通过使用溴化鲸蜡基三甲基铵和乙醇胺制备的碱性深共晶溶剂进行预处理，提高杨木锯末的酶解效率

《Biochemical Engineering Journal》：Advancing enzymatic hydrolysis efficiency of poplar sawdust through alkaline deep eutectic solvent pretreatment crafted from cetyltrimethylammonium bromide and ethanolamine

松木屑碱性深共熔溶剂预处理高效解构机制研究。通过CTAB与EA共混构建碱性DES，优化温度160℃/时间90min/摩尔比1:8，实现64.2%木质素脱除和92.4%半纤维素提取，酶解效率达83.9%。机理研究表明氢键网络重构及 lignin-多糖超分子解聚效应显著提升糖产率。|松木屑|深共熔溶剂|预处理优化|木质素脱除|酶解效率提升

　　

王新月|钱浩杰|黄超星|范波|何宇才|唐伟

中国江苏省常州市常州市大学药学院与生物与食品工程学院，邮编213164

摘要

本研究成功开发了一种由溴化鲸蜡基三甲基铵（CTAB）和乙醇胺（EA）组成的碱性深共晶溶剂（DES），并系统评估了其在杨木锯末（PS）预处理中的性能。对DES的表征表明其具有广泛的氢键网络和优异的热稳定性。通过优化关键预处理参数，确定了最有效的预处理条件：CTAB与EA的摩尔比为1:8，温度为160°C，时间为90分钟。在这些优化条件下，DES表现出显著的分馏性能，实现了高效的脱木素（64.2%）和大量的木聚糖提取（92.4%）。最终，酶水解的效率达到了83.9%。结构分析显示，预处理显著增强了底物的可及性，并提高了纤维素的结晶度，同时有效断裂了木质素中的关键单元间连接和芳香框架。提高效率的主要机制在于破坏了木质素驱动的超分子聚集，并增强了分子间的氢键网络，从而实现了更彻底和有效的木质纤维素结构的解体。这种显著的糖化性能提升不仅为从PS中发酵乙醇建立了坚实的基础，还为利用其他硬木原料的高价值生物精炼系统的实现提供了重要的理论见解和技术进步。

引言

木质纤维素生物质是一种丰富且可自然再生的资源，与可持续性和生态和谐的原则高度契合，是绿色能源创新的基石，并有望成为可再生能源领域中化石燃料的替代品[1]。纤维素和半纤维素构成了木质纤维素生物质的基本碳水化合物骨架，使其成为生物精炼过程的理想可再生原料。作为木材加工的典型副产品，杨木锯末（PS）每年产量巨大，但资源利用率较低[2]，[3]。尽管PS富含多糖，但其高价值应用尚未得到充分开发，导致森林资源利用效率低下[4]。利用PS生产生物乙醇不仅为缓解全球能源需求提供了可行的途径，还通过提高资源回收率和减少环境负担促进了循环经济原则[5]。然而，木质纤维素结构本身的顽固性始终对高效生物转化构成巨大挑战。值得注意的是，木质素和半纤维素通过复杂的物理缠结和强化学交联相互作用，形成了对纤维素纤维的保护层。这种高度紧凑和坚韧的结构严重阻碍了纤维素酶的渗透，极大地限制了酶水解的效果，这已成为生物精炼过程中的关键瓶颈[6]。因此，开发创新和高效的预处理策略以打破这一天然屏障已成为现代生物质价值化研究的重要前沿。

预处理的主要目的是破坏结合木质素和碳水化合物的复杂结构矩阵，有效克服生物质的固有顽固性[7]。显著改变底物的物理结构可以大幅增加其孔隙率和比表面积，从而提高纤维素酶的可及性和催化性能，使其成为高效糖化的不可或缺的基石。在多种预处理策略中，基于绿色溶剂的预处理已成为一个重要的范例，在木质纤维素生物质价值化领域受到越来越多的关注。最经典和高效的方法是深共晶溶剂（DES）预处理技术，由于其出色的可持续性、低毒性、高效率和稳定性，逐渐吸引了众多研究人员的关注[8]，[9]。DES被认为能够通过分子间的协同效应破坏木质素-碳水化合物复合物中的氢键网络。DES中含有的亲核或酸性位点可以选择性地断裂木质素中的醚键和酯键，促进木质素的溶解，并同时实现半纤维素中糖苷键的水解[10]。这一特性赋予了DES良好的选择性，使其能够有效去除木质素并降解半纤维素，同时基本保持纤维素结构的完整性[11]。这种选择性的分解机制有效克服了植物细胞壁的抗降解屏障，从而提高了纤维素转化为葡萄糖的转化效率，为生物精炼提供了一种高效且可控的预处理策略。

