《Industrial Crops and Products》：Recent advances in deep eutectic solvent pretreatment for the efficient decomposition and utilization of crop straw biomass
编辑推荐：
随着煤炭、石油等不可再生能源加速枯竭，能源短缺与环境退化问题日益突出，探寻化石燃料的可再生替代品受到广泛关注。作物秸秆生物质（crop straw biomass，CSB）包括小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆等，是一种可再生、储量丰富、经济且碳中性的碳水化合物富集
随着煤炭、石油等不可再生能源加速枯竭，能源短缺与环境退化问题日益突出，探寻化石燃料的可再生替代品受到广泛关注。作物秸秆生物质（crop straw biomass，CSB）包括小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆等，是一种可再生、储量丰富、经济且碳中性的碳水化合物富集原料，可作为生产高附加值化学品与生物燃料的潜在可持续原料。全球CSB年产量达1.06 × 1010 t，是分布广泛的可持续资源。目前此类残余物多被丢弃或直接焚烧，既造成资源浪费又导致环境污染，因此亟需开发其高效资源化利用的新策略。CSB主要由纤维素（30–50%）、半纤维素（20–30%）和木质素（15–30%）组成。半纤维素与纤维素可经糖化降解为单糖（如葡萄糖和木糖），木质素则可被有效提取并进一步转化为芳香族化合物。然而，三种组分间通过非共价键与共价键广泛交联所形成的固有顽抗性与刚性结构，严重制约了其组分分离与后续转化效率。目前已报道诸多预处理方法（如物理法、化学法和生物法），但物理法存在研磨效率低、超声能耗高、微波设备昂贵等不足；无机酸（H2SO4、HCl）或碱（NaOH）虽可有效溶解半纤维素和木质素，却存在溶剂回收困难与设备严重腐蚀等问题，且剧烈的木质素缩合反应会破坏有价值的β-O-4键；有机溶剂可高效断裂木质素-碳水化合物复合体（lignin-carbohydrate complexes，LCCs）中的关键醚键和酯键，但溶剂成本高、回收复杂；生物法虽能耗低、环境友好且抑制物生成少，却存在效率低、投资高、周期长等局限。因此，亟需探索高效、可持续且经济的预处理工艺以促进CSB的转化利用。绿色溶剂分离CSB已成为一种高效且有潜力的预处理途径。离子液体（ionic liquids，ILs）具有不挥发、高沸点、不可燃和可重复使用等特性，被视为有前景的绿色溶剂，但其固有毒性、生物降解性差、合成路线复杂、生产成本高和强亲水性限制了商业化推广。低共熔溶剂（deep eutectic solvents，DESs）与ILs共享若干有利的理化特性，最显著的是极低挥发性，但两类溶剂在分子结构、合成路径、黏度、电导率、毒理学行为和可回收性方面存在根本差异。ILs由离散的离子阳离子和阴离子组成，而DESs是由氢键受体（hydrogen-bond acceptors，HBAs）与氢键供体（hydrogen-bond donors，HBDs）以特定摩尔比在温和热条件下混合、通过分子间氢键作用形成的。得益于此类结构差异，DESs相较ILs具有低毒性、高生物降解性、易制备、生产成本低和令人满意的可重复使用性等实际优势，被视为生物质加工中ILs的实用绿色替代品。此外，DESs在选择性溶解半纤维素和脱除CSB木质素方面表现出显著能力，从而为温和条件下CSB处理提供了生态友好、创新且有前景的途径。DES预处理可破坏CSB的固有刚性与顽抗性，实现其三种主要组分的高效分离，提高半纤维素和纤维素的糖化效率，促进可发酵糖释放并进而转化为生物燃料和高附加值化学品；同时，DES处理可断裂LCCs中的醚键和酯键，产生可转化为高价值、经济可行化学品的非缩合高纯度木质素。为系统总结DES介导CSB预处理的最新进展，本综述检索了Web of Science核心合集、Wiley、Elsevier、Scopus和Springer Link的文献，关键词包括“deep eutectic solvent”“straw biomass”“pretreatment”“decomposition”“conversion”和“utilization”，覆盖2000–2026年的出版物；纳入同行评议的全文原创文章和相关综述，排除会议摘要、专利、重复文献和偏离主题的论文，并通过标题-摘要和全文评估逐步筛选代表性工作。