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[1]贾昭炎,王成成,曹春晖,等.深度共熔溶剂预处理木质纤维素研究进展[J].江苏农业科学,2022,50(20):77-85.
　Jia Zhaoyan,et al.Research progress on pretreatment of lignocellulose with deep eutectic solvent[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2022,50(20):77-85.
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深度共熔溶剂预处理木质纤维素研究进展(PDF)
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《江苏农业科学》[ISSN:1002-1302/CN:32-1214/S]

卷:
第50卷
期数:
2022年第20期
页码:
77-85
栏目:
专论与综述
出版日期:
2022-10-20

文章信息/Info

Title:
Research progress on pretreatment of lignocellulose with deep eutectic solvent
作者:
贾昭炎1; 2; 王成成1; 2; 曹春晖1; 2; 刘洋1; 2; 奚永兰2; 刘明庆3
1.江苏大学农业工程学院，江苏镇江 212013 ；2.江苏省农业科学院，江苏南京 210014；3.生态环境部南京环境科学研究所，江苏南京 210042
Author(s):
Jia Zhaoyan; et al
关键词:
共熔溶剂; 木质纤维素; 生物质; 预处理; DES
Keywords:
-
分类号:
TQ353.1
DOI:
-
文献标志码:
A
摘要:
木质纤维素是自然界含量丰富的可再生能源，可转化为生物燃料及其他化工产品，有望代替传统化石燃料，助力碳达峰。但木质纤维素拥有复杂的化学结构，在合理利用前需进行预处理。传统预处理方法存在工艺复杂、成本高等问题。而深度共熔溶剂(DES)作为一种新型的预处理生物质溶剂，在生物质分离方面具有巨大潜力，已得到众多科研工作者认可。本文综述了DES预处理木质纤维素相关研究，对DES进行了详细介绍及分类，根据化学组成将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型4种类型的DES。阐明了DES预处理木质纤维素三大组分(木质素、半纤维素、纤维素)的作用机制。并分别对DES预处理木质纤维素三大组分的研究进展进行了总结。在去除木质素时，采用酸度较强的物质作为氢键供体(HBD)制备DES或者选用羧基、胺/酰胺基类DES对木质素的去除效果会更好。另外，相较于纯DES，加水会降低DES的黏度，有利于木质素的溶解。但过量的水会降低DES中氢键的数量，反而不利于木质素的溶解。关于DES分离半纤维素的研究目前大多数集中于预处理条件优化等方面，众多研究表明，以氯化胆碱为氢键受体(HBA)的DES去除半纤维素能力更强。通常情况下，DES在分离三大组分时都希望减少纤维素的溶解，提高半纤维素和木质素的去除率。但也有很多学者进行了提高纤维素在DES中溶解度的研究，然而提升效果并不明显。本文还分析了摩尔比、DES类型和反应温度等因素对预处理效果的影响。众多研究表明，当改变HBD/HBA的摩尔比时，DES预处理效果也各不相同。DES类型和反应温度也会影响木质纤维素的预处理效果。当HBD均为多元醇时，对木质素的去除率为丙二醇>乙二醇>丙三醇。在一定温度范围内，温度提高可获得较好的预处理效果及提高糖收率，但过高的温度会造成较大的糖损失。最后还针对DES存在的问题，对DES的有效设计及未来大规模应用和经济效益前景进行了展望。
Abstract:
-

参考文献/References:

［1］安艳霞，洪元芳，董艳梅，等. 深度共熔溶剂提取木质素及其构效关系研究进展［J］. 河南农业大学学报，2021，55(6)：1002-1011，1020.
［2］Agrawal R，Gaur R，Mathur A，et al. Improved saccharification of pilot-scale acid pretreated wheat straw by exploiting the synergistic behavior of lignocellulose degrading enzymes［J］. RSC Advances，2015，5(87)：71462-71471.
［3］Hou X D，Li A L，Lin K P，et al. Insight into the structure-function relationships of deep eutectic solvents during rice straw pretreatment［J］. Bioresource Technology，2018，249：261-267.
［4］汪心娉，余璟，朱瑞琦，等. 低共熔溶剂选择性溶解木质纤维原料的研究进展［J］. 中国造纸学报，2021，36(2)：79-86.
［5］许凤，程鹏，郭宗伟，等. 低共熔溶剂木质素的分离及结构性质研究进展［J］. 北京林业大学学报，2021，43(4)：158-168.
［6］竹源，齐本坤，梁欣泉，等. 有机酸及多元醇类低共熔溶剂预处理木质纤维素研究进展［J］. 应用化工，2021，50(10)：2786-2790，2796.
［7］Juneidi I，Hayyan M，Hashim M A，et al. Pure and aqueous deep eutectic solvents for a lipase-catalysed hydrolysis reaction［J］. Biochemical Engineering Journal，2017，117：129-138.
［8］陈龙，余强，庄新姝，等. 木质纤维素类生物质组分分离研究进展［J］. 新能源进展，2017，5(6)：450-456.
［9］马若腾，张庆，张莉莉，等. 低共熔溶剂体系下木质纤维素的功能化改性及应用研究进展［J］. 复合材料学报，2021，38(10)：3171-3183.
［10］苏秀茹，傅英娟，李宗全，等. 木质素的分离提取与高值化应用研究进展［J］. 大连工业大学学报，2021，40(2)：107-115.
［11］Abbott A P，Capper G，Davies D L，et al. Novel solvent properties of choline chloride/urea mixtures［J］. Chemical Communications，2003(1)：70-71.
［12］Xu G C，Ding J C，Han R Z，et al. Enhancing cellulose accessibility of corn stover by deep eutectic solvent pretreatment for butanol fermentation［J］. Bioresource Technology，2016，203：364-369.
［13］Carrión-Prieto P，Martín-Ramos P，Hernández-Navarro S，et al. Furfural，5-HMF，acid-soluble lignin and sugar contents in C.ladanifer and E.arborea lignocellulosic biomass hydrolysates obtained from microwave-assisted treatments in different solvents［J］. Biomass and Bioenergy，2018，119：135-143.
［14］Wang Z K，Shen X J，Chen J J，et al. Lignocellulose fractionation into furfural and glucose by AlCl3-catalyzed DES/MIBK biphasic pretreatment［J］. International Journal of Biological Macromolecules，2018，117：1-57.
［15］陈佳宁，王慧，刘慰，等. 木质纤维素的酸催化精炼研究进展［J］. 中国造纸，2021，40(8)：75-82.
［16］董艳梅，安艳霞，马阳阳，等. 深度共熔溶剂预处理木质纤维素生物质研究进展［J］. 化工进展，2021，40(3)：1594-1603.
［17］王冬梅，刘云. 低共熔溶剂(DES)分级分离木质纤维素组分新技术［J］. 北京化工大学学报(自然科学版)，2018，45(6)：40-47.
［18］Ling Z，Tang W，Su Y，et al. Promoting enzymatic hydrolysis of aggregated bamboo crystalline cellulose by fast microwave-assisted dicarboxylic acid deep eutectic solvents pretreatments［J］. Bioresource Technology，2021，333：125122.
［19］Yu Q，Zhuang X S，Yuan Z H，et al. Pretreatment of sugarcane bagasse with liquid hot water and aqueous ammonia［J］. Bioresource Technology，2013，144：210-215.
［20］孙付保，娄秀平，杨玉春，等. 木质纤维素原料的高沸点有机溶剂预处理［J］. 中国酿造，2011，30(12)：23-27.
［21］Liu Y Z，Guo B T，Xia Q Q，et al. Efficient cleavage of strong hydrogen bonds in cotton by deep eutectic solvents and facile fabrication of cellulose nanocrystals in high yields［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2017，5(9)：7623-7631.
［22］Alvarez-Vasco C，Ma R S，Quintero M，et al. Unique low-molecular-weight lignin with high purity extracted from wood by deep eutectic solvents (DES)：a source of lignin for valorization［J］. Green Chemistry，2016，18(19)：5133-5141.
［23］Chen Z，Sun Y S，Wan C X. Effects of alkaline hydrogen peroxide treatment on cellulose accessibility of switchgrass pretreated by acidic deep eutectic solvent［J］. Cellulose，2019，26(18)：9439-9446.
