具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1：氯化胆碱低共熔溶剂的制备

本实施例中以醇类为氢键供体制备了氯化胆碱低共熔溶剂，所述醇类为乙二醇、甘油、丙二醇、山梨醇、木糖醇中的任一种，以乙二醇为例，制备得到ChCl/乙二醇，具体步骤如下：

首先将原料干燥处理，特别是 ChCl 在实验之前要放置在烘箱中干燥4-6h，然后将氯化胆碱和乙二醇均匀的混合在烧杯中（摩尔比为 1∶2），在100 ℃ 下不断搅拌，直到形成均匀的透明液体，随后取出，冷却到室温，最后将制备好的 DES 保存在真空干燥器中储存备用。

图1（a）为ChCl/乙二醇的红外光谱图。从图1（a）中可以看出，乙二醇在3293cm^-1的吸收谱带下移至3287 cm^-1，说明了氯化胆碱与乙二醇形成了 O-H…O， OH…Cl 等氢键结构；此外，乙二醇的强峰CH₂和C-C键分别从1485 cm^-1和957cm^-1下移到1483 cm^-1和954 cm^-1，同样证明乙二醇和氯化胆碱之间形成了氢键。

实施例2：氯化胆碱低共熔溶剂的制备

本实施例中以酚类为氢键供体制备了氯化胆碱低共熔溶剂，所述酚类为苯酚、对甲酚、间苯二酚、对苯二酚等中的任一种，以对苯二酚为例，制备得到ChCl/对苯二酚，具体制备步骤与实施例1基本相同，只有如下区别：氢键供体为对苯二酚。

图1（b）为ChCl/对苯二酚的红外光谱图，从图1（b）中可以看出，对苯二酚在 3281cm^-1 的吸收谱带变宽，并且下移至 3255 cm^-1；对苯二酚的特征谱asC=C和δCH分别从（1517cm^-1、1475 cm^-1）和（832 cm^-1、759 cm^-1）下移至（1510 cm^-1、1457 cm^-1）和（829 cm^-1、758 cm^-1），都说明对苯二酚和氯化胆碱之间存在着氢键作用。

实施例3：氯化胆碱低共熔溶剂的制备

本实施例中以胺类为氢键供体制备了氯化胆碱低共熔溶剂，所述胺类为尿素、硫脲、乙酰胺、乙醇胺、三乙醇胺等中的任一种，以尿素为例，制备得到ChCl/尿素，具体制备步骤与实施例1基本相同，只有如下区别：氢键供体为尿素。

图1（c）为ChCl/尿素的红外光谱图，从图1（c）中可以看出，ChCl/尿素在3443cm^-1和3350cm^-1的吸收谱带相较于尿素的羟基峰变宽，尿素的sNH₂和δNH₂特征峰谱带分别从 1684cm^-1和1623 cm^-1下移到1668 cm^-1和1620 cm^-1，表明ChCl/尿素中两组分存在着氢键作用。

实施例4：氯化胆碱低共熔溶剂的制备

本实施例中以酸类为氢键供体制备了氯化胆碱低共熔溶剂，所述酸类为甲酸、乙酸、乳酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、草酸等中的任一种，以乙酸为例，制备得到ChCl/乙酸，具体制备步骤与实施例1基本相同，只有如下区别：氢键供体为乙酸。

图1（d）为ChCl/乙酸的红外光谱图，从图1（d）中可以看出，ChCl/乙酸的羟基出峰位置在3256 cm^-1 处，较乙酸的羟基出峰位置发生了红移，说明乙酸和氯化胆碱之间存在氢键的作用。另外，乙酸中的羧基（C=O）的伸缩振动吸收峰，在形成ChCl/乙酸后从 1737cm^-1下移至1721 cm^-1，这也说明乙酸和氯化胆碱之间形成了氢键。

实施例5：氯化胆碱低共熔溶剂的制备

本实施例中以糖类为氢键供体制备了氯化胆碱低共熔溶剂，所述糖类为葡萄糖、木糖中的任一种，以葡萄糖为例，制备得到ChCl/葡萄糖，具体制备步骤与实施例1基本相同，只有如下区别：氢键供体为葡萄糖。

图1（e）为ChCl/乙酸的红外光谱图，从图1（e）中可以看出，ChCl/乙酸中葡萄糖在3322cm^-1的吸收谱带变宽，并且红移至3290cm^-1，葡萄糖的特征谱asCH₂和νCO分别从2943cm^-1和1111 cm^-1处分别偏移到2925 cm^-1和1077 cm^-1，这说明葡萄糖和氯化胆碱之间形成了氢键。

