用于高品质木质素生产的顺序自动水解离子液体分馏工艺
木质纤维素生物质作为一种可再生资源，已被研究用于生产燃料、化学品和其他生物产品。然而，木质纤维素生物质复杂的结构和化学特性使其对通过生物化学、物理化学和热机械平台进行分馏具有高度的抗性。为了克服这种顽固性，已经开发了多种针对纤维素结晶度、生物质孔隙度和基质多糖溶解度的预处理工艺。然而，木质素和半纤维素是形成大部分植物细胞壁的主要成分，难以有效地分馏和回收。并且在这些过程中，会伴随大量的低价值副产品产生。
因此，满足综合生物炼制要求的新工艺，必须具备对每个木质纤维素组分进行选择性分离的有效性，同时提供高纯度的分离组分。离子液体(IL)工艺作为一种满足这些要求的潜在技术，近年来受到了极大的关注。
基于此，来自田纳西大学农业学院的Nicole Labbé教授等人开发一种将杂交杨（HP）生物质依次分馏为纤维素、半纤维素和木质素，并具有高产率和纯度的新策略。提出了一种两步自动水解和IL-活化预处理方法，并对其在生物质分馏中的有效性进行了评估。
已有研究表明，HP半纤维素可以在160℃ 60分钟内自动水解成可溶性糖，并少量降解为木质素和纤维素。因此，研究采用这些条件从HP中部分提取半纤维素。在木质纤维素生物质的自动水解过程中，半纤维素多糖之间的半缩醛连接的水解裂解导致乙酸的形成，而乙酸又催化碳水化合物的进一步解聚（图2）。
进一步研究了IL 1-甲基-4-乙基咪唑鎓乙酸盐([C2mim][OAc])处理后的纤维素结晶度的变化。如图3结果所示，IL活化降低了HP的结晶度，这是由于[C2mim][OAc]具有高度的碱性，因此容易与纤维素的OH基团形成氢键，导致生物质再生时膨胀并随之失去结晶度。此外，两步预处理在引入纤维素结晶结构的紊乱方面非常有效，这将在随后的酶解糖化阶段发挥关键作用。
通过二维核磁谱(2D-HSQC NMR)研究了分离出的木质素的结构特性，HP（起始材料）和IL-木质素（图4）的NMR光谱被分为两个区域——芳香族和侧链。在NMR光谱的芳香区，原生HP木质素显示出肉桂基(S)、愈创木(G)、对羟基苯甲酸酯(P)和肉桂醇基（图4a）。从图4b中可以看出，除了氧化的肉桂基(S′)基团略有减少外，S、G和P单元的信号在IL-木质素中是存在的，从而证明分馏过程对这些芳香单元没有明显影响。在IL-木质素中没有检测到肉桂醇端基（图4b），这是由于其在自动水解过程中被裂解了。
综上所述，本研究采用顺序自动水解、温和IL-活化和酶糖化工艺，成功地将木质纤维素生物质分馏为碳水化合物和富含木质素的组分。通过该方法分馏并分离出约84.6%的纤维素、67.2%的半纤维素和70.6%的木质素，纯度高、质量损失小。这种顺序分馏工艺可获得质量更好的木质素，可与增值化工和材料制造相结合，进而促进木质纤维素初级成分的生物基产品合成。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.energyfuels.0c03849
原文作者：
Jing Wang, Kalavathy Rajan, Aparna Annamraju, Stephen C. Chmely, Sai Venkatesh Pingali, Danielle Julie Carrier and Nicole Labbé
DOI: 10.1021/acs.energyfuels.0c03849
