胆碱离子液体及其在小麦秸秆预处理中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于木质纤维素利用及化学工业应用领域，具体涉及胆碱离子液体及其用 于小麦秸杆的高效预处理，以提高后续多糖酶解效率的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，以生物质为原料生产生物基能源和化学品受到了人们越来越的关注 (Scien ce2012,337,695)。与化石资源相比，生物质资源有诸多优势。其不但取之不尽、用 之不竭，且以生物质为原料生产燃料和化工原料还可有效降低CO 2的排放和环境污染。木 质纤维素是地球上分布最广和含量最丰富的可再生生物质资源，该生物质主要由纤维素、 木聚糖等多糖和木质素构成。其中的多糖经酶解后所得的还原糖可以通过微生物发酵转 化为各种生物燃料（如乙醇、H 2)和高附加值化学品；还能通过化学法脱水转化为重要的生 物基平台化合物如5-轻甲基糠醛及糠醛等（Green Chem. 2014,16,950)。木质素能转化为 各种有重要应用价值的芳基化合物（Chem. Rev. 2010, 110, 3552)。然而，木质纤维素的高值 化转化仍颇具挑战，因为该生物质具有复杂的非均一结构，并且组分之间存在广泛的化学 交联，导致该生物质对化学及生物降解具有高度抗性。因此，在木质纤维素转化前，通常需 要对其进行预处理，以破坏该生物质的抗性结构，同时实现三大组分的分离（Biotechnol. Adv. 2011, 29, 675) 〇
[0003] 离子液体是一类由有机阳离子和无机或有机阴离子组成的低熔点有机盐，其熔 点通常低于l〇〇°C。由于这类低温熔盐具有诸多优良特性，尤其是对各种生物大分子均 具有较强的溶解能力，近年来在木质纤维素预处理领域表现出广阔的应用前景（Green Chem. 2013, 15, 550)。当前，用于木质纤维素预处理的离子液体主要是传统的咪唑类和嘧啶 类离子液体（CN102154412)。然而，这些离子液体的毒性较高、生物可降解性差，是一类环 境不友好介质（Chem. Soc. Rev. 2011，40:1383-1403);此外，这些离子液体源于化石资源， 不具有可再生性。同时，大部分基于咪唑离子液体的木质纤维素预处理研究都是利用离子 液体使木质纤维素或纤维素原料溶解，随后加入反溶剂（anti-solvent)使纤维素沉淀析 出（再生），以破坏其晶体结构、降低纤维素结晶度，达到增强多糖水解的目的。然而，溶解 木质纤维素或纤维素的工艺条件较苛刻，该溶解工艺对体系中的水含量要求甚高（通常需 低于1 % )，这就必须对生物质原料及离子液体进行长时间高温脱水处理，导致能耗过大， 严重影响了该预处理工艺的经济可行性（J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4974)。尽管[胆碱] [氨基酸]离子液体是一类可再生、环境友好的离子液体，也表现出优异木质纤维素预处理 效果，但是其热稳定性仍不够理想（Green Chem. 2012, 14, 304)。
【发明内容】
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供完全可再生、且具有更高热稳定性 的胆碱离子液体，并将其用于小麦秸杆的预处理，以增强后续多糖酶解，提高还原糖收率。
[0005] 本发明采用如下技术方案：
[0006] 本发明所述的胆碱离子液体为[胆碱][牛磺酸盐]或[胆碱][乙酰丙酸盐]。
[0007] 所述的胆碱离子液体，其结构如下：
[0010] 所述的胆碱离子液体在小麦秸杆预处理中的应用。具体步骤如下：
[0011] (1)小麦秸杆经干燥后，粉碎，粒径控制在2000 μ m以下；
[0012] (2)以胆碱离子液体为预处理溶剂，在氮气保护下，按照小麦秸杆与离子液体质量 比为1:10~1:20混合，于60~120°C下搅拌2~12小时，随后冷却至室温，加入去离子 水，过滤、洗涤滤渣，干燥后获得预处理后的小麦秸杆；
[0013] (3)将小麦秸杆按照固液比为1~10mg/mL与柠檬酸盐缓冲液混合，再加入纤维素 酶和β -葡萄糖苷酶，在150~250r/min，40~60°C下，反应12~48小时，得到以还原糖 为主要成分的糖液。
[0014] 步骤（3)所述纤维素酶和β -葡萄糖苷酶分别按照5~30FPU/g及20~130CBU/ g预处理后小麦秸杆的比例添加。