实施例6：

本实施例中考察了实施例1~5制备得到的氯化胆碱低共熔溶剂在不同温度（30℃、45℃、60℃、75℃、90℃）和30℃下不同含水量（0%、20%、40%、60%、80%）的电导率，结果如图2和图3所示。

图2是实施例1-5所制备的不同氯化胆碱低共熔溶剂电导率与含水量的关系图。从图中可以看出，随着含水量的增加，氯化胆碱低共熔溶剂的电导率迅速增加。其中ChCl/乙二醇、ChCl/间苯二酚、ChCl/尿素和ChCl/乙酸，当含水量达到 60%，电导率达到最高值，继续加水后电导率则呈现下降趋势。电导率升高是由于水的加入，水分子中存在大量的氢键，能够破坏氢键受体与供体之间的氢键作用，从而严重破坏氯化胆碱低共熔溶剂原有的氢键网络，体系中离子之间的静电引力下降，使得阴阳离子之间的静电作用减弱，体系的流动性增强、运动阻力减小，使得电导率增加；随后出现的电导率下降则是因为过度的水含量完全破坏了氯化胆碱低共熔溶剂的结构，造成解离度不断下降，以至于电导率开始下降。

图3是实施例1-5所制备的不同氯化胆碱低共熔溶剂（DESs）电导率与温度的关系图。从图中可以看出，氯化胆碱低共熔溶剂的电导率随着温度的升高而增大，特别的是随着温度的升高，各种氯化胆碱低共熔溶剂之间的电导率的差距逐渐扩大，如ChCl/间苯二酚与ChCl/尿素，电导率差值从30℃的1.4 ms/cm，增加到90℃的4.15 ms/cm。这是因为电导率不仅与流体中的自由体积的多少相关，也与离子找到相应尺寸大小的自由体积并转移进去的概率相关，当温度升高时，自由体积增加，离子进入自由体积的概率增大，进而导致电导率增大。这种变化趋势和粘度的变化趋势正好相反。这可能是因为随着粘度的降低，离子之间的作用力减弱，离子移动性增加，从而使得电导率增加。

实施例7：

本实施例中通过改变氢键供体制备了不同的氯化胆碱低共熔溶剂，并考察了制备得到的氯化胆碱低共熔溶剂在30℃、45℃、60℃、75℃、90℃下的折光率。

表1. 不同氯化胆碱低共熔溶剂在不同温度下的折光率

其中，N/A表示无法获得。

表1显示了不同温度下低共熔溶剂的折光率，从表中可以看出，氯化胆碱低共熔溶剂的折光率随着温度的升高而下降，这是由于温度升高，导致氯化胆碱低共熔溶剂的体积均呈现不同程度的膨胀，所以其折光率减小，此外升高温度还会引起分子间作用力改变，当分子间距离增大时，氯化胆碱低共熔溶剂的折光率也会随之变小。在90℃之前，本发明的所有氯化胆碱低共熔溶剂折光率均大于1.4，普遍高于寻常有机物质。

本实施例还考察了上述制备得到的氯化胆碱低共熔溶剂在30℃不同含水量条件下的折光率，结果如表2所示。

表2. 30℃下不同含水量氯化胆碱低共熔溶剂的折光率

其中，N/A表示无法获得。

表2显示了在30℃下不同含水量氯化胆碱低共熔溶剂的折光率，氯化胆碱低共熔溶剂的折光率均随着含水量的升高而下降，并且呈现线性趋势。当氯化胆碱低共熔溶剂的含水量低于60%时，折光率都在1.4以上，而高于60%以后，部分氯化胆碱低共熔溶剂的折光率下降到1.4以下，例如ChCl/乙二醇、 ChCl/乙酰胺和 ChCl/甲酸。DESs 的水量达到 80%以后，所有氯化胆碱低共熔溶剂的折光率均下降到1.4以下。

实施例8：

本实施例中考察了上述氯化胆碱低共熔溶剂在不同温度（30℃、45℃、60℃、75℃、90℃）和30℃下不同含水量（0%、20%、40%、60%、80%）的粘度，结果如表3和表4所示。

表3. 不同氯化胆碱低共熔溶剂在不同温度下的粘度

其中，N/A表示无法获得。

表3显示了不同温度下氯化胆碱低共熔溶剂的粘度（cP），从表中可以看出，随着温度的逐渐升高，氯化胆碱低共熔溶剂的粘度迅速减小，可见温度对氯化胆碱低共熔溶剂有很大的影响，可能是因为与温度越高氯化胆碱低共熔溶剂将会获得更高的能量，从而分子的流动性会大大提高，导致粘度下降。