［24］Tang B K，Row K H. Recent developments in deep eutectic solvents in chemical sciences［J］. Chemical Monthly，2013，144(10)：1427-1454.
［25］Zhou X L，Huang T J，Liu J，et al. Recyclable deep eutectic solvent coupling sodium hydroxide post-treatment for boosting woody/herbaceous biomass conversion at mild condition［J］. Bioresource Technology，2021，320：124327.
［26］Zhang C W，Xia S Q，Ma P S. Facil pretreatment of lignocellulosic biomass using deep enteetic solvents［J］. Bioresourse Technology，2016，219：78-95.
［27］Hou X D，Lin K P，Li A L，et al. Effect of constituents molar ratios of deep eutectic solvents on rice straw fractionation efficiency and the micro-mechanism investigation［J］. Industrial Crops and Products，2018，120：322-329.
［28］Sirvi J A，Visanko M，Liimatainen H. Acidic deep eutectic solvents as hydrolytic media for cellulose nanocrystal production［J］. Biomacromolecules，2016，17(9)：3025-3032.
［29］廖可瑜，吴美燕，刘超，等. 低共熔溶剂在纳米纤维素制备中的应用和研究进展［J］. 中国造纸，2020，39(2)：65-72.
［30］张肖肖，娄瑞，董继先，等. 深度共熔溶剂在生物质精炼过程中的应用［J］. 纸和造纸，2019，38(3)：20-25.
［31］Gao J，Chen C L，Lin Y P，et al. Enhanced enzymatic hydrolysis of rice straw via pretreatment with deep eutectic solvents-based microemulsions［J］. Bioresource Technology Reports，2020，10：100404.
［32］Hong S，Yuan Y，Zhang K T，et al. Efficient hydrolysis of chitin in a deep eutectic solvent synergism for production of chitin nanocrystals［J］. Nanomaterials，2020，10(5)：869-882.
［33］Huang C，Zhan Y N，Cheng J Y，et al. Facilitating enzymatic hydrolysis with a novel guaiacol-based deep eutectic solvent pretreatment［J］. Bioresource Technology，2021，326：124696.
［34］刘仲洋，谭丽萍，刘同军. 低共熔溶剂体系促进木质纤维素酶解效率的研究进展［J］. 齐鲁工业大学学报，2020，34(2)：5-12.
［35］Huang C X，He J，Min D Y，et al. Understanding the nonproductive enzyme adsorption and physicochemical properties of residual lignins in moso bamboo pretreated with sulfuric acid and kraft pulping［J］. Applied Biochemistry and Biotechnology，2016，180(8)：1508-1523.
［36］Song Y L，Chandra R P，Zhang X，et al. Non-productive celluase binding onto deep eutectic solvent (DES) extracted lignin from willow and corn stover with inhibitory effects on enzymatic hydrolysis of cellulose［J］. Carbohydrate Polymers，2020，250(21)：116956.
［37］刘钧，王菊，岳莺莺，等. 深度共熔溶剂对尾叶桉木质素的溶解选择性［J］. 精细化工，2016，33(11)：1287-1294.
［38］洪元芳，董艳梅，安艳霞，等. 深度共熔溶剂预处理对木质纤维素生物质作用机制的研究进展［J］. 新能源进展，2020，8(6)：533-540.
［39］Francisco M，van den Bruinhorst A，Kroom M C. New natyral and renewable low transition temperature mixture(LTTMs)：screening as solvents for lignocellulosic biomas processing［J］. Green Chemistry，2012，14(8)：2153-2157.
［40］Francisco M，van den Bruinhorst A，Kroon M C.Low-transition-temperature mixtures (LTTMs)：a new generation of designer solvents［J］. Angewandte Chemie，2013，52(11)：3074-3085.
［41］Jablonsk M，kulcová A B，Kamenská L，et al. Deep eutectic solvents：fractionation of wheat straw［J］. BioResources，2015，10(4)：8039-8047.
［42］Kohli K，Katuwal S，Biswas A，et al. Effective delignification of lignocellulosic biomass by microwave assisted deep eutectic solvents［J］. Bioresource Technology，2020，303：122897.
［43］Procentese A，Johnson E，Orr V，et al. Deep eutectic solvent pretreatment and subsequent saccharification of corncob［J］. Bioresource Technology，2015，192：31-36.
