木質纖維素生物質作為一種可再生資源，已被研究用于生產燃料、化學品和其他生物產品。然而，木質纖維素生物質復雜的結構和化學特性使其對通過生物化學、物理化學和熱機械平臺進行分餾具有高度的抗性。為了克服這種頑固性，已經開發了多種針對纖維素結晶度、生物質孔隙度和基質多糖溶解度的預處理工藝。然而，木質素和半纖維素是形成大部分植物細胞壁的主要成分，難以有效地分餾和回收。并且在這些過程中，會伴隨大量的低價值副產品產生。
因此，滿足綜合生物煉制要求的新工藝，必須具備對每個木質纖維素組分進行選擇性分離的有效性，同時提供高純度的分離組分。離子液體(IL)工藝作為一種滿足這些要求的潛在技術，近年來受到了極大的關注。
基于此，來自田納西大學農業學院的Nicole Labbé教授等人開發一種將雜交楊（HP）生物質依次分餾為纖維素、半纖維素和木質素，并具有高產率和純度的新策略。提出了一種兩步自動水解和IL-活化預處理方法，并對其在生物質分餾中的有效性進行了評估。
已有研究表明，HP半纖維素可以在160℃ 60分鐘內自動水解成可溶性糖，并少量降解為木質素和纖維素。因此，研究采用這些條件從HP中部分提取半纖維素。在木質纖維素生物質的自動水解過程中，半纖維素多糖之間的半縮醛連接的水解裂解導致乙酸的形成，而乙酸又催化碳水化合物的進一步解聚（圖2）。
進一步研究了IL 1-甲基-4-乙基咪唑鎓乙酸鹽([C2mim][OAc])處理后的纖維素結晶度的變化。如圖3結果所示，IL活化降低了HP的結晶度，這是由于[C2mim][OAc]具有高度的堿性，因此容易與纖維素的OH基團形成氫鍵，導致生物質再生時膨脹并隨之失去結晶度。此外，兩步預處理在引入纖維素結晶結構的紊亂方面非常有效，這將在隨后的酶解糖化階段發揮關鍵作用。
通過二維核磁譜(2D-HSQC NMR)研究了分離出的木質素的結構特性，HP（起始材料）和IL-木質素（圖4）的NMR光譜被分為兩個區域——芳香族和側鏈。在NMR光譜的