表4. 30℃下不同含水量氯化胆碱低共熔溶剂的粘度

其中，N/A表示无法获得。

表4显示了在30℃下不同含水量氯化胆碱低共熔溶剂的粘度（cP），从表中可以看出，随着含水量的增加，氯化胆碱低共熔溶剂的粘度迅速下降，随后趋于平缓。其中ChCl/葡萄糖最为明显，相较于无水状态下的1241000 cP，20%含水量的ChCl/葡萄糖的粘度下降为191.1 cP，这种急剧的下降可能是因为随着水的加入，溶剂内部由氢键构建的超分子结构快速崩塌，从而导致粘度下降。除了ChCl/乙二醇、ChCl/丙二醇、ChCl/苯酚、ChCl/对甲酚、ChCl/甲酸和ChCl/乙酸，大多数氯化胆碱低共熔溶剂在室温下均表现出较高的粘度(＞100cP)。氯化胆碱低共熔溶剂具有较大的离子尺寸和体积非常小的空穴，以及每个组分之间存在广泛的氢键网络，这些都会导致氯化胆碱低共熔溶剂内自由组分的移动性降低，使得氯化胆碱低共熔溶剂粘度升高。此外，氯化胆碱低共熔溶剂的粘度与氢键供体的性质密切相关。例如， ChCl/乙二醇的粘度在30℃时为35.7cP。相比之下，使用糖(如木糖、葡萄糖)或羧酸(如柠檬酸、苹果酸)作为氢键供体导致DESs呈现出高粘度(如 ChCl/柠檬酸DES在30℃下为189600 cP)，这是因为ChCl/柠檬酸存在更强大的三维分子间氢键网络。

实施例9：

本实施例中通过改变氯化胆碱低共熔溶剂种类来测定微晶纤维素的聚合度、结晶度以及糖化效果，进而得到最佳氯化胆碱低共熔溶剂种类，具体操作如下：

将 300 mg 纤维素与10 g氯化胆碱低共熔溶剂混合，在110°C下搅拌4h，待混合溶液冷却至室温后，加入一定量乙醇清洗，然后离心回收预处理后的微晶纤维素，在60°C真空干燥箱中干燥48h后备用。

图4是不同氯化胆碱低共熔溶剂处理前后微晶纤维素的XRD图，其中a为醇类氯化胆碱低共熔溶剂，b为酚类氯化胆碱低共熔溶剂，c为胺类氯化胆碱低共熔溶剂，d为酸类氯化胆碱低共熔溶剂，e为糖类氯化胆碱低共熔溶剂和其他类氯化胆碱低共熔溶剂。从图中可以看出，原微晶纤维素（PH101）和预处理后的微晶纤维素出峰位置都在2θ=18.5°和22.5°附近，对应的晶面为10I 面和002 面，由此可知处理前后的微晶纤维素都是Ⅰ型的，所以氯化胆碱低共熔溶剂预处理并不能改变微晶纤维素的晶型。

表5. 不同氯化胆碱低共熔溶剂预处理后纤维素的聚合度及结晶度

表5显示了不同氯化胆碱低共熔溶剂预处理后纤维素的聚合度及结晶度，其中，PH101表示原微晶纤维素。从表中可以看出，预处理后的微晶纤维素聚合度都呈下降趋势。其中醇类氯化胆碱低共熔溶剂处理后的微晶纤维素聚合度维持在130 ~ 140之间，下降幅度最小；酚类、胺类、糖类以及其他类氯化胆碱低共熔溶剂处理后的微晶纤维素的聚合度在110 ~ 130之间；酸类氯化胆碱低共熔溶剂处理后的微晶纤维素聚合度的下降趋势最为明显，从147下降到了100左右，如ChCl/草酸处理后的微晶纤维素聚合度为78，这是因为酸类氯化胆碱低共熔溶剂中，供体酸对纤维素本来就具备一定的酸解效果，使得纤维素糖苷键发生断裂，导致纤维素链变短，所以聚合度发生大幅下降。