［44］Kumar A K，Parikh B S，Pravakar M. Natural deep eutectic solvent mediated pretreatment of rice straw：bioanalytical characterization of lignin extract and enzymatic hydrolysis of pretreated biomass residue［J］. Environmental Science and Pollution Research International，2016，23(10)：9265-9275.
［45］New E K，Wu T Y，Tien Loong Lee C B，et al. Potential use of pure and diluted choline chloride-based deep eutectic solvent in delignification of oil palm fronds［J］. Process Safety and Environmental Protection，2019，123：190-198.
［46］Hu S L，Meng F，Huang D T，et al. Hydrolysis of corn stover pretreated by DESs with carbon-based solid acid catalyst［J］. SN Applied Sciences，2020，2(7)：1-12.
［47］鲁俊良，郞金燕，杨鸿燕，等. 深度共熔溶剂分离生物质资源提取纤维素的研究进展［J］. 中国造纸学报，2020，35(1)：66-71.
［48］Hou X D，Feng G J，Ye M，et al. Significantly enhanced enzymatic hydrolysis of rice straw via a high-performance two-stage deep eutectic solvents synergistic pretreatment［J］. Bioresource Technology，2017，238：139-146.
［49］Ji Q H，Yu X J，Yagoub A E G A，et al. Efficient cleavage of strong hydrogen bonds in sugarcane bagasse by ternary acidic deep eutectic solvent and ultrasonication to facile fabrication of cellulose nanofibers［J］. Cellulose，2021，28(10)：6159-6182.
［50］Lynam J G，Kumar N，Wong M J. Deep eutectic solvents ability to solubilize lignin，cellulose，and hemicellulose；thermal stability；and density［J］. Bioresource Technology，2017，238：684-689.
［51］Wang Z K，Li H Y，Lin X C，et al. Novel recyclable deep eutectic solvent boost biomass pretreatment for enzymatic hydrolysis［J］. Bioresource Technology，2020，307：123237.
［52］钟磊，王超，吕高金，等. 低共熔溶剂在木质素分离方面的研究进展［J］. 林产化学与工业，2020，40(3)：12-22.
［53］常杰，刘钧，郭姝君，等. 新型深度共熔溶剂选择性分离木质素的研究［J］. 华南理工大学学报(自然科学版)，2016，44(6)：14-20，26.
［54］徐环斐，彭建军，孔毅，等. DES在木质纤维素类生物质预处理领域的研究进展［J］. 中华纸业，2020，41(8)：22-29.
［55］Sharma M，Mukesh C，Mondal D，et al. Dissolution of α-chitin in deep eutectic solvents［J］. RSC Advances，2013，3(39)：18149-18155.
［56］Li A L，Hou X D，Lin K P，et al. Rice straw pretreatment using deep eutectic solvents with different constituents molar ratios：Biomass fractionation，polysaccharides enzymatic digestion and solvent reuse［J］. Journal of Bioscience and Bioengineering，2018，126(3)：346-354.
［57］Okur M，Eslek Koyuncu D D. Investigation of pretreatment parameters in the delignification of paddy husks with deep eutectic solvents［J］. Biomass and Bioenergy，2020，142：105811.
［58］Chen Z，Jacoby W A，Wan C X. Ternary deep eutectic solvents for effective biomass deconstruction at high solids and low enzyme loadings［J］. Bioresource Technology，2019，279：281-286.
［59］Thi S，Lee K M. Comparison of deep eutectic solvents (DES) on pretreatment of oil palm empty fruit bunch (OPEFB)：cellulose digestibility，structural and morphology changes［J］. Bioresource Technology，2019，282：525-529.
［60］Guo Z W，Ling Z，Wang C，et al. Integration of facile deep eutectic solvents pretreatment for enhanced enzymatic hydrolysis and lignin valorization from industrial xylose residue［J］. Bioresource Technology，2018，265：334-339.
［61］Ji Q H，Yu X J，Yagoub A E G，et al. Synergism of sweeping frequency ultrasound and deep eutectic solvents pretreatment for fractionation of sugarcane bagasse and enhancing enzymatic hydrolysis［J］. Ultrasonics Sonochemistry，2021，73：105470.
［62］Hossain M A，Rahaman M S，Yelle D，et al. Effects of polyol-based deep eutectic solvents on the efficiency of rice straw enzymatic hydrolysis［J］. Industrial Crops and Products，2021，167：113480-113490.

