基于深共晶溶剂(Deep Eutectic Solvents, DESs)的乙酰丙酸/氯化胆碱(Levulinic Acid:Choline Chloride, LA:ChCl)体系对两种结构差异木质纤维素原料的组分分离性能及操作窗口的原料依赖性

《Polymers》：Electrospinning Versus Chemical Polymerization for Conductive Polymer Fibers: Reproducibility, Electrical Performance and Wearable Sensing

　　

深共晶溶剂(Deep Eutectic Solvents, DESs)是木质纤维素生物质组分分离的多功能介质，但其实际应用价值取决于其在不同结构和组成原料间是否仍保持有效性。本研究采用由乙酰丙酸(Levulinic Acid, LA)与氯化胆碱(Choline Chloride, ChCl)以2:1和3:1摩尔比组成的DESs，作用于两种结构迥异的木质纤维素原料——金合欢木(Acacia wood)与甘蔗渣(sugarcane bagasse)，以评估同一溶剂体系对结构对比性原料的适用性，而非其在单一基质上的性能。提取于120、140和160 °C下进行1、2、4、6和8 h，工艺性能通过回收固体产率及经DES处理并随后碱洗所得回收固体组分中的总木质素含量进行评估。DES处理与后续碱洗联合作用使两种原料均实现显著木质素脱除，尽管各处理步骤的单独贡献无法确定。对于金合欢木，回收固体产率最高达89.20 ± 0.07%，木质素含量低至0.94 ± 0.21%；而对于甘蔗渣，在3:1比例、140 °C、6 h条件下获得67.48 ± 0.15%的回收固体产率和1.32 ± 0.77%的总木质素含量。四因素多变量分析揭示显著的原料×比例×时间×温度交互作用，表明尽管该溶剂对两类生物质均有效，但使其性能最大化的操作窗口必须针对特定原料进行调控：金合欢木在固体回收与木质素脱除之间表现出明显的权衡，而甘蔗渣则允许同时实现相对较高的回收固体产率和较低的木质素含量。总体而言，这些结果证明了基于LA:ChCl的组分分离工艺（包括后续碱洗）对所研究的两种结构迥异原料的适用性，同时强调需要确定各处理步骤的单独贡献。

研究背景方面，木质纤维素生物质作为化石资源可持续替代品的需求日益增长，其高效利用却受限于植物细胞壁复杂且顽固的结构。纤维素微纤丝、无定形半纤维素与高度交联木质素网络之间的紧密结合，以及纤维素内部广泛的氢键网络和细胞壁聚合物的异质性排列，显著阻碍了溶剂渗透并限制了生物质组分的选择性回收。传统组分分离工艺如硫酸盐法制浆、亚硫酸盐法制浆和有机溶剂处理虽已在工业规模证明可行性，但往往涉及苛刻操作条件、腐蚀性化学品、高能耗或具有环境与经济局限的溶剂体系。深共晶溶剂(DESs)因其制备简单、低蒸气压、性质可调及与绿色化学原则的潜在兼容性而成为有前景的介质。DESs通常由氢键受体与氢键供体结合形成，其熔点显著低于各单独组分。在木质纤维素生物质加工中，DESs可破坏木质素-碳水化合物相互作用、促进木质素溶解并富集残余固体组分中的纤维素。酸性DESs在脱木质素方面显示出特殊有效性，而乙酰丙酸(LA)作为生物质衍生的平台分子，与低成本且广泛使用的氢键受体氯化胆碱(ChCl)结合形成的DES在可持续生物质组分分离方面具有前景。然而，尽管DES基组分分离研究日益增多，许多研究仍局限于单一生物质来源，这限制了对溶剂稳健性的更广泛评估，因为木质纤维素原料在化学组成和超微结构组织上存在显著差异。硬木、软木和农业残余物在木质素含量、紫丁香基/愈创木基分布、半纤维素组成、灰分含量、孔隙率和细胞壁排列方面各不相同，这些均可能强烈影响溶剂可及性、脱木质素动力学和组分回收。因此，证明在结构迥异原料间具有可比拟的组分分离性能对于支持DES系统在灵活可扩展生物炼制方案中的实际适用性至关重要。

