木质素和半纤维素溶解去除,保留富含纤维素的组分,从而提高酶的可及性和酶解效率5。溶解去除的木质素可以通过提纯得到高纯木质素,从而应用于吸附材料、橡胶补强、疏水添加剂等领域。目前,甘蔗渣预处理方法主要有物理法、化学法、物理-化学法和生物法6,其中化学法是甘蔗渣预处理中被研究最多的方法7。常用溶剂主要有酸、碱、有机溶剂、离子液体、低共熔溶剂(DES)8-9。其中,DES 作为一种新兴的绿色溶剂,由一定物质的量之比的氢键供体(如季铵盐和季磷盐)和氢键受体(如羧酸和多元醇)组成10,具有离子液体的优良特性11,同时具有毒性更低、制备简单、价格低廉的特点10。值得注意的是,并不是所有的 DES 都具备优异的预处理能力12。当前被研究最多的 DES 是氯化胆碱与各类酸和醇组成的二元 DES。甘油(GL)是生物柴油工业产生的主要副产物,廉价且无毒,可用作氢键供体。然而单独使用氯化胆碱/甘油 DES 作为预处理溶剂时,由于氯化胆碱/甘油 DES 的高黏度,通常需要严格的预处理条件。Procentese 等13利用氯化胆碱/甘油 DES 在 150 下预处理玉米芯 15 h,可以去除59%的木质素。Xu 等14利用氯化胆碱/甘油 DES 在 180 下预处理玉米秸秆 2 h,木质素的去除率大于 60%。尽管氯化胆碱/甘油 DES 在木质纤维类生物质预处理领域有一定的优势,但苛刻的预处理条件限制了其大规模应用。课题组前期研究发现,三乙基苄基氯化铵(TEBAC)具有强大的相转移能力,可以把木质素从固态中转移到液态,同时芳环的存在能够促进木质素苯丙烷单元的溶解,从而达到高效选择性分离木质素的目的15。六水合氯化铝(ACH)作为路易斯酸,由于其在溶剂中具有提供质子的出色能力,用于 DES 体系时能有效调节 DES 的氢键酸碱度,提升 DES 体系中的氢键作用力,有效打断三大素之间的化学键,从而达到高效脱除木质素的目的16,且 ACH 在同类型的金属氯化物中价格最为低廉。值得注意的是,TEBAC 和 ACH 并不能组成二元 DES,需要有另一种组分对二者进行调节。基于此,本研究选取 TEBAC、GL、ACH 组成三元 DES 对甘蔗渣进行预处理,探索该三元 DES 对甘蔗渣预处理及酶解性能的作用机制,揭示其对甘蔗渣预处理的影响规律,以期为甘蔗渣的高值化利用提供理论参考。1 实 验1.1 原料、试剂与仪器甘蔗渣(SCB)由广西贵糖有限公司提供,SCB 原料洗净烘干,用粉碎机粉碎过 0.25 mm 筛;因为 SCB原料比较大块,首次烘干可能不彻底,因此将获得的 SCB 粉末置于105 烘箱中再次烘干,冷却装袋备用。1.5 L 纤维素酶(54 FPU/mL)和 AMG300L-葡萄糖苷酶(94 CBU/mL),诺维信公司。三乙基苄基氯化铵(TEBAC,纯度 98%)、甘油(GL,纯度 92%)和六水合氯化铝(ACH,纯度 96%),均为市售分析纯。Hitachi S-4800 型扫描电镜(SEM),日本日立公司;Nicolet 6700 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪,美国赛默飞世尔科技公司;XPert PRO PANalytical 型 X 射线衍射(XRD)仪,荷兰帕纳科公司;Agilent 1260Infinity II 型高效液相色谱(HPLC)仪,美国安捷伦公司。1.2 低共熔溶剂的制备将按一定物质的量之比(120、120.05、120.1、12 0.2 和 1 2 0.3)称量好的 TEBAC、GL、ACH 加入三颈烧瓶中,在 100 下搅拌加热,直至烧瓶内溶液澄清后停止加热,冷却至室温即得三元低共熔溶剂(DES)。1.3 DES 预处理甘蔗渣按一定质量比(15、110、115 和120)称取2 g SCB 和 DES 加入三颈烧瓶中混合均匀,加入搅拌第 2 期陶顺辉,等:三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究137 子搅拌,在一定温度(80、100、120 和140)下预处理一定时间(10、30、60 和90 min)后,将混合物冷却至室温,向混合物中加入 5 倍体积的无水乙醇进行洗涤,随后置于60 恒温水浴锅中搅拌1 h。然后减压抽滤,滤渣置于105 烘箱中干燥至质量恒定,称质量并装袋备用。滤液于55 下旋转蒸发,回收乙醇,并向浓缩液中加入去离子水,摇匀后静置至有固体析出,随后在 11 000 r/min 转速下离心 5 min,将离心管下层沉淀物转移至 50 真空干燥箱中,干燥 24 h 后取出称质量,获得再生木质素。