Bioresource Technology：通过酸/戊醇预处理实现木质纤维素一步分馏——提高葡萄糖和木质素得率并高效回收戊醇

背景介绍

木质纤维素生物质的生物炼制(LCB)旨在基于主要由分馏和连续转化程序组成的综合技术生产生物燃料、生物材料和生化制品。LCB通常包括四个主要步骤：预处理、酶解、发酵和蒸馏。其中预处理是分离植物细胞壁和增强纤维素酶吸附到纤维素上的最关键步骤。因此，生物炼制效率高度依赖于有效的预处理，这是LCB转化过程中最耗能的步骤。许多预处理技术包括水热(液体热水、蒸汽爆破)、化学(酸和碱)试剂、有机溶剂和深度共晶溶剂(DES)已经被开发用于LCB分馏。在这些预处理中，稀硫酸(DA)预处理是工业规模中使用最为广泛的。然而，由于预处理过程中残余木质素的凝结，使用这种预处理的酶解效率通常较低。

为克服上述问题，已经提出了包含不可混合的有机相和液相的双相反应系统。在该系统中，有机相和液相分别包含溶解的半纤维素和木质素。将木质素优先的生物质分解与双相预处理相结合，可以在LCB分馏过程中实现木质素解聚/改性，同时还可减少木质素再利用处理步骤。基于此，江苏大学Zahoor团队提出了一种新的DA/戊醇双相溶剂预处理方法，可实现对木质纤维素的高效分离。在不同戊醇浓度和温度下，用DA/戊醇双相溶剂体系预处理的杨木可被分为三相：溶有木质素的有机相、溶有戊糖的液相以及保留在固体残余物中的纤维素。同时，双相溶剂体系中的戊醇在四次循环后仍可保持84%的回收率。

图文解读

Fig. 2. Extraction of lignin (a), xylan (b), arabinan (c), and cellulose degradation (d) by DA/pentanol pretreatment under different incubation conditions.

木质素、木聚糖、阿拉伯聚糖和纤维素降解的去除率如Fig. 2所示。在不同预处理温度下，木素去除率均随戊醇浓度的增加而有规律地提高，在温度为160℃，戊醇浓度为60%(w/v)和80%(w/v)时，木素去除率最高，可达85%(Fig. 2a)。不同于木质素去除率随戊醇浓度的提高而逐步增加，木聚糖和阿拉伯聚糖的去除率在一开始便急剧增加，此后，提高戊醇浓度，其去除率提升幅度明显变缓，这表明半纤维素在较低的预处理条件下便可被简单地提取(Fig. 2b-c)，即添加20%(w/v)的戊醇，便可使半纤维素的去除率达到较高水平。此外，在所有预处理条件下，纤维素的降解率均小于10%，这表明超过90%的纤维素被保留在固体残渣中(Fig. 2d)。在最佳预处理条件下(160℃和60%戊醇)，85%的木质素和91%的半纤维素分别溶解在有机相和液相中，91.1%的纤维素保留在固体残渣中。

作者使用15 FPU/g纤维素酶对10%未处理的木质纤维素和预处理后的固体残渣(160℃，不同戊醇浓度)进行酶水解。由于纤维素可及性差，未处理的木质纤维素在水解72h后仍显示出低于15%的极低的葡萄糖得率。而预处理后的固体残渣在戊醇浓度为20%(w/v)、40%(w/v)、60%(w/v)和80%(w/v)下，其葡萄糖得率分别为58%、71%、96%和92%(Fig. 3a)。作者还通过DA、DA与其他溶剂体系、DA/戊醇溶剂体系对纤维素的酶解效果的对比，评估了戊醇在木质纤维素分馏中的潜力。如图Fig. 3b所示，DA/戊醇溶剂体系预处理后的葡萄糖得率分别是DA、DA/乙醇和DA/二氧六环的3.3倍、1.92倍和1.74倍。DA、DA/乙醇和DA/二氧六环预处理后葡萄糖得率较低是因为固体残渣中非纤维素部分(特别是木质素)的含量较高，因而导致纤维素的可及性较低。虽然使用DA/丁醇溶剂体系预处理后的葡萄糖得率可达82%，但仍比DA/戊醇低约14%。

Fig. 3. Glucose yield after DA/pentanol pretreatment (160 ℃ and different pentanol concentrations) (a). Comparison of enzymatic hydrolysis of pretreated residues from various solvent systems: DA/pentanol, DA/ethanol, DA/dioxane, DA/butanol. The temperature, time, and solvents concentration were at 160 ℃, 60 min, and 60%, respectively (b).

通过对DA/戊醇双相溶剂体系中戊醇回收效果的研究，评估了该体系在工业LCB中的经济效益。在该体系中，戊醇的回收利用可提高经济可行性，降低该工艺的总体成本。此外，它将最大限度地减少该过程的环境足迹和生命周期影响，使其更具可持续性。使用真空旋转蒸发仪即可从双相馏分中回收戊醇，并在相同条件下重新用于木质纤维素的预处理。经四次循环后的最高回收率分别为97%、94%、87%和84%(Fig. 4a)。由于实验室条件下的蒸馏过程以及戊醇的水溶性，戊醇不可避免的存在重量损失。当在工业生产中实施时，戊醇的重量损失可以被有效减少。作者还评估了回收后的戊醇对纤维素酶解和木质素脱除的影响(Fig. 4b)。新鲜戊醇获得约94%的纤维素消化率，在四次循环中，葡萄糖得率分别由初始的94%降低到90%、86%、82%和81%。与之类似，木质素去除率在前两次循环后分别为80%和78%，在第三次和第四次循环中降低到了71%左右。这可能归因于葡萄糖和木质素在戊醇中的溶解以及戊醇结构的改变，故而降低了回收戊醇进一步用于预处理的效率。值得一提的是，由于戊醇的回收条件为70 ℃和0.1 MPa，远低于硫酸蒸发条件，因此回收的戊醇不含硫酸。

Fig. 4. Effect of recycling time on recycled yield of pentanol solvent (a), and effect of recycled pentanol on glucose yield and delignification (b).

此外，作者还通过FT-IR、GPC、2D-HSQC和³¹P NMR对分离的木质素的物理化学性质进行了详尽的研究，发现获得的木质素分子量适中，纯度高，含有大量的酚羟基，且β-O-4键被有效保留，利于进一步改性应用。

总结与展望

作者针对木质纤维素生物质的生物炼制中最关键的预处理步骤，提出了一种新的DA/戊醇双相溶剂预处理方法。在最佳预处理条件下[160℃，60%(w/v)戊醇]，溶解在有机相和液相中的木质素和半纤维素分别可达85%和91%，保留在固体残渣中的纤维素可达91.1%。预处理后的木质纤维素的葡萄糖得率较未预处理前高约6.4倍。经四次循环后，戊醇回收率仍高达84%。DA/戊醇双相溶剂预处理是一种有前途的木质纤维素生物炼制技术。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127503

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