在此背景下，研究人员开展了针对两种结构迥异木质纤维素原料的DES组分分离研究。研究采用LA:ChCl摩尔比2:1和3:1的DESs，作用于金合欢木残枝和甘蔗渣，评估同一溶剂体系是否对两种基质均有效。考察了提取温度（120、140和160 °C）和处理时间（1、2、4、6和8 h）的影响，以回收固体产率和回收固体组分中的总木质素含量作为响应变量。本研究建立在研究人员此前工作基础上，此前研究采用简化Box–Behnken设计将LA:ChCl应用于金合欢木以优化纤维素和木质素产率并评估溶剂重复使用，以及表征所得组分，并使用单一LA:ChCl条件从甘蔗渣中分离纤维素。与此前针对单一原料或单一操作条件的研究不同，本研究采用全因子设计（2个摩尔比×5个提取时间×3个温度）在相同实验和分析程序下对两种原料进行处理，从而能够统计检验溶剂组成、温度和时间效应是否以及如何依赖于原料，并通过Pareto和期望函数分析比较每种原料在固体回收与脱木质素之间权衡的形状。主要目标是评估LA:ChCl溶剂体系对两种结构和组成对比性原料的木质素提取是否有效，同时确定应如何调控溶剂组成、温度和提取时间以最大化每种原料的组分分离性能。研究特别关注通过因子统计分析、Pareto优化和等权重期望函数方法评估固体回收与木质素脱除之间的权衡。

研究得出的结论是：LA:ChCl基DESs结合后续碱洗对两种结构迥异原料均实现了显著木质素脱除，残余总木质素含量降至1.5%以下，但回收固体产率差异显著（金合欢木约30%，甘蔗渣约67%）。统计分析表明溶剂比例、提取时间和温度对最终组分分离性能的影响在两种原料间存在差异，表明最有利操作条件具有原料依赖性。金合欢木在回收固体产率与总木质素含量之间表现出明显权衡，而甘蔗渣允许同时实现相对较高的固体回收和较低木质素含量。金合欢木的最高等权重期望值在3:1、120 °C、6 h条件下获得，甘蔗渣在2:1、160 °C、6 h条件下获得。这些条件代表所研究实验域内确定的最有利实验组合，不应被解释为独立验证的工艺最优值。总体而言，结果表明LA:ChCl DESs对硬木（金合欢）和农业残余物（甘蔗渣）两种组成显著不同的原料均有效，前提是操作条件需针对每种原料并根据固体回收与木质素脱除的相对重要性分别优化。所报道的残余木质素含量反映DES处理与碱洗的联合效果，该适用性是否延伸至其他木质纤维素原料以及该工艺能否在更大规模上可持续运行仍为需进一步研究的假设，包括通过对照实验量化DES处理和碱洗的各自贡献。进一步研究应验证所选条件并评估两种原料的溶剂回收和多循环重复使用、完整的质量和能量平衡、回收固体和富木质素组分的组成、结构和纯度，以及工艺的技术经济和环境性能。

在关键技术方法方面，研究人员采用全因子实验设计（2种原料×2个LA:ChCl摩尔比×5个提取时间×3个提取温度，每个条件两次独立提取），在圆柱形金属反应器中以0.75 g绝干生物质与10 mL DES进行高温提取；采用NREL/TP-510-42618标准两步酸水解结合紫外-可见分光光度法（205 nm，吸收系数110 L g?1 cm?1）测定总木质素（酸不溶木质素重量法与酸溶木质素之和）；采用R软件（版本4.6.1）进行四因素多变量方差分析（MANOVA，Pillai迹检验）、四因素和三因素线性模型、III型平方和、HC3异方差稳健检验、估计边际均值简单效应比较（Holm和Tukey校正）、偏eta平方效应量计算、Pareto分析和等权重期望函数多响应优化。原料来源方面，甘蔗渣由巴西圣保罗大学Hugot糖技术实验室提供，金合欢木采集于葡萄牙Mid?es（Tábua）。