[0015] 步骤（3)中所述的柠檬酸盐缓冲液的浓度为50mmol/L，pH为4. 8。
[0016] 步骤（3)所述的商品化纤维素酶及β-葡萄糖苷酶优选诺维信公司生产的 Celluclast 1.5L纤维素酶和Novozymes 188 β-葡萄糖苷酶。
[0017] 步骤（2)所述加入去离子水的体积为离子液体体积的0. 5~3倍。
[0018] 本发明与现有的技术相比具有如下的优点：
[0019] 1)原料胆碱、牛磺酸、及乙酰丙酸均是可再生资源，故由这三种原料合成的两种离 子液体完全可再生，并且具有低毒、绿色环保、可生物降解等特点，故以这两种离子液体为 木质纤维素的预处理溶剂，预处理工艺环境友好、符合绿色化学发展策略，克服传统离子液 体预处理工艺环境不友好等缺陷。
[0020] 2)利用这两种新型胆碱离子液体作为溶剂预处理小麦秸杆，明显增强了小麦秸杆 的酶解效率，提高了还原糖收率。
[0021] 3)这两种新型离子液体能够对颗粒较大的小麦秸杆进行高效预处理。故在预处理 前，无需对木质纤维素进行反复地粉碎，从而有效地降低预处理过程中的能耗。
[0022] 4)基于本发明公开的这两种新型胆碱离子液体的木质纤维素预处理工艺，具有优 异的耐水性。故在预处理前，无需对离子液体及木质纤维素进行严格的干燥，简化了工艺过 程，并极大地降低了能耗。
[0023] 5)与[胆碱][氨基酸盐]离子液体相比，这两种离子液体具有更高的热稳定性。
【附图说明】
[0024] 图1为[胆碱][牛磺酸盐]核磁共振氢谱。
[0025] 图2为[胆碱][乙酰丙酸盐]核磁共振氢谱。
[0026] 图3为[胆碱][牛磺酸盐]和[胆碱][乙酰丙酸盐]离子液体的热重分析图。
【具体实施方式】
[0027] 通过实施例进一步说明本发明。
[0028] 实施例1
[0029] [胆碱][牛磺酸盐]预处理小麦秸杆
[0030] a)[胆碱][牛磺酸盐]离子液体制备：在4°C、氮气保护下，将45wt%胆碱氢氧化 物甲醇溶液缓慢滴入等摩尔的牛磺酸水溶液中，并不断搅拌。随后升至室温，搅拌48h。在 55°C下旋蒸除水后，于70°C真空干燥48h，即得到目标离子液体。[胆碱][牛磺酸盐]核磁 共振氢谱如图1所示。其热重分析结果（图3)表明该离子液体的热分解温度达180°C，高 于[胆碱][氨基酸盐]的分解温度150-165Γ。
[0031] b)预处理：取300mg小麦猜杆粉末（〈150 μ m)和6g[胆碱][牛磺酸盐]离子液 体，共同置于15mL三角瓶中，在氮气保护下，于90°C下搅拌6小时；随后冷却至室温，加入1 倍离子液体体积的去离子水稀释、过滤，再用3倍体积的去离子水洗涤滤渣5次，滤渣经干 燥后即得到预处理后的水稻秸杆。
[0032] c)酶解：取上述预处理后的小麦猜杆20mg，置于50mL的三角瓶中，加入7mL梓檬 酸盐缓冲液（50mmol/L，pH 4. 8)、0. 54FPU纤维素酶（Celluclast I. 5L，购于诺维信公司） 及2. 54CBU0 -葡萄糖苷酶（Novozymes 188,购于诺维信公司），密封后置于200r/min、50°C 的恒温振荡器中反应。12小时后，取样200 μ L，于KKTC下处理5分钟以淬灭酶反应；离心 (1000 Og)后，利用DNS法测定还原糖浓度。根据预处理前小麦秸杆中还原糖的理论产量，计 算得到最终的还原糖收率为74%。
[0033] 实施例2
[0034] [胆碱][乙酰丙酸盐]预处理小麦秸杆
[0035] a)[胆碱][乙酰丙酸盐]离子液体制备：在4°C、氮气保护下，将45wt%胆碱氢氧 化物甲醇溶液缓慢滴入等摩尔的乙酰丙酸水溶液中，并不断搅拌。随后升至室温，搅拌48h。 在55°C下旋蒸除水后，于70°C真空干燥48h，即得到目标离子液体。[胆碱][乙酰丙酸盐] 核磁共振氢谱如图2所示。其热重分析结果（图3)表明该离子液体的热分解温度达180°C， 高于[胆碱][氨基酸盐]的分解温度150-165Γ。
[0036] b)预处理：取300mg小麦猜杆粉末（〈150 μ m)和6g[胆碱][乙酰丙酸盐]离子 液体，共同置于15mL三角瓶中，在氮气保护下，于90°C下搅拌6小时；随后冷却至室温，加 入1倍离子液体体积的去离子水稀释、过滤，再用3倍体积的去离子水洗涤滤渣5次，滤渣 经干燥后即得到预处理后的水稻秸杆。
[0037] c)酶解：取上述预处理后