膽堿離子液體及其在小麥秸稈預(yù)處理中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于木質(zhì)纖維素利用及化學(xué)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及膽堿離子液體及其用 于小麥秸桿的高效預(yù)處理，以提高后續(xù)多糖酶解效率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)生物基能源和化學(xué)品受到了人們越來越的關(guān)注 (Scien ce2012,337,695)。與化石資源相比，生物質(zhì)資源有諸多優(yōu)勢。其不但取之不盡、用 之不竭，且以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料和化工原料還可有效降低CO 2的排放和環(huán)境污染。木 質(zhì)纖維素是地球上分布最廣和含量最豐富的可再生生物質(zhì)資源，該生物質(zhì)主要由纖維素、 木聚糖等多糖和木質(zhì)素構(gòu)成。其中的多糖經(jīng)酶解后所得的還原糖可以通過微生物發(fā)酵轉(zhuǎn) 化為各種生物燃料（如乙醇、H 2)和高附加值化學(xué)品；還能通過化學(xué)法脫水轉(zhuǎn)化為重要的生 物基平臺(tái)化合物如5-輕甲基糠醛及糠醛等（Green Chem. 2014,16,950)。木質(zhì)素能轉(zhuǎn)化為 各種有重要應(yīng)用價(jià)值的芳基化合物（Chem. Rev. 2010, 110, 3552)。然而，木質(zhì)纖維素的高值 化轉(zhuǎn)化仍頗具挑戰(zhàn)，因?yàn)樵撋镔|(zhì)具有復(fù)雜的非均一結(jié)構(gòu)，并且組分之間存在廣泛的化學(xué) 交聯(lián)，導(dǎo)致該生物質(zhì)對化學(xué)及生物降解具有高度抗性。因此，在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化前，通常需 要對其進(jìn)行預(yù)處理，以破壞該生物質(zhì)的抗性結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三大組分的分離（Biotechnol. Adv. 2011, 29, 675) 〇
[0003] 離子液體是一類由有機(jī)陽離子和無機(jī)或有機(jī)陰離子組成的低熔點(diǎn)有機(jī)鹽，其熔 點(diǎn)通常低于l〇〇°C。由于這類低溫熔鹽具有諸多優(yōu)良特性，尤其是對各種生物大分子均 具有較強(qiáng)的溶解能力，近年來在木質(zhì)纖維素預(yù)處理領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景（Green Chem. 2013, 15, 550)。當(dāng)前，用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理的離子液體主要是傳統(tǒng)的咪唑類和嘧啶 類離子液體（CN102154412)。然而，這些離子液體的毒性較高、生物可降解性差，是一類環(huán) 境不友好介質(zhì)（Chem. Soc. Rev. 2011，40:1383-1403);此外，這些離子液體源于化石資源， 不具有可再生性。同時(shí)，大部分基于咪唑離子液體的木質(zhì)纖維素預(yù)處理研究都是利用離子 液體使木質(zhì)纖維素或纖維素原料溶解，隨后加入反溶劑（anti-solvent)使纖維素沉淀析 出（再生），以破壞其晶體結(jié)構(gòu)、降低纖維素結(jié)晶度，達(dá)到增強(qiáng)多糖水解的目的。然而，溶解 木質(zhì)纖維素或纖維素的工藝條件較苛刻，該溶解工藝對體系中的水含量要求甚高（通常需 低于1 % )，這就必須對生物質(zhì)原料及離子液體進(jìn)行長時(shí)間高溫脫水處理，導(dǎo)致能耗過大， 嚴(yán)重影響了該預(yù)處理工藝的經(jīng)濟(jì)可行性（J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4974)。盡管[膽堿] [氨基酸]離子液體是一類可再生、環(huán)境友好的離子液體，也表現(xiàn)出優(yōu)異木質(zhì)纖維素預(yù)處理 效果，但是其熱穩(wěn)定性仍不夠理想（Green Chem. 2012, 14, 304)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供完全可再生、且具有更高熱穩(wěn)定性 的膽堿離子液體，并將其用于小麥秸桿的預(yù)處理，以增強(qiáng)后續(xù)多糖酶解，提高還原糖收率。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明所述的膽堿離子液體為[膽堿][?；撬猁}]或[膽堿][乙酰丙酸鹽]。
[0007] 所述的膽堿離子液體，其結(jié)構(gòu)如下：
[0010] 所述的膽堿離子液體在小麥秸桿預(yù)處理中的應(yīng)用。具體步驟如下：
[0011] (1)小麥秸桿經(jīng)干燥后，粉碎，粒徑控制在2000 μ m以下；
[0012] (2)以膽堿離子液體為預(yù)處理溶劑，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，按照小麥秸桿與離子液體質(zhì)量 比為1:10~1:20混合，于60~120°C下攪拌2~12小時(shí)，隨后冷卻至室溫，加入去離子 水，過濾、洗滌濾渣，干燥后獲得預(yù)處理后的小麥秸桿；