研究结果方面，第一，关于原料和操作条件的总体影响，通过四因素MANOVA对回收固体产率和总木质素含量进行联合分析，发现原料、LA:ChCl比例、提取时间和温度的交互作用显著影响联合响应（Pillai迹=0.985，F(16,120)=7.28，p=1.48×10?11），表明两种生物质对操作条件变化的响应不一致；四因素因子模型在HC3稳健分析中该交互作用对回收固体产率（F(8,60)=5.38，p=4.08×10??）和总木质素含量（F(8,60)=3.38，p=0.0029）均保持显著，偏eta平方分别为0.579和0.384，表明溶剂比例、提取时间和温度的主效应不能相互独立解释，后续分析按原料分别进行。第二，关于金合欢木的组分分离行为，LA:ChCl比例、时间和温度的交互作用对回收固体产率（HC3：F(8,30)=6.13，p=0.00011）和总木质素含量（HC3：F(8,30)=20.62，p=3.29×10?1?）均显著；描述性平均显示2:1比例产生较高平均回收固体产率（56.23%对42.64%），而3:1比例产生较低平均木质素含量（7.54%对11.41%）；最高回收固体产率在2:1、120 °C、2 h条件下获得（89.20 ± 0.07%），但总木质素含量仍为16.26 ± 0.20%；最低木质素含量在3:1、140 °C、8 h条件下获得（0.94 ± 0.21%），但回收固体产率仅30.05 ± 1.65%；在120 °C、6 h条件下，2:1比例产生68.86 ± 0.13%回收固体产率和15.30 ± 0.21%总木质素含量，而3:1比例回收固体产率降至52.93 ± 1.70%、总木质素含量降至7.14 ± 0.36%，两者差异经Holm校正均显著（p < 0.001）；Pareto分析识别出13个金合欢木Pareto最优条件，较宽的Pareto前沿证实没有单一处理同时最大化固体回收和最小化木质素含量；等权重期望函数最高总体期望值在3:1、120 °C、6 h条件下获得（回收固体产率52.93 ± 1.70%，总木质素含量7.14 ± 0.36%）。第三，关于甘蔗渣的组分分离行为，回收固体产率的比例×时间×温度交互作用在稳健模型中显著（F(8,30)=3.64，p=0.0045），而总木质素含量的三因素交互作用不显著（F(8,30)=1.29，p=0.287），溶剂比例主效应经稳健校正后亦不显著（F(1,30)=2.65，p=0.114），木质素脱除主要受提取时间（F(4,30)=22.63，p=1.07×10??）、温度（F(2,30)=69.38，p=5.59×10?12）及时间×温度交互作用（F(8,30)=10.76，p=5.43×10??）支配；最温和条件（2:1、120 °C、1 h）下回收固体产率仅28.66 ± 0.14%、总木质素含量21.86 ± 0.14%；最高回收固体产率在2:1、160 °C、6 h条件下获得（75.20 ± 3.07%，总木质素含量3.64 ± 0.65%），该条件亦具有最高总体期望值；最低木质素含量在3:1、140 °C、6 h条件下获得（1.32 ± 0.77%，回收固体产率67.48 ± 0.15%），但与对应2:1条件的差异经Holm校正后不显著；在160 °C、4 h条件下，3:1比例较2:1比例提高回收固体产率5.47个百分点并降低总木质素含量2.58个百分点，两者经Holm校正均显著（p < 0.001）；Pareto分析仅识别出4个甘蔗渣非支配条件（3:1/140 °C/6 h、3:1/160 °C/4 h、3:1/160 °C/6 h、2:1/160 °C/6 h），集中于回收固体产率约67–75%、总木质素含量约1–4%的较窄区域，表明甘蔗渣允许同时实现较高固体回收和广泛脱木质素，而金合欢木两响应间存在更强拮抗关系。第四，关于两种原料比较和多响应优化，两种原料所选条件差异显著，证实优选处理不仅取决于优化标准还取决于原料；对于金合欢木，最高回收固体产率和最低总木质素含量在实验域相反区域获得，等权重期望值代表中间折衷；对于甘蔗渣，最高回收固体产率条件同时具有最高等权重期望值；联合LA:ChCl处理和碱洗使金合欢木回收固体总木质素含量降至1%以下、甘蔗渣降至1.5%以下，但达到这些低木质素含量的固体回收率差异显著（金合欢木约30%，甘蔗渣约67%）；根据LR(%) = 100 ? (Y × LS)/L0估算的木质素脱除率，金合欢木在最大固体回收条件下约35%、在最低木质素含量条件下达99%、在最大期望值条件下为83%，甘蔗渣在2:1/160 °C/6 h、3:1/140 °C/6 h和3:1/160 °C/4 h条件下分别约89%、96%和95%；由于未测定回收固体的碳水化合物组成且未量化液相中回收的木质素，固体质量损失无法在木质素脱除、碳水化合物溶解或降解、抽出物和灰分脱除及洗涤损失之间分配，本工作讨论的组分分离选择性应视为表观值；二次响应面模型在八种原料、溶剂比例和响应组合中有七种显示显著失拟，故未用于连续预测或外推最优条件；所选条件应视为实验评估条件中性能最佳的组合而非独立验证的工艺最优值，需额外验证实验确认可重复性。第五，关于回收组分和工艺实施考虑，本研究以回收固体产率和残余总木质素含量评估工艺性能，未测定回收固体组分的碳水化合物组成、结晶度或聚合度，亦未测定提取木质素的纯度和化学结构；研究人员此前对金合欢木的研究显示，LA:ChCl 3:1（160 °C、4 h，生物质负载更高）组分分离后富纤维素组分含约96%纤维素、2.6%半纤维素和1.4%木质素，脱木质素约96%，X射线衍射显示2:1比例保留纤维素I结构而3:1比例出现纤维素II特征和较低聚合度；甘蔗渣经LA:ChCl 2:1（160 °C、4 h）及相同洗涤序列所得富纤维素组分已成功用作阴离子生物絮凝剂生产的起始原料；金合欢木经LA:ChCl处理（2:1和3:1）后水诱导沉淀回收的木质素经31P NMR、2D HSQC NMR和特性黏度表征，其酚羟基含量高于商业硫酸盐木质素、脂肪族羟基含量较低，估计分子量约9.4–9.6 kDa， successive溶剂重复使用循环中富木质素组分纯度略有提高；从工业角度看，LA:ChCl体系规模化实施前需解决若干瓶颈，首先是溶剂回收和重复使用，DES在水洗和木质素沉淀过程中被水稀释，重复使用需去除大量水（通常通过蒸发），能耗密集，此前研究LA:ChCl（2:1）连续重复使用五个循环无需纯化且LA浓度稳定，但葡萄糖、木糖、5-羟甲基糠醛和乙酸在溶剂中积累，富纤维素组分纯度下降约10%，因此需要 purge streams或中间纯化步骤控制溶解碳水化合物和降解产物的积累；溶解在DES中的碳水化合物（尤其在金合欢木最苛刻条件下固体回收率降至约30%时）代表目前未增值的碳组分，需要完整质量平衡；第二组瓶颈涉及过程强度，本工作生物质负载（0.75 g于10 mL DES中）对应高溶剂与生物质比，提高固体负载受LA:ChCl相对较高黏度（20 °C时约88–153 mPa·s，取决于摩尔比）限制，最有利条件需140–160 °C、4–6 h，意味显著热能需求，甘蔗渣3:1、160 °C、4 h条件因缩短处理时间而不影响性能具有吸引力；后处理序列包括水洗、碱洗（10 wt% NaOH）和5–6次额外水洗，消耗化学品并产生大量废水，应最小化或与溶剂和木质素回收整合；LA成本高于常规无机酸，使溶剂损失和回收效率成为关键经济驱动因素。

