路易斯酸介导的氯化胆碱-甘油深共晶溶剂预处理对枸杞枝条的处理：提升酶法糖化效率及木质素的高值化利用

枸杞枝通过深共熔溶剂结合Lewis酸预处理显著提升酶解效率，AlCl3体系实现90.26%木质素和85.65%半纤维素去除率，再生木质素粒径均匀且抗氧化活性优异（IC50=28.36 μg/mL）。

　　

Bingxue Sun|Huaitao Jiang|Guan-Ping Jin|Shi-Kui Han|Bolin Liu|Xiaoli Ge|Xiaoyou Xiu|Biaode Yang

中国安徽省合肥工业大学化学与化学工程学院可控化学反应与材料化学工程重点实验室，合肥，230009

摘要

木质纤维素的固有顽固性主要源于木质素的物理屏障，这限制了纤维素的可利用性，严重影响了生物精炼的效率。将路易斯酸引入深共晶溶剂（DES）中，通过协同酸水解和金属配位作用来有效去除木质素，从而克服这一障碍。本研究系统地探讨了使用基于氯化胆碱/甘油（ChCl/Gly）的DES体系结合不同路易斯酸对枸杞枝条（GB）的预处理方法，旨在提高酶法糖化效率并实现木质素的增值利用。结果表明，增加路易斯酸的摩尔比显著提高了木质素的去除效率。在相同的摩尔比下，木质素去除效果依次为：AlCl₃ > FeCl₃ > CuCl₂。这一趋势归因于AlCl₃更强的电子吸引能力，使其能够更有效地破坏氢键网络。在最佳条件下（ChCl:Gly:AlCl₃ = 1:2:0.03），木质素和半纤维素的去除率分别达到90.26%和85.65%。相应地，预处理后的底物的酶法糖化效率从38.04%（原始GB）显著提高至93.39%。此外，再生的木质素具有均匀的亚微米颗粒大小（约230纳米）和强大的抗氧化活性（IC₅₀ = 28.36 μg/mL）。结合FTIR和2D-HSQC NMR分析进一步阐明了路易斯酸在预处理过程中介导的木质素解聚机制。因此，本研究为木质纤维素的生物精炼和木质素增值利用提供了一种绿色且可行的策略，有助于生物量的可持续转化。

引言

化石燃料的不可再生消耗及其引发的环境危机使得开发可再生资源成为可持续发展的关键[1,2]。在这种情况下，生物质能源因其环保性、可再生性、丰富性和经济性而成为化石燃料的重要替代品，成为未来低碳生物精炼产业的基石[3,4]。枸杞（Lycium）是一种具有药用和食用价值的多年生木本植物，在中国西北部尤其是青海和宁夏广泛种植。栽培过程中的常规修剪会产生大量的木质纤维素枝条废弃物。目前，这些枝条通常被丢弃或直接焚烧，不仅浪费了生物质资源，还释放了有害气体，加剧了环境污染。值得注意的是，枸杞枝条富含木质纤维素，使其成为生物精炼的理想原料。因此，高效利用这些枝条对于减轻环境压力和延长枸杞产业的价值链至关重要。然而，木质纤维素生物质的转化效率受到其固有顽固性的限制，这主要归因于木质素-碳水化合物复合物（LCC）。在该复合物中，木质素、纤维素和半纤维素通过强共价键和氢键紧密连接，大大降低了分离效率[5]。因此，开发高效且环境友好的预处理方法以破坏这种顽固结构对于枸杞枝条等木质纤维素原料的增值利用至关重要。