图5是不同氯化胆碱低共熔溶剂预处理前后微晶纤维素的糖化效果图，其中a为醇类氯化胆碱低共熔溶剂，b为酚类氯化胆碱低共熔溶剂，c为胺类氯化胆碱低共熔溶剂，d为酸类氯化胆碱低共熔溶剂，e为糖类氯化胆碱低共熔溶剂、f为其他类氯化胆碱低共熔溶剂。从图中可以看出，醇类氯化胆碱低共熔溶剂处理后的微晶纤维素糖化率与原微晶纤维素（PH101）的糖化率几乎持平，所以醇类 DESs 对微晶纤维素的预处理效果不佳。不同于ChCl/苯酚、ChCl/对甲酚、ChCl/间苯二酚， ChCl/对苯二酚处理后的微晶纤维素糖化效果明显高于原微晶纤维素。ChCl/乙酰胺、ChCl/乙醇胺处理后的微晶纤维素糖化率都比未处理的高，但ChCl/乙酰胺处理后的效果更佳，这可能是因为乙酰胺具有高的介电常数，是许多有机物和无机物的优良溶剂，可用作对水溶解度低的一些物质在水中溶解时的增溶剂，所以对微晶纤维素处理表现出更好的效果。酸类 DESs处理微晶纤维素，其中只有ChCl/乙酸处理后的微晶纤维素糖化效果较好，但是ChCl/柠檬酸、ChCl/酒石酸、ChCl/苹果酸、ChCl/草酸处理后的微晶纤维素的糖率很低，这是因为制备该四种DESs的氢键供体为酸性较强的有机酸，所以合成的DESs对纤维素本身就具备较强的酸解能力，强酸使其纤维素链大量断裂，转化成葡萄糖等其他副产物，不利于后续的酶催化。与未处理的微晶纤维素相比，ChCl/葡萄糖处理后微晶纤维素的糖化效果更好，可能因为是微晶纤维素表面吸附了ChCl/葡萄糖中的糖基，从而干扰了原糖的测定，而ChCl/咪唑、ChCl/氯化锌都没有呈现出较好的处理效果。

综上所述，本实施例中选择ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酰胺、ChCl/乙酸作为最佳的三种预处理溶剂。

实施例10：

本实施例中考察了实施例9中得到的三种氯化胆碱低共熔溶剂在不同预处理温度、预处理时间、酶处理时间的条件下对微晶纤维素的影响，进而得到最佳的预处理条件。

图6是ChCl/对苯二酚、 ChCl/乙酰胺、ChCl/乙酸在不同预处理温度（80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃）和预处理时间（4h、8h、12h）下对微晶纤维素的糖化效果影响图。其中，a₁、b₁、c₁分别为ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酰胺和ChCl/乙酸在不同预处理温度下的糖化效果对比图。从图中可知，随着预处理温度的升高，处理后的纤维素糖化率整体趋势为先升高后下降，温度太低不利于氯化胆碱低共熔溶剂对微晶纤维素结构的破坏，所以糖化率低，而温度过高可能会导致纤维素分子之间发生团聚，不利于后续的催化。ChCl/对苯二酚、 ChCl/乙酰胺在110℃时，糖化效果达到了最佳，而ChCl/乙酸在90℃便可以达到最佳预处理效果，这是因为合成ChCl/乙酸的氢键供体为乙酸，有机酸在处理纤维素的过程中，本身就具备较好的溶解效果，所以ChCl/乙酸的最佳处理温度相对较低。a₂、b₂、c₂分别为ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酰胺、ChCl/乙酸在不同预处理时间下的糖化效果对比图，ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酸随着预处理时间的增加，预处理后的微晶纤维素糖化率逐渐下降，而ChCl/乙酰胺在预处理纤维素时间上的增长对糖化率并没有很大的影响，所以考虑到能量的消耗，选择4h为最佳预处理时间。

综上所述，ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酰胺预处理微晶纤维素的最佳条件为：110℃、4 h，ChCl/乙酸预处理微晶纤维素的最佳预处理条件为90℃、4 h。

实施例11：

本实施例中考察了在上述得到的最佳预处理条件下预处理微晶纤维素，处理后微晶纤维素的性能。

图7是最优条件预处理后微晶纤维素在不同时间下糖化率增长对比图。从图中可以看出，随着催化时间的增长，三种氯化胆碱低共熔溶剂预处理后的微晶纤维素糖化效果呈先增大后减小趋势。其中，ChCl/对苯二酚和ChCl/乙酰胺预处理后的微晶纤维素在96h糖化率增长最高，对原微晶纤维素（PH101）糖化效果分别提升了14.8%和12.5%，而ChCl/乙酸预处理后的微晶纤维素，在48h 糖化效果达到最佳，糖化率提升了20.5%。对于酶催化时间越久，氯化胆碱低共熔溶剂预处理后的微晶纤维素糖化率效果增长率下降的原因可能是，预处理后的微晶纤维素在清洗后，表面仍有氯化胆碱低共熔溶剂的残留，这些残留的DESs会在后续的催化过程中，影响酶的活性，从而导致糖化效果下降。