所得上层清液经旋转蒸发,获得回收 DES。1.4 预处理前后甘蔗渣的酶解在 50 mL 带塞的锥形瓶中加入 0.4 g 预处理后或未处理的 SCB,加入 20 mL 柠檬酸缓冲液(pH 值4.8,50 mmol/L,50),15 FPU/g 纤维素酶,35 CBU/g-葡萄糖苷酶,底物质量浓度 20 g/L,置于 50、150 r/min 恒温摇床内进行酶解反应。72 h 后取样 500 L,沸水浴灭活 10 min,然后在 11 000 r/min 转速下离心 2 min。取上清液稀释一定倍数,过滤膜,用 HPLC 检测其中单糖含量。1.5 分析方法1.5.1 SEM 分析 将未处理的和经过预处理的 SCB 样品粘附在导电胶带上,固定后经表面喷金以增强样品导电性,使用 SEM 观察样品的形貌结构。1.5.2 FT-IR 分析 使用 FT-IR 仪测定预处理前后甘蔗渣的 FT-IR。样品采用 KBr 压片法进行压片,设置分辨率 4 cm-1,扫描波数范围为 400 4 000 cm-1,扫描次数为 32 次。1.5.3 XRD 分析 DES 预处理前后的甘蔗渣使用 XRD 仪测定其衍射峰。以铜靶作为射线源,检测电压为 40 kV,工作电流为 40 mA,使用 80 r/min 的旋转速度收集 5 50每个衍射图案。1.5.4 HPLC 分析 根据美国可再生能源实验室(NREL)方法测定预处理前后甘蔗渣中纤维素、木聚糖和木质素含量。单糖质量浓度通过 HPLC 仪测定,色谱柱为 Aminex HPX-87H 柱(300 mm 7.8 mm,Bio-Rad,USA),示差检测器(RID),5 mmol/L 稀硫酸为流动相,流速为 0.5 mL/min,柱温为 50。1.6 计算方法残渣回收率、纤维素保留率、木聚糖损失率和木质素去除率的计算方法分别为:残渣回收率=预处理后 SCB 质量/SCB 原料质量 100%;纤维素保留率=预处理后 SCB 中纤维素质量/SCB 原料中纤维素质量 100%;木聚糖损失率=(1-预处理后 SCB 中木聚糖质量分数/SCB 原料中木聚糖质量分数)100%;木质素去除率=(1-预处理后 SCB 中木质素质量分数/SCB 原料中木聚糖质量分数)100%。纤维素酶解转化率()和葡萄糖收率(Y)的计算公式如下:=Cglu V 0.9+Cclb V 0.95mcel 100%Y=0.9 Cglu VMcel 100%式中:Cglu酶解液中葡萄糖的质量浓度,g/L;Cclb酶解液中纤维二糖的质量浓度,g/L;V酶解液体积,L;mcel酶解样品中纤维素的质量,g;Mcel甘蔗渣原料中纤维素的质量,g。2 结果与讨论2.1 不同条件对甘蔗渣组分及其酶解效率的影响2.1.1 DES 中 ACH 用量 在预处理温度为120、反应时间为1 h 和固液质量比为115 的条件下,考察三元 DES 中 ACH 用量对甘蔗渣各组分含量和酶解效率的影响,结果见表 1 和表 2。由表可知,随着DES 中 ACH 用量的增加,残渣回收率逐渐降低,当 ACH 用量为 0.3 mol 时,残渣回收率仅为 39.78%。值得注意的是,单独使用 ACH 水溶液(ACH 用量与 nTEBACnGLnACH为 1 2 0.05 的 DES 中 ACH 用量相同)和 nTEBACnGL为 12 的 DES 预处理后甘蔗渣中的木质素去除率分别为 12.83%和8.84%;木聚糖损失率分别为 17.91%和 21.23%;纤维素保留率分别为 99.00%和 78.85%。然而,随着 DES 中 ACH 用量的增加,纤维素保留率先增加后减少。当 ACH 用量为 0.05 mol 时,纤维素保留率达到最高 93.74%,138 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷木聚糖损失率为 94.62%,木质素去除率为 86.79%。说明 ACH 的引入能有效地促进 TEBAC-GL 二元DES 破坏木质纤维素致密的结构,高效去除木质素和半纤维素。