[0013] (3)將小麥秸桿按照固液比為1~10mg/mL與檸檬酸鹽緩沖液混合，再加入纖維素 酶和β -葡萄糖苷酶，在150~250r/min，40~60°C下，反應(yīng)12~48小時(shí)，得到以還原糖 為主要成分的糖液。
[0014] 步驟（3)所述纖維素酶和β -葡萄糖苷酶分別按照5~30FPU/g及20~130CBU/ g預(yù)處理后小麥秸桿的比例添加。
[0015] 步驟（3)中所述的檸檬酸鹽緩沖液的濃度為50mmol/L，pH為4. 8。
[0016] 步驟（3)所述的商品化纖維素酶及β-葡萄糖苷酶優(yōu)選諾維信公司生產(chǎn)的 Celluclast 1.5L纖維素酶和Novozymes 188 β-葡萄糖苷酶。
[0017] 步驟（2)所述加入去離子水的體積為離子液體體積的0. 5~3倍。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
[0019] 1)原料膽堿、?；撬?、及乙酰丙酸均是可再生資源，故由這三種原料合成的兩種離 子液體完全可再生，并且具有低毒、綠色環(huán)保、可生物降解等特點(diǎn)，故以這兩種離子液體為 木質(zhì)纖維素的預(yù)處理溶劑，預(yù)處理工藝環(huán)境友好、符合綠色化學(xué)發(fā)展策略，克服傳統(tǒng)離子液 體預(yù)處理工藝環(huán)境不友好等缺陷。
[0020] 2)利用這兩種新型膽堿離子液體作為溶劑預(yù)處理小麥秸桿，明顯增強(qiáng)了小麥秸桿 的酶解效率，提高了還原糖收率。
[0021] 3)這兩種新型離子液體能夠?qū)︻w粒較大的小麥秸桿進(jìn)行高效預(yù)處理。故在預(yù)處理 前，無需對木質(zhì)纖維素進(jìn)行反復(fù)地粉碎，從而有效地降低預(yù)處理過程中的能耗。
[0022] 4)基于本發(fā)明公開的這兩種新型膽堿離子液體的木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝，具有優(yōu) 異的耐水性。故在預(yù)處理前，無需對離子液體及木質(zhì)纖維素進(jìn)行嚴(yán)格的干燥，簡化了工藝過 程，并極大地降低了能耗。
[0023] 5)與[膽堿][氨基酸鹽]離子液體相比，這兩種離子液體具有更高的熱穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0024] 圖1為[膽堿][?；撬猁}]核磁共振氫譜。
[0025] 圖2為[膽堿][乙酰丙酸鹽]核磁共振氫譜。
[0026] 圖3為[膽堿][牛磺酸鹽]和[膽堿][乙酰丙酸鹽]離子液體的熱重分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0028] 實(shí)施例1
[0029] [膽堿][?；撬猁}]預(yù)處理小麥秸桿
[0030] a)[膽堿][?；撬猁}]離子液體制備：在4°C、氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將45wt%膽堿氫氧化 物甲醇溶液緩慢滴入等摩爾的?；撬崴芤褐?，并不斷攪拌。隨后升至室溫，攪拌48h。在 55°C下旋蒸除水后，于70°C真空干燥48h，即得到目標(biāo)離子液體。[膽堿][牛磺酸鹽]核磁 共振氫譜如圖1所示。其熱重分析結(jié)果（圖3)表明該離子液體的熱分解溫度達(dá)180°C，高 于[膽堿][氨基酸鹽]的分解溫度150-165Γ。
[0031] b)預(yù)處理：取300mg小麥猜桿粉末（〈150 μ m)和6g[膽堿][?；撬猁}]離子液 體，共同置于15mL三角瓶中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于90°C下攪拌6小時(shí)；隨后冷卻至室溫，加入1 倍離子液體體積的去離子水稀釋、過濾，再用3倍體積的去離子水洗滌濾渣5次，濾渣經(jīng)干 燥后即得到預(yù)處理后的水稻秸桿。
[0032] c)酶解：取上述預(yù)處理后的小麥猜桿20mg，置于50mL的三角瓶中，加入7mL梓檬 酸鹽緩沖液（50mmol/L，pH 4. 8)、0. 54FPU纖維素酶（Celluclast I. 5L，購于諾維信公司） 及2. 54CBU0 -葡萄糖苷酶（Novozymes 188,購于諾維信公司），密封后置于200r/min、50°C 的恒溫振蕩器中反應(yīng)。12小時(shí)后，取樣200 μ L，于KKTC下處理5分鐘以淬滅酶反應(yīng)；離心 (1000 Og)后，利用DNS法測定還原糖濃度。根據(jù)預(yù)處理前小麥秸桿中還原糖的理論產(chǎn)量，計(jì) 算得到最終的還原糖收率為74%。
[0033] 實(shí)施例2
[0034] [膽堿][乙酰丙酸鹽]預(yù)處理小麥秸桿
[0035] a)[膽堿][乙酰丙酸鹽]離子液體制備：在4°C、氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將45wt%膽堿氫氧 化物甲醇溶液緩慢滴入等摩爾的乙酰丙酸水溶液中，并不斷攪拌。隨后升至室溫，攪拌48h。 在55°C下旋蒸除水后，于70°C真空干燥48h，即得到目標(biāo)離子液體。[膽堿][乙酰丙酸鹽] 核磁共振氫譜如圖2所示。其熱重分析結(jié)果（圖3)表明該離子液體的熱分解溫度達(dá)180°C， 高于[膽堿][氨基酸鹽]的分解溫度150-165Γ。
[0036] b)預(yù)處理：取300mg小麥猜桿粉末（〈150 μ m)和6g[膽堿][乙酰丙酸鹽]離子 液體，共同置于15mL三角瓶中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于90°C下攪拌6小時(shí)；隨后冷卻至室溫，加 入1倍離子液體體積的去離子水稀釋、過濾，再用3倍體積的去離子水洗滌濾渣5次，濾渣 經(jīng)干燥后即得到預(yù)處理后的水稻秸桿。
[0037] c)酶解：取上述預(yù)處理后