已经研究了多种预处理方法来破解木质纤维素生物质的顽固性，包括物理方法（如机械研磨、超声波处理）、化学方法（如酸/碱水解）、生物方法（如酶处理）以及组合方法[6,7]。然而，传统技术往往存在能耗高、效率低、环境污染和设备腐蚀等固有缺陷，这些因素限制了它们的工业化应用。相比之下，深共晶溶剂（DES）由氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）组成，成为可持续预处理的理想绿色溶剂[8]。DES具有多种优良特性，如结构可调性、合成简便性、生物相容性和在分离木质纤维素组分方面的有效性[9,10]。先前的研究证实，DES能够选择性地断裂木质素中的关键键合（如β-O-4醚键、酯键），有效破坏其交联网络，从而提高后续酶水解的效率[11]。在DES组分中，氯化胆碱（ChCl）因其可生物降解性、低毒性和商业可获得性而被广泛用作HBA[12]。甘油（Gly）作为一种典型的多元醇HBD，可以提高DES的水稳定性，同时保持生物相容性和经济性。然而，像ChCl/Gly这样的中性二元DES体系往往缺乏足够的酸性来有效断裂木质素中的强共价键，导致分离效果不佳[13,14]。为克服这一限制，引入第三组分作为催化剂或共溶剂已被证明是一种可行的策略。例如，Tang等人报告称，在100°C下加入3 wt%的H₂SO₄后，40分钟内木质素去除率达到50.3%[15]；Chen等人则证明，将AlCl₃加入ChCl/Gly体系中后，玉米秸秆中的木质素去除率从35.3%提高到57.9%，酶法消化率从26.3%提高到87.0%[16]。这些改进通常归因于第三组分的三大作用：降低DES的粘度、提高木质素的溶解度以及提供额外的酸性位点。路易斯酸（如AlCl₃、FeCl₃和CuCl₂）因能选择性地催化木质素和半纤维素的降解而受到关注，其酸性强弱是催化效率的关键决定因素[17,18]。然而，以往的研究主要集中在单一路易斯酸或固定浓度上，对其联合效应的理解有限。特别是不同强度和混合比例的路易斯酸之间的协同作用，以及预处理参数对再生木质素物理化学性质和增值潜力的影响，仍需进一步探索。为解决这些问题，本研究将不同酸强度的路易斯酸（AlCl₃、FeCl₃和CuCl₂）引入ChCl/Gly DES体系中，通过增加酸性位点的密度并精确调节体系内的酸强度，实现了木质纤维素的有效分离。

本研究采用基于ChCl/Gly的三元DES体系对枸杞枝条进行预处理，并加入不同摩尔比的AlCl₃、FeCl₃或CuCl₂。该策略旨在选择性分离木质素和半纤维素，同时保留纤维素组分，从而提高酶法糖化效率。通过详细的成分分析和固体残留物的结构表征评估了预处理效果。此外，还全面研究了再生木质素的物理化学性质，包括颗粒大小分布、通过2D-HSQC NMR光谱的结构解析以及抗氧化活性，以评估其高价值应用的潜力。通过阐明路易斯酸介导的分离机制，本研究为木质纤维素生物质的工业增值利用提供了理论见解和实践途径。

材料

本研究使用的枸杞枝条来自中国青海省。干燥后，原料经过研磨并通过60-80目筛网筛选，然后用甲苯/乙醇（2:1, v/v）进行6小时的索氏提取。提取后，残留固体干燥并储存在密封干燥器中。纤维素酶（Cellic CTec2）购自Sigma-Aldrich（上海，中国）。其他所有化学品均为分析级，购自中国国家

化学成分分析

将三种路易斯酸（AlCl₃、FeCl₃和CuCl₂以不同摩尔比加入ChCl/Gly DES体系中用于枸杞枝条的预处理。预处理后产生两种主要产物：富含纤维素的固体底物和回收的木质素溶液。纤维素底物经过酶法糖化以评估预处理效果，而回收的木质素则通过自组装形成具有优良性质的木质素纳米球，以实现生物质的高价值利用。

结论

本研究通过路易斯酸介导的DES预处理策略成功分离了枸杞枝条中的三大主要成分。在评估的体系中，AlCl₃表现出最佳性能，这归因于其较高的α-β值，增强了生物质基质的酸性破坏作用。在最佳条件下（ChCl:Gly:AlCl₃ = 1:2:0.03），木质素和半纤维素的去除率分别达到90.26%和85.65%，显著提高了酶法糖化效率

CRediT作者贡献声明

Bingxue Sun：撰写初稿、方法设计、数据分析、概念构建。Huaitao Jiang：验证、实验设计。Guan-Ping Jin：审稿与编辑、资金获取。Shi-Kui Han：指导。Bolin Liu：数据管理。Xiaoli Ge：资源协调。Xiaoyou Xiu：资源支持。Biaode Yang：资源支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了安徽省重大项目及安徽省重点研发计划项目（项目编号：2023j11020006）的支持。