表 1 不同预处理条件对甘蔗渣各组分含量的影响Table 1 Effects of different pretreatment conditions on the content of each component of SCB项目item残渣回收率/%residue recovery残渣组成 residue composition/%纤维素 cellulose木聚糖 xylan木质素 ligninnTEBACnGLnACH未处理 untreated10037.72 1.0622.95 1.3222.34 1.4212099.06 1.2030.02 1.1218.25 0.9120.55 1.32120.0153.31 2.6162.51 1.219.43 0.617.48 0.86120.0542.61 2.3682.97 1.132.90 0.196.92 0.65120.142.50 1.7876.43 1.540.22 0.115.47 0.21120.240.23 1.9877.96 1.210.79 0.126.15 0.33120.339.78 1.9274.82 1.540.58 0.2110.28 0.45ACH91.85 1.6846.98 1.3220.57 0.1221.26 1.02预处理温度pretreatment temperature80 75.95 2.0149.17 1.3620.21 1.0519.36 0.98100 53.03 1.9668.34 1.5712.47 1.028.76 0.78120 47.02 2.1082.97 1.452.90 0.966.92 1.02140 39.44 1.8386.23 1.113.03 0.8710.18 0.96预处理时间pretreatment time10 min47.22 1.8975.35 2.315.48 0.525.98 0.8530 min44.77 1.4879.67 2.124.64 0.396.99 0.9660 min47.02 1.7282.97 1.992.90 0.486.92 0.7490 min42.94 1.9983.15 2.034.42 0.567.08 0.85固液比(gg)solid-to-liquid ratio1548.20 1.8973.54 1.5614.72 0.987.50 0.5811046.22 1.9678.22 1.8513.54 1.218.30 0.9211544.77 2.0279.67 1.914.64 0.676.99 0.5412042.86 2.1177.17 2.047.38 1.112.43 0.21 表 2 还显示了纤维素转化率和葡萄糖得率随 ACH 用量的变化,当 ACH 用量从 0.01 mol 增加到0.3 mol时,纤维素转化率基本维持不变,葡萄糖得率呈现先增加后降低的趋势,当 ACH 用量为 0.05 mol时,最大葡萄糖得率达 81.71%。单独使用 ACH 水溶液和 nTEBACnGL为 12 的 DES 预处理后甘蔗渣,以及未预处理甘蔗渣,纤维素转化率和葡萄糖得率都显著降低,这说明未经处理的甘蔗渣具有致密的结构,阻碍了酶与纤维素及木聚糖的接触,降低了酶的可及性,且最外层含有大量的木质素与酶产生特异性吸附,使部分酶失效17-18。相比之下,在最佳 ACH 用量(nTEBACnGLnACH为120.05)条件下,纤维素转化率为 98.99%,是未处理甘蔗渣的 3 倍,葡萄糖得率为 81.71%,是未处理甘蔗渣的 2.5 倍,说明TEBAC 与 ACH 协同作用才能发挥各自的特性,证实了三元 DES 优越的可调节性。表 2 不同预处理条件对甘蔗渣酶解效率的影响Table 2 Effects of different pretreatment conditions on the enzymatic hydrolysis efficiency of SCB项目 item 纤维素保留率/%cellulose retentionrate木聚糖损失率/%xylan loss rate木质素去除率/%ligninremoval rate纤维素转化率/%cellulose conversion葡萄糖得率/%glucoseyieldnTEBACnGLnACH未处理 untreated1000032.57 2.1032.57 2.2112078.85 2.0221.23 2.108.84 1.0114.20 1.208.47 1.46120.0188.35 1.9578.09 1.5982.15 2.6599.18 0.0679.00 1.36120.0593.74 2.0494.62 2.3186.79 2.3398.99 0.0981.71 2.14120.186.12 1.8999.59 0.4089.59 2.5199.39 0.4079.13 2.06120.283.14 2.0198.61 1.3188.93 2.6394.59 1.2067.15 1.90120.378.91 2.2299.00 0.6581.69 2.2299.20 0.6073.18 