由于DES中氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）之间的协同作用产生了独特的酸碱性质，这些多功能溶剂系统可以被精确地分为三类：酸性、中性和碱性[12]。特别是酸性DES通常包含有机酸作为强氢键供体，利用其强大的质子供体能力有效断裂木质素大分子中的醚键，并释放出关键中间体如松油醇[13]。同时，这些溶剂在促进半纤维素的水解方面表现出选择性的催化效果，使其能够彻底分解为可溶性单糖，并便于高产提取[14]。然而，这种有利的反应性可能会带来代价，即部分破坏纤维素的结晶结构，导致预处理后固体残留物减少，并可能影响下游生物转化过程中可发酵糖的可及性[15]。中性DES侧重于选择性断裂木质纤维素中的酯键，尤其是连接半纤维素和木质素的酯桥，最大限度地保持纤维素框架的完整性并防止过度降解[16]。然而，其降解木质素中高度稳定的芳香环系统的能力相对较弱，从而限制了整体降解效率[17]。相比之下，碱性DES在木质纤维素预处理中表现出更出色的性能优势。碱性DES通过强烈的亲核攻击精确地切割了木质素和半纤维素之间的醚键连接，驱动木质素的溶解并将其转化为稳定的酚盐离子，木质素的去除率通常超过80%[18]。这一过程不仅拆解了木质素固有的三维网络结构，还提高了纤维素的结晶度，同时大大减少了酶制剂在非活性位点的无效吸附，使其成为碱性DES中HBD中具有显著意义的一种化合物。作为一种强有机碱，EA同时具有氨基（作为HBA）和羟基（作为HBD）两种化学性质。这种双重化学特性赋予了EA出色的氢键结合能力，使其成为设计和合成先进DES的理想和多功能构建块[19]。Kussainova等人使用不同摩尔比的溴化甲基三苯基膦和EA合成了DES，这些DES对CO₂表现出强烈的亲和力[20]。Zhao等人通过氯化胆碱和EA制备了DES，随着DES成分碱性的逐渐增加，发现木质素的溶解和提取效率显著提高[21]。根据Zhao的研究，氯化胆碱与EA的摩尔比为1:6时，从小麦秸秆中去除了71.4%的木质素，突显了基于EA的DES作为高效木质素提取剂的潜力[22]。Wang等人制备了一种基于EA的DES，并将其应用于油茶壳的预处理，在最佳工艺条件下实现了76.5%的脱木素率和83.7%的糖回收率[23]。作为HBD，EA通过其多功能质子性质调控了高效和定向的分子相互作用，成为推动可持续生物精炼技术进步的关键因素。在选择碱性DES的HBA时，CTAB在先前的研究中被公认为优秀的候选者。其作为阳离子表面活性剂的本质可能同时增强溶剂的渗透性，对系统行为和界面动力学产生潜在影响[24]。Tang等人发现，季铵盐中烷基链较长的卤离子具有更好的HBA性能，可以显著增强DES预处理过程中的木质素去除效果[25]。Tang等人系统地使用不同的烷基铵卤化物制备了一系列DES，发现以CTAB作为HBA的DES表现出最佳的预处理效果，实现了68.4%的木质素去除率和94.0%的木聚糖去除率，同时将纤维素的消化率提高到76.5%[26]。这些结果充分证明了CTAB作为HBA在提高生物质预处理效率方面的关键作用。与传统基于胆碱的DES相比，这些DES系统不仅在预处理效果上相匹配，而且表现出显著降低的生态毒性和出色的生物降解性，从而显著改善了环境性能[27]。因此，基于CTAB的DES成为推进绿色和可持续生物质转化技术的一个有前景的候选者。在本研究中，CTAB被战略性地用作HBA，并与EA结合制备了碱性DES，旨在实现PS的高效脱木素和结构解体，从而为可再生林业资源的高价值价值化开辟新途径。

在本研究中，CTAB被战略性地用作HBA，而EA被用作HBD，为设计一种新型、高效的碱性DES奠定了基础。通过对DES的分子结构和物理化学特性的系统性和严格表征，确认了其成功的形成和结构真实性。利用这一突破，评估了DES对PS的预处理效果，以酶水解效率作为关键性能指标。通过全面的实验框架系统地优化了工艺参数，以确定最理想的预处理条件。随后，通过一系列染料吸附试验、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射对PS中的关键结构变化进行了多维分析。这种协同分析策略提供了对DES如何有效破坏PS密集且化学惰性结构的机制途径的深刻见解。在这种创新和可持续的DES设计范式的指导下，强调了绿色溶剂在推进高价值生物精炼技术和循环聚合物经济中的变革性作用。

材料

PS购自江苏省苏倩市。CTAB和二甲基亚砜-d6由上海Aladdin生化技术有限公司提供。EA和溴化钾（KBr）来自上海的知名中国医药化学试剂集团，本研究中使用的CTAB和EA为分析试剂（AR）级，纯度≥99%。Direct Red 28染料和购自Sigma-Aldrich（上海）。纤维素酶（Cellic? CTec2，滤纸活性为175

DES的表征

普遍认为，HBD和HBA的选择深刻影响了DES的基本溶剂特性[31]。因此，对CTAB:EA的物理化学性质进行了系统研究，以验证这种DES的成功形成。Kamlet-Taft参数被广泛认为是衡量溶剂效力的关键指标，它通过三个不同但相互关联的维度来描述溶剂行为：氢键酸性（α），

结论

本研究成功合成了由CTAB和EA组成的碱性DES，显著提高了PS预处理过程中木质素和木聚糖的去除效率，从而显著提高了酶水解性能。通过系统参数优化，确定了最佳预处理条件为160°C，时间为90分钟，CTAB与EA的摩尔比为1:8。在这些条件下，木质素和木聚糖的最大去除率分别达到了64.2%

CRediT作者贡献声明

王新月：撰写——原始草稿，资源获取，项目管理，概念构思。唐伟：撰写——审稿与编辑，资源获取，资金争取。何宇才：撰写——审稿与编辑。范波：撰写——审稿与编辑。黄超星：撰写——审稿与编辑。钱浩杰：验证，软件使用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金青年项目（32301531）、江苏省科学技术前沿项目（BF2025080）、江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究项目（23KJB220001）、常州市“龙城人才计划”第四批领军型创新人才引进项目（CQ20230084）等对本工作的财政支持。