基于深度共晶溶剂的竹子残渣生物精炼技术，以提高多糖的回收率：通过响应面方法进行优化

《Journal of Environmental Management》：Deep eutectic solvent-based biorefining of bamboo residues for enhanced polysaccharide recovery: Optimization via response surface methodology

　　**摘要**
深共晶溶剂（DES）作为一种有前景的绿色替代品，已经出现在离子液体用于木质纤维素生物质预处理的过程中，这得益于它们的低成本、可生物降解性和可调的物理化学性质。然而，DES组成和加工参数对生物质分馏的协同效应仍未得到充分探索。在这项研究中，系统地研究了几种由氯化胆碱（ChCl）作为氢键受体和各种氢键供体（甘油、乙二醇、单乙醇胺、尿素、乳酸和甲酸）组成的DES系统，以评估它们在预处理竹渣（BR）方面的有效性。其中，ChCl/LA组合表现出优异的脱木素能力（65%）并显著提高了总糖产量（最高可达49%），优于未经处理的BR。通过X射线 diffraction、傅里叶变换红外光谱、热重分析和扫描电子显微镜等手段进行的结构和物理化学分析表明，ChCl/LA预处理后木质纤维素基质发生了显著分解。为了进一步优化这一过程，采用了响应面法（Response Surface Methodology），确定了最佳预处理条件为117°C、ChCl/LA摩尔比为1:4以及处理时间为121分钟。在这些条件下，葡萄糖产量比未优化处理时增加了59%。这些发现表明，基于ChCl/LA的DES预处理能够有效促进竹渣的酶解，为木质纤维素生物质的可持续生物精炼提供了可靠且环保的策略。

**引言**
化石燃料的枯竭和日益严重的环境问题加剧了对可再生和可持续能源替代品的追求（Gill等人，2025年）。在这些替代品中，木质纤维素生物质因其丰富性、可再生性和碳中性而成为一种有前景的绿色资源（Huo等人，2023年）。竹渣（BR）是竹子收割和工业加工过程中的副产品，是一种未被充分利用但广泛可获得的木质纤维素资源，具有显著的生物精炼潜力（Hou等人，2024年）。由于竹子生长迅速、地理适应性广且种植面积大，中国的年产量估计在132,000至220,000吨之间（Li等人，2023年），使其成为一种经济可行且可持续的原材料。从结构上看，竹子细胞壁主要由纤维素（40-50%）、半纤维素（15-25%）和木质素（25-30%）组成，其纤维素含量高于许多其他木质纤维素生物质（Liang等人，2023年）。这一组成优势使得竹渣特别适合用于可发酵糖的生产。然而，纤维素、半纤维素和木质素之间通过大量的氢键和共价键紧密结合，形成了一个密集且难以降解的基质，限制了酶的渗透性，阻碍了高效糖化（Zhang等人，2025年）。因此，开发出能够破坏这种刚性结构并有效分离生物质组分的有效且环境友好的预处理策略对于提高木质纤维素生物转化的整体效率至关重要。已经研究了多种预处理方法来提高木质纤维素生物质的酶可渗透性，包括物理技术（如机械粉碎、微波照射和爆炸）、化学技术（如稀酸水解、有机溶剂、离子液体）、物理化学方法（如蒸汽爆炸、液态热水、微波辅助处理）以及生物方法（如真菌降解、漆酶应用）（Sunar等人，2024年）。然而，这些传统方法通常存在能耗高、效率低、操作成本高、设备要求复杂以及环境风险等问题（Sun等人，2023年）。因此，迫切需要开发更温和、更环保且更具成本效益的替代方法来推进生物质生物转化技术的发展。深共晶溶剂（DES）被认定为一种绿色且可调的溶剂类别，具有毒性低、环境可降解、生产成本低和合成路线简单的优点（Wang等人，2025年）。DES通常是通过氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）之间的氢键作用形成的稳定均匀的液体混合物。在各种HBA中，氯化胆碱（ChCl）因能够通过断裂酯键和醚键来破坏木质素-碳水化合物复合物（LCCs）而被广泛使用。此外，ChCl还能通过与生物质聚合物形成新的更强氢键来促进木质纤维素氢键网络的分解，从而增强组分分离。它的无毒性、生物相容性和低成本进一步确立了ChCl作为DES配方的理想选择（Huang等人，2022年）。HBD的选择可以是酸性的、碱性的或基于醇的，可根据具体的生物质类型和所需的预处理效果进行定制，每种HBD具有不同的反应性和木质素溶解能力。最近的研究表明，DES的预处理效果很大程度上取决于氢键供体（HBD）的物理化学性质，包括酸度、极性和氢键形成能力（Wang等人，2025年）。在各种DES配方中，Wang等人（2024年）评估了七种基于羧酸的DES对竹渣（BR）的处理效果，发现ChCl–乳酸（LA）系统的脱木素率超过78%，纤维素保留率为88%，这些结果与Gill等人（2025年）的观察结果一致，他们证明含有单羧酸的DES在生物质分馏方面优于含有多羧酸的DES。含有氨基或酰胺基团的DES表现出碱性行为，能有效断裂木质素和半纤维素之间的醚键和酯键。有趣的是，较少的氨基/酰胺基团与更好的脱木素效果相关（Zhang等人，2024年）。相比之下，基于多元醇的（醇类）DES主要通过物理溶解而非键断裂起作用，导致脱木素效率较低。然而，它们的温和性质减少了碳水化合物的降解，并提高了酶解的兼容性。同时也有研究发现，多元醇类DES中的羟基数量与脱木素能力呈负相关（Liu等人，2025年）。例如，Phromphithak等人（2022年）证明，在最佳条件下，用ChCl–甘油处理玉米芯后，固体组分中的纤维素含量增加了150%以上，从而提高了纤维素在生物能源应用中的可用性。预处理效率不仅受溶剂组成的影响，还受木质纤维素生物质内在特性的影响。尽管已经广泛使用传统制浆技术和新兴的预处理技术（包括Kraft法制浆、烧碱法制浆、亚硫酸盐法制浆和基于DES的工艺）来研究竹子和竹材衍生材料，但大多数先前的研究主要集中在竹子生物质本身或特定的下游产品上，如纤维素提取、木质素回收和功能材料制备（Xu等人，2023年；Liu等人，2024年）。相比之下，来自工业加工的竹渣是一种未充分利用的木质纤维素资源，具有独特的结构特征和复杂的组分分布，将其高效转化为可发酵糖的研究还不够充分。最近的研究展示了基于DES的方法在竹材生物质增值方面的潜力，包括提高酶解能力、纤维素提取、木质素再生和功能材料制备（Lin等人，2020年；Wang等人，2022年）。然而，现有研究主要关注个别DES系统、顺序分馏策略或特定竹材衍生产品，而对不同氢键供体功能的DES之间的系统比较及其对竹渣分馏和酶解糖化的影响仍有限。因此，本研究测试了假设：基于不同氢键供体的ChCl基DES可能对竹渣（BR）产生不同的预处理效果，并且优化工艺参数可以进一步提高酶解糖化效率。系统评估了六种含有不同氢键供体的ChCl基DES系统，包括酸性、碱性和醇类DES。通过木质纤维素分馏分析评估了预处理效果，包括木质素去除、半纤维素溶解、纤维素保留、总糖产量和酶解效率。此外，还进行了SEM、FT-IR、XRD和TGA分析，以阐明不同DES处理引起的结构和物理化学变化。基于筛选结果，使用响应面法（RSM）进一步优化了最佳DES系统，评估了温度、预处理时间和HBA/HBD摩尔比对糖回收的影响。因此，本研究的具体目标是：（1）比较不同结构的DES对竹渣预处理的效果，重点关注脱木素、碳水化合物回收和结构改变化；（2）使用RSM优化最佳DES系统的关键预处理参数，以提高酶解糖化效率。与以往主要关注竹子生物质处理、个别DES系统或特定竹材衍生产品的研究不同，本研究系统评估了酸性、碱性和醇类DES对竹渣的预处理效果，建立了DES组成、预处理条件、结构改性和酶解糖回收之间的关系。这项工作为设计高效的基于DES的竹渣增值预处理策略提供了新的见解。