1.64ACH99.00 0.9817.91 1.2212.83 1.3230.68 1.6234.99 0.94第 2 期陶顺辉,等:三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究139 续表 2项目 item 纤维素保留率/%cellulose retentionrate木聚糖损失率/%xylan loss rate木质素去除率/%ligninremoval rate纤维素转化率/%cellulose conversion葡萄糖得率/%glucoseyield预处理温度pretreatmenttemperature80 98.99 0.6333.10 1.0134.18 1.2167.16 2.4662.28 2.63100 96.08 1.9771.18 2.1079.20 2.1082.72 1.6975.83 1.56120 93.74 1.2394.62 2.5686.79 2.4198.99 0.6881.71 2.33140 90.16 2.1594.79 1.6582.03 1.6699.61 0.0383.33 2.48预处理时间pretreatmenttime10 min95.99 2.1285.82 0.9886.93 2.6383.93 2.2279.14 2.3330 min94.25 2.0191.81 1.3686.23 1.5698.21 1.6381.94 2.4160 min93.74 1.8994.62 2.1386.79 1.3698.99 0.5981.71 2.6890 min94.65 1.6491.73 1.8986.38 2.1394.83 2.7675.38 2.17固液比(gg)solid-to-liquid ratio1595.85 1.0272.72 1.2083.82 2.1084.81 2.3179.69 2.4411094.25 2.0191.81 1.4282.82 2.5185.31 2.4581.77 1.6911594.51 2.0385.14 1.1186.23 2.1198.21 1.0281.94 1.9812090.16 1.9894.79 2.5195.33 1.6991.89 2.1280.57 2.462.1.2 预处理温度 当 nTEBACnGLnACH为120.05、反应时间为1 h 和固液质量比为115时,考察预处理温度对甘蔗渣各组分含量和纤维素酶解转化率的影响,结果见表 1 和表 2。从表 1 可以看出,随着预处理温度的上升,残渣回收率逐渐降低,预处理温度为 120 时,残渣回收率为47.02%。由表 2 可知,随着预处理温度的升高,纤维素保留率呈现缓慢下降趋势,从80 时的98.99%略微下降到120 时的93.74%。木质素去除率从 80 的 34.18%逐渐增加到 120 的 86.79%,继续升高温度木质素去除率略有下降。同时,木聚糖损失率从 80 的 33.10%逐渐增加到 120 的94.62%。说明高温条件下木质素的氢键更容易断裂,不仅有利于木质素的去除,而且有利于 DES 溶解木聚糖,使致密的木质纤维素结构变松散,这与相关文献报道是一致的19-20。由表 2 还可知,随着预处理温度的升高,纤维素转化率和葡萄糖得率均呈现上升趋势。这主要是因为木质素和半纤维素在高温下被更多地去除,致密的木质纤维素结构变松散,提高了酶的可及性,同时减少了木质素对酶的吸附。120 下预处理的甘蔗渣酶解 72 h 后的葡萄糖得率为 81.71%,当继续升温至 140 时葡萄糖得率为 83.33%,增加了 1.62 个百分点。但残渣回收率和纤维素保留率降低,综合考虑确定 120 为最佳的预处理温度。2.1.3 预处理时间 当 nTEBACnGLnACH为 120.05、固液质量比为 115 和反应温度为 120 时,考察预处理时间对甘蔗渣各组分含量和纤维素酶解转化率的影响,结果见表 1 和表 2。由表可知,随着预处理时间的增加,残渣回收率变化不大,在42.94%47.22%之间;纤维素保留率在 93.74%95.99%之间;木质素去除率在 86.23%86.93%之间。由此可知,在实验考察的预处理时间范围(90 min)内,预处理时间对于木质纤维素的解离影响较小。由表 2 还可知,随着预处理时间的延长,纤维素转化率呈现先上升,但 90 min 时又略有下降的趋势;葡萄糖得率在 75.38%81.94%之间浮动,整体变化幅度不大。因此,综合考虑,选择 30 min 作为最佳预处理时间进行后续实验。