图8是预处理前后微晶纤维素的TGA图。从图中可以看出，原微晶纤维素（PH101）和经氯化胆碱低共熔溶剂预处理后的微晶纤维素都经历了失水、快速失重、缓慢失重三个阶段。谱图在330℃时开始出现失重，在330℃~370℃范围内，原微晶纤维素和预处理后的微晶纤维素发生热裂解，出现明显的失重。其中，原微晶纤维素发生热裂解的范围为340℃ ~370℃。非溶解预处理后的微晶纤维素热裂解温度范围为330℃ ~360℃。由分析结果可知预处理过程中微晶纤维素的热稳定性略有降低，但下降幅度很小，这可能是由于预处理过程破坏了纤维素长链，导致其热稳定性略有下降。

图9为预处理前后微晶纤维素的XRD衍射图。从图中可以看出，氯化胆碱低共熔溶剂非溶解预处理并没有改变纤维素的晶型，依旧维持在纤维素Ⅰ型。

图10为原微晶纤维素与预处理后微晶纤维素的红外光谱图。图中可以看出微晶纤维素的特征峰δCH、 νCH、 βCH2 和 νCOC（2891cm^-1、 1432 cm^-1、1374 cm^-1和1163cm^-1）在处理过程中基本保持不变，这表明纤维素在预处理过程中结构未发生明显变化，且没有纤维素衍生物的产生。但处理后微晶纤维素的典型羟基峰（3345 cm^-1）发生了微弱的蓝移，且变窄。由此可以推测，氯化胆碱低共熔溶剂预处理使得微晶纤维素分子链的羟基强度有所减弱，部分羟基发生了断裂。

图11为原微晶纤维素与预处理后微晶纤维素的SEM图。其中 a、b、c、d 分别为原微晶纤维素、ChCl/乙酸、ChCl/乙酰胺、ChCl/对苯二酚预处理后的微晶纤维素放大300倍下的表面形貌，可以看出在同样标尺下，预处理后的微晶纤维素与原微晶纤维素相比，其纤维素长度与体积更为均匀细小。 e、f、g、h分别为原微晶纤维素、ChCl/乙酸、ChCl/乙酰胺、ChCl/对苯二酚预处理后的微晶纤维素放大10000倍下的微观形貌，可以细致的观察到原微晶纤维素表面相对平整且光滑，而预处理后的微晶纤维素表面有较多的空隙与裂缝，显得粗糙不均匀。所以氯化胆碱低共熔溶剂预处理微晶纤维素，使其表面形貌粗糙，增加了微晶纤维素的可及性，从而促进了微晶纤维素的酶解。

图12为纤维素酶吸附曲线图。吸附曲线测定了微晶纤维素与纤维素酶的结合能力，进一步揭示了微晶纤维素的孔隙度和可及性。预处理前后微晶纤维素上吸附的酶含量都随时间的增长而增加。氯化胆碱低共熔溶剂预处理后的酶吸附量均高于原微晶纤维素，说明了DESs预处理微晶纤维素可以获得更高的表面积和更多的纤维素酶结合位点，加快了酶的吸附速率，从而提高后续的糖化效果。

实施例12：

本实施例中考察了经ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酰胺、ChCl/乙酸预处理后微晶纤维素的回收率、聚合度和结晶度，具体结果如表6所示。

表6. 预处理后微晶纤维素的回收率、聚合度和结晶度

表6显示了经ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酰胺、ChCl/乙酸处理后纤维素的回收率、聚合度和结晶度数据。经计算原微晶纤维素结晶度为82.93%，经ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酰胺、ChCl/乙酸处理后微晶纤维素的结晶度分别为 83.99%、83.48%、84.23%。整体来看经DESs 预处理后的微晶纤维素结晶度还略有增长。由此推测，非溶解预处理的过程只是破坏了纤维素的非结晶区，并不能破坏结晶区致密的结构，经ChCl/对苯二酚、ChCl/乙酰胺、ChCl/乙酸处理后微晶纤维素的回收率分别为99.00%、99.40%和97.93%。

本实施例中还考察了氯化胆碱低共熔溶剂预处理后的微晶纤维素的活化能，表7为纤维素酶的动力学和阿伦尼乌斯参数，从表7中可以看出，氯化胆碱低共熔溶剂处理后的微晶纤维素的活化能低于原纤维素，说明纤维素酶更容易吸附在预处理后的纤维素上。结果表明，氯化胆碱低共熔溶剂预处理能提高微晶纤维素对酶的吸附能力，加快纤维素的水解速度。

表7. 纤维素酶的动力学和阿伦尼乌斯参数

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。