**材料与试剂**
竹渣（BR）来自中国安徽的一家竹浆厂。空气干燥后的BR经过研磨和筛分，得到粒径范围为20-40目的颗粒。所有化学品，包括乳酸、甲酸、单乙醇胺、尿素、乙二醇和甘油，均为分析级，购自中国北京的中国医药化工试剂有限公司。来自Trichoderma viride G的纤维素酶由安徽合肥BASF生物技术有限公司提供。

**深共晶溶剂（DES）的制备和预处理程序**
在本研究中，使用氯化胆碱（ChCl）作为氢键受体（HBA）。

**不同DES预处理对竹渣组成的影响**
本研究使用了六种不同的DES对竹渣（BR）进行预处理，并系统地评估了预处理前后的组成变化（表1）。尽管酸性DES通常表现出更强的脱木素能力，但DES的效果会因生物质特性（如木质素结构和木质素-碳水化合物相互作用）而异，不能直接推广到不同的原料。因此，研究了酸性、碱性和醇类DES系统。

**结论**
在测试的DES中，基于酸性的系统表现出最高的预处理效率，其中ChCl/LA组合表现最佳。结构和热特性分析证实，ChCl/LA导致竹渣细胞壁的多层次分解，包括木质素迁移、结晶破坏和热稳定性改变，这与糖释放的增加相关。通过响应面法（RSM）进行的工艺优化确定了重要的参数相互作用，最佳条件为117°C、ChCl/LA摩尔比为1:4。

**作者贡献声明**
Yue Chen：撰写原始草稿、可视化、方法论、概念设计。Lu Zhang：撰写、修订与编辑、方法论、数据管理。Jing Tong：撰写、修订与编辑、概念设计。

**数据与材料的可用性**
本研究中生成或分析的所有数据均包含在发表的论文中。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

**致谢**
本研究得到了林业科学技术推广项目“现场资源利用与绿色废物生态循环技术的示范与推广”（项目编号Jing [2026] TG51）和中国国家自然科学基金（编号32171751）的支持。

**作者信息**
Yue Chen | Lu Zhang | Jing Tong
北京林业大学林学院，北京，100083，中国