2.1.4 固液质量比 当 nTEBACnGLnACH为 120.05、反应时间为 30 min 和反应温度为 120 时,考察固液质量比对甘蔗渣各组分含量和酶解效率的影响,结果见表 1 和表 2。从表 1 可以看出,预处理过程中三元 DES 占比增多,对残渣回收率没有太大影响,残渣回收率在 42.86%48.20%之间。由表 2 可知,纤维素保留率变化也不大,在 90.16%95.85%之间;木质素去除率从 82.82%逐渐增加到 95.33%,这是因为在相同溶解度下 DES 的增多使得木质素被更多的溶解。从表 2 还可知,不同固液质量比条件下葡萄糖得率基本保持不变,当固液质量比为 115 时,纤维素转化率和葡萄糖得率最高,分别为 98.21%和 81.94%,说明高木质素去除率并不一定能相应地提高葡萄糖得率。因此,综合考虑,选择 1 15 作为最佳固液质量比。140 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷2.2 预处理前后甘蔗渣的分析与表征2.2.1 SEM 分析 甘蔗渣经预处理后的表面形态(见图1)与预处理所用溶剂密切相关,可直观地反映不同溶剂的预处理效果。图 1(a)为未处理的甘蔗渣原料的 SEM 图,可以看到甘蔗渣整个结构为紧密缠结的束状。图 1(b)为使用 ACH 水溶液预处理后的甘蔗渣 SEM 图,可以看到甘蔗渣结构被破坏了,但仍存在较为大块的粗糙边缘,预处理效果并不好。图 1(c)为 nTEBACnGL为 1 2 组成的二元 DES 预处理后甘蔗渣的 SEM 图,可以看到甘蔗渣结构同样被破坏了,但是形成的褶皱和孔洞较少。图 1(d)为nTEBACnGLnACH为 120.05 组成的三元 DES 预处理后甘蔗渣的 SEM 图,可以看出甘蔗渣的木质纤维素结构被破坏,有大量的褶皱和孔洞形成,表面痕迹变得更为细腻,纤维素结构变得疏松,更加有利于酶与暴露的纤维素接触。a.未处理 SCB untreated SCB;预处理甘蔗渣 pretreated SCB:b.ACH;c.nTEBACnGL12;d.nTEBACnGLnACH120.05图 1 甘蔗渣原料和 DES 预处理后甘蔗渣的 SEM 照片Fig.1 SEM images of SCB raw material and DES pretreated SCB2.2.2 FT-IR 分析 图2(a)为甘蔗渣预处理前后的红外光谱图,其中3 400 cm-1为OH 伸缩振动峰、2 900 cm-1为 CH 伸缩振动峰,1 727 cm-1为 C=O 伸缩振动峰,是半纤维特征吸收峰,预处理后甘蔗渣在 1 727 cm-1处特征峰明显减弱,说明半纤维素被大量去除。1 511 cm-1为芳环的骨架振动,经三元DES 预处理的甘蔗渣1 511 cm-1处芳环特征峰几乎完全消失,表明木质素得到有效脱除。1 380 cm-1为木聚糖的 CO 或者OH 弯曲振动峰,1 233 cm-1为木质素和半纤维素的 CO 伸缩振动峰,可以看出,经过 DES 预处理后这些木质素和半纤维素的特征峰明显减弱甚至消失,表明经过 DES 预处理后木质素和半纤维素得到有效脱除。因此,从红外图谱可以得出,nTEBACnGLnACH为 120.05 组成的苄基型三元 DES 能够有效打破木质纤维素之间化学键,去除木质素和半纤维素。1.未处理 SCB untreated SCB;预处理甘蔗渣 pretreated SCB:2.ACH;3.nTEBACnGL12;4.nTEBACnGLnACH120.05图 2 甘蔗渣原料及 DES 预处理后甘蔗渣的 FT-IR(a)和 XRD(b)Fig.2 FT-IR(a)and XRD(b)spectra of SCB raw material and DES pretreated SCB2.2.3 XRD 分析 图 2(b)为 DES 预处理前后甘蔗渣的 XRD 图。由图可知,预处理前后 2 为 16.3、22.7和 34.9附近都出现 I 型纤维素结晶的特征吸收峰。预处理前后甘蔗渣样品具有相似的 XRD 谱图,说明经过 DES 预处理前后的甘蔗渣中纤维素的晶型并未改变。经过 nTEBACnGLnACH为 120.05 的DES 预处理后甘蔗渣纤维素的结晶度从未处理的 41.19%增加至 65.87%,这是因为甘蔗渣中半纤维素和无定型纤维素发生降解,从而使得预处理后的甘蔗渣结晶度升高。