讨论部分总结：本研究评估了LA:ChCl基DESs（摩尔比2:1和3:1）结合碱洗对不同提取时间和温度下两种结构迥异木质纤维素原料的组分分离。联合处理序列使两种生物质均实现显著木质素脱除，残余总木质素含量低于1.5%，但回收固体产率差异显著（金合欢木约30%，甘蔗渣约67%）。重要的是，这些结果反映总体组分分离过程，DES处理对木质素脱除的单独贡献无法与后续碱洗独立区分。统计分析表明溶剂比例、提取时间和温度对最终组分分离性能的影响在两种原料间存在差异，表明最有利操作条件具有原料依赖性。金合欢木在回收固体产率与总木质素含量之间表现出明显权衡，而甘蔗渣允许同时实现相对较高固体回收和较低木质素含量。金合欢木最高等权重期望值在3:1、120 °C、6 h条件下获得，甘蔗渣在2:1、160 °C、6 h条件下获得。这些条件代表所研究域内确定的最有利实验组合，不应被解释为独立验证的工艺最优值，需额外验证实验确定其可重复性和进一步工艺开发适用性。总体而言，结果表明LA:ChCl DESs对硬木（金合欢）和农业残余物（甘蔗渣）两种组成显著不同的原料均有效，前提是操作条件针对每种原料并根据固体回收与木质素脱除的相对重要性分别优化。所报道的残余木质素含量反映DES处理与碱洗的联合效果，该适用性是否延伸至其他木质纤维素原料以及工艺能否在更大规模可持续运行仍为需进一步研究的假设，包括通过对照实验量化DES处理和碱洗的各自贡献。进一步研究应验证所选条件并评估两种原料的溶剂回收和多循环重复使用、完整质量和能量平衡、回收固体和富木质素组分的组成、结构和纯度，以及工艺的技术经济和环境性能。