与现有以广义木质纤维素为焦点、鲜少将CSB与其他原料区分、且对超分子低共熔溶剂（supramolecular deep eutectic solvents，SUPARDESs）、耦合预处理、机器学习驱动的DES优化、技术经济分析（techno-economic analysis，TEA）和生命周期评价（life-cycle assessment，LCA）分析覆盖零散的综述不同，本工作明确了CSB的研究范围，系统梳理了SUPARDESs在抑制木质素缩合和提升生物质组分分离方面的独特优越性，整合了多尺度机理认识（如水分调控的氢键网络、表观与真实纤维素结晶度的区分），超越零散的得率数据，建立了结构-性质-分离-下游-性能关系，按生物质来源对下游产品进行分类，并针对溶剂损失和水耗等实际工业瓶颈，形成“原料异质性-DES设计-机理-增值化-工业约束”的完整研究链条，进一步识别关键实际瓶颈并展望基于DES的秸秆生物炼制的未来研究方向。
能源与环境双重压力下，开发可再生、碳中性的作物秸秆生物质（CSB）高效利用技术已成为生物炼制领域的紧迫需求。然而，CSB中纤维素、半纤维素与木质素通过共价及非共价键广泛交联形成的固有顽抗性，严重制约其组分分离与下游转化；传统物理、化学及生物预处理分别面临能耗高、设备腐蚀与溶剂回收困难、木质素缩合破坏β-O-4键、周期长效率低等瓶颈。离子液体（ILs）虽具绿色溶剂潜质，但毒性、生物降解性差与高成本限制其规模化。低共熔溶剂（DESs）由氢键受体（HBAs）与氢键供体（HBDs）经分子间氢键组装而成，兼具低毒性、高生物降解性、易制备、低成本与良好可重复使用性，并能选择性溶解半纤维素、脱除木质素，被视为替代ILs的实用绿色介质。在此背景下，研究人员围绕DES介导的CSB预处理开展了系统综述：检索Web of Science核心合集、Wiley、Elsevier、Scopus与Springer Link等数据库2000–2026年文献，经标题-摘要与全文逐级筛选代表性同行评议成果；界定了CSB（玉米秸秆、玉米芯、麦秸、高粱秸秆、油菜秸秆、稻秸、稻壳、黑麦秸秆、大麦秸秆、甘蔗渣、甘蔗梢及大豆秸秆）的范围并比较其组分异质性；梳理DES自2003年提出以来的分类演进（Type I–V及2020年首次报道的Type VI即SUPARDESs）、理化性质（密度、黏度、凝固点、pH与电导率）及其对分离行为的调控；按HBD主导类型将预处理归纳为酸基、碱基、多元醇基与超分子DES四类，并评估其脱木质素与糖化性能；总结DES-微波、DES-超声、DES-水热、DES-表面活性剂及其他耦合强化技术；评述机器学习辅助优化、结构-性质-相互作用-分离机理（含Kamlet-Taft参数、组分结构演变、分子层面DFT/MD模拟及水的作用）；归纳下游平台化学品、生物燃料与功能材料的高值化路径；并开展技术经济分析（TEA）与生命周期评价（LCA）。研究结论表明，DESs是破解CSB顽抗性、促进其高值化利用的高度有前景的绿色预处理技术，SUPARDESs在保护β-O-4键与强化三组分分离方面潜力突出；整合DES性质、组分结构演变与分子层面相互作用的机理研究阐明了DES介导的分离机制；DES与物理场及表面活性剂的耦合预处理可提升效率，TEA与LCA为工业转化提供量化评价依据。尽管进展显著，工业化放大仍面临木质素缩合、DES成本与回收、大规模工艺优化等挑战；引入多元醇等绿色稳定剂保护木质素β-O-4醚键、借助Kamlet-Taft参数定量氢键相互作用以指导溶剂设计、利用人工智能与机器学习优化DES筛选与预处理过程等多维策略至关重要。未来，低成本可回收DES体系的开发、多物理场耦合方案的合理配置、全面的TEA-LCA评价以及DES预处理与后续生物转化的集成，将推动木质纤维素生物炼制的工业化，使CSB由农业废弃物转变为核心可再生原料，在缓解全球能源危机、减轻环境污染和推进双碳目标实现中发挥关键作用，并为其他木质纤维素生物质资源的绿色利用提供新思路。