对比不同溶剂的预处理效果,发现第 2 期陶顺辉,等:三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究141 经 ACH 水溶液预处理后甘蔗渣的纤维素结晶度只从未处理的41.19%提升到48.58%;经 nTEBACnGL为12的 DES 预处理后甘蔗渣的纤维素结晶度从未处理的 41.19%提升到 52.14%,说明只加入 ACH 和nTEBACnGL为12 的二元 DES 预处理的效果明显差于nTEBACnGLnACH为 120.05 的三元 DES。XRD 分析呈现的结构变化与表 1 结果相一致。2.3 DES 重复使用性能分析为了进一步验证三元 DES 是否为一种绿色、经济、可循环使用的木质纤维素预处理溶剂。将nTEBACnGLnACH为 120.05 的 DES 进行回收利用。在预处理时间为 30 min、预处理温度为 120 和固液质量比为 115 的反应条件下,考察了 DES 经 5 次重复循环利用性能,并将每次得到的富含纤维素的图 3 使用次数对 DES 预处理效果的影响Fig.3 Effect of reuses number onDES pretreatment固体进行酶解,结果见图 3。由图可知,随着 DES 使用次数的增加,纤维素转化率和葡萄糖得率逐渐降低,使用 5次后纤维素转化率由98.21%下降到92.36%,葡萄糖得率由 81.94%下降到 74.45%。纤维素转化率和葡萄糖得率逐渐下降的原因在于:当 DES 使用次数逐渐增加时,半纤维素和纤维素分解产生的羧酸以及木质素分解产生的酚类化合物会逐渐累积在 DES 溶液中,造成 DES 预处理效果逐渐下降。虽然随着重复利用次数增加预处理效果会逐渐下降,但是 DES 经过5 次循环利用之后,纤维素转化率和葡萄糖得率仍然能够达到 92.36%和 74.45%,这表明制备的三元 DES 的重复利用效果较好,能有效降低化学品的消耗,用于预处理甘蔗渣在降低成本和可回收利用性方面具有巨大的潜力。3 结 论3.1 探究了三元 DES 预处理条件对甘蔗渣预处理效果的影响,结果表明:最佳预处理条件为nTEBACnGLnACH为 120.05、预处理时间 30 min、预处理温度 120、固液质量比 115(gg)。在此预处理条件下,木质素去除率达到(86.23 2.11)%,纤维素保留率为(94.51 2.03)%;酶解纤维素转化率达到(98.21 1.02)%,相较于未处理甘蔗渣提高了2 倍,葡萄糖得率高达(81.94 1.98)%,提高了1.5 倍。3.2 SEM、FT-IR 和 XRD 分析结果表明:三元 DES 能够高效去除甘蔗渣中木质素和半纤维素,使甘蔗渣紧密缠绕的束状结构被破坏,纤维素的结晶度从未处理的 41.19%升高至处理后的 65.87%。3.3 对三元 DES 进行了重复使用性能分析,结果发现:经过 5 次循环使用后 DES 预处理甘蔗渣的纤维素转化率由(98.21 1.02)%下降到(92.36 1.64)%,葡萄糖得率由(81.94 1.98)%下降到(74.45 1.12)%,5 次循环使用后 DES 依然具有较好的预处理效果。参考文献:1LIU Y,ZHENG X J,TAO S H,et al.Process optimization for deep eutectic solvent pretreatment and enzymatic hydrolysis of sugar cane bagassefor cellulosic ethanol fermentationJ.Renewable Energy,2021,177:259-267.2GALBE M,WALLBERG O.Pretreatment for biorefineries:A review of common methods for efficient utilisation of lignocellulosic materialsJ/OL.Biotechnology for Biofuels,2019,12(1):2942021-12-26.https:doi.org/10.1186/s13068-019-1634-1.3CANETTIERI E V,DE MORAES ROCH G J,DE CARVALHO J A,et al.Optimization of acid hydrolysis from the hemicellulosic fraction ofEucalyptus grandis residue using response surface methodologyJ.Bioresource Technology,2007,98(2):422-428.4LIN X Q,