【文献精读】氯化胆碱基低共熔溶剂提升竹材预处理性能及酶解糖化效率的多维机制研究

近期，西南林业大学团队在《Chemical Engineering Journal》发表了研究：“ Multidimensional mechanism investigation on improving the pretreatment performance and enzymatic saccharification of bamboo with choline chloride-based deep eutectic solvents”。木质纤维素生物质是化石资源的理想替代品，竹子生长快、产量高但利用率低，其细胞壁顽固且高度木质化，难以生物和化学降解，高效预处理是促进其转化利用的关键。传统预处理技术效果有限，氯化胆碱（ChCl）基低共熔溶剂（DES）预处理的分子机制未明确，DES 自身结构与木质素、木聚糖高效去除的关联缺乏解释。研究团队通过合成5种ChCl基DES（分别以甲酸、乳酸等为氢键供体），采用微波辅助预处理竹子，结合表征技术与 DFT、MD 模拟，探究预处理机制。结果表明ChCl/FA 预处理效果最优，脱木质素率86.14%、木聚糖去除率95.82%，酶解葡萄糖产率达76.23%（原竹仅9.46%），乙醇产量13.4 g/L（原竹1.28 g/L），回收木质素纯度 77.07%、活性羟基结构丰富。

文章摘要

采用五种微波辅助的基于氯化胆碱（ChCl）的低共熔溶剂（DES）在120 °C下对竹子进行20分钟处理，以提高可发酵糖产量并回收木质素副产物。几种基于ChCl的DES预处理的脱木质素率在17.58%至86.14%之间，木聚糖去除率为7.39% - 95.82%。所有处理的纤维素保留率均保持在70%以上。观察到，经基于ChCl的DES预处理的竹子的酶解糖化和发酵效率显著提高，葡萄糖产率从原竹的9.46%提高到经ChCl/FA预处理竹子的76.23%，乙醇产量从1.28 g/L增加到13.4 g/L。通过表征和理论计算发现，DES中分子间氢键的动态特性与木质素（R² = 0.97）和木聚糖（R² = 0.98）的去除率呈强正相关。酶解糖化效率的提高主要归因于ChCl/FA DES中纤维素-木聚糖-木质素之间相互作用力和氢键数量的减少。残留纤维素底物的结晶度、聚合度、疏水性和表面木质素覆盖率降低，这也能提高酶解效率。此外，回收了纯度高且具有高活性羟基亚结构的木质素，回收率为40.6%。该系统研究为揭示基于ChCl的DES高效预处理机制铺平了道路，并为竹子生物精炼过程构建了多维DES预处理评价框架。

相关图表

图1.基于氯化胆碱（ChCl）的低共熔溶剂（DESs）的结构特征：（a）黏度；（b）整体分子全息（IGMH）分析；（c）分子间氢键作用力；（d）Kamlet - Taft溶剂化参数；（e）傅里叶变换红外（FTIR）光谱；（f）质子核磁共振（¹H NMR）光谱。

图2.不同低共熔溶剂（DES）体系预处理后竹渣化学成分的变化（a和b）；（c）木质素和木聚糖的去除与分子内氢键能之间的相关性。

图3.基于氯化胆碱的低共熔溶剂预处理竹渣的结构特性：（a）傅里叶变换红外光谱；（b）X射线衍射图谱；（c）疏水性和酶可及性性能；（d）比表面积；（e - f）X射线光电子能谱分析。

图4.DES预处理竹子的酶法糖化和发酵（a）；不同基于氯化胆碱（ChCl）的低共熔溶剂（DESs）对CLE/VG、CLE/AXYL和CLE/GYYL以及AXYL/VG和GXYL/VG模型中分子间相互作用力（b）和氢键数量（c）的影响；（d）CLE - VG模型中酶水解效率与相互作用能之间的相关性。

图5.显示竹子特征与酶水解效率之间关系的皮尔逊相关矩阵。

图6.低共熔溶剂（DES）再生木质素的特性。

图7.基于氯化胆碱的低共熔溶剂中回收木质素的二维异核单量子相干谱及主要结构。

图8.不同基于氯化胆碱的低共熔溶剂预处理过程中木质素的反应路径。

图9.竹材中氯化胆碱/甲酸预处理、酶解糖化和微生物发酵的质量平衡。

结论

合成了一系列基于氯化胆碱（ChCl）的低共熔溶剂（DES）体系，并用于处理竹渣，以实现糖类化合物和木质素的高效生产。基于低共熔溶剂中Hirshfeld划分的独立梯度模型的密度泛函理论（DFT）分析表明，木质素和木聚糖的去除与基于氯化胆碱的低共熔溶剂中的分子间氢键强度之间存在显著相关性（R² = 0.97和0.98）。具有更活跃分子间氢键（-25.3 kJ/mol）的氯化胆碱/甲酸（ChCl/FA）更有可能从竹生物质中去除木质素（86.14%）和木聚糖（95.82%）。经氯化胆碱/甲酸预处理的底物在酶水解过程中的葡萄糖产率为76.27%，并通过酿酒酵母进一步转化为13.4 g/L的乙醇。将实验结果与分子动力学（MD）模拟结果进行比较，结果表明纤维素 - 半纤维素 - 木质素与氯化胆碱/甲酸低共熔溶剂体系之间的相互作用力和氢键数量减少，表明竹生物质的木质素-碳水化合物复合体（LCC）结构被破坏。此外，预处理样品的结构分析还表明，氯化胆碱/甲酸可以降低底物的聚合度、结晶度和疏水性，并提高纤维素对酶的可及性，从而增强竹子向单糖的生物转化。本研究可为竹渣生物精炼过程建立多维的低共熔溶剂预处理评价体系。

文章转载自公众号推文：《西南林业大学CEJ:DES 预处理竹子新突破！酶解葡萄糖产率提升8倍，助力生物质碳中和》by碳索生物质

推文原链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ZyuoTrK7XJMUB-1Rx73VLA

原文献地址：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167813