1、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.
2、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
3、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
4、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 Eut
5、ectic 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,
6、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 triethylb
7、enzyl 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 rati
8、o 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
9、 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
10、 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 p
11、retreatment 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
12、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、
13、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
14、/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
15、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 SC
16、B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