相似文献/References:

[1]乐易林,倪黎,郭星星,等.嗜热菌乙醇代谢途径研究进展[J].江苏农业科学,2016,44(11):22.
　Le Yilin,et al.Research progress of ethanol metabolic pathway of thermophilic microorganisms[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2016,44(20):22.
[2]何水清,艾士奇,王建豪,等.木质纤维素分解复合菌系的分解特性与细菌组成多样性分析[J].江苏农业科学,2017,45(16):241.
　He Shuiqing,et al.Decomposition characteristics and bacteria composition diversity analysis of Lignocellulose-decomposing complex strain[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2017,45(20):241.
[3]何士成,彭太兵,孙曼钰,等.碱处理中温度对不同底物特性木质纤维素结构及酶解的影响[J].江苏农业科学,2017,45(21):292.
　He Shicheng,et al.Effects of temperature on structure and enzymatic hydrolysis of lignocellulose with different substrate properties under alkali pretreatment[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2017,45(20):292.
[4]孙曼钰,彭太兵,何士成,等.联合生物加工木质纤维素生产生物乙醇的研究进展[J].江苏农业科学,2018,46(08):5.
　Sun Manyu,et al.Research progress on bioethanol production by consolidated bioprocessing(CBP) of lignocellulose[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2018,46(20):5.
[5]吴桐,贾锐鱼,路强强,等.白腐菌在木质纤维素酶解中的研究进展[J].江苏农业科学,2021,49(5):38.
　Wu Tong,et al.Research progress of white rot fungi in enzymatic hydrolysis of lignocellulose[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2021,49(20):38.
[6]高付来,田如意,何寻阳,等.木质素高效降解复合菌群构建及其降解效果[J].江苏农业科学,2024,52(24):233.
　Gao Fulai,et al.Construction of efficient lignin degrading composite microbial community and its degradation effect[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2024,52(20):233.

备注/Memo

备注/Memo:
收稿日期：2021-11-24
基金项目：江苏省自然科学基金(编号：BK20201242)；国家重点研发计划(编号：2018YFD1100600)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(编号：GYZX210514)。
作者简介：贾昭炎(1997—)，男，河南濮阳人，硕士研究生，从事农业废弃物资源化利用研究。E-mail：2212016017@stmail.ujs.edu.cn。
通信作者：刘明庆，硕士，工程师，主要从事农业农村污染防治。E-mail：lmq@nies.org。
更新日期/Last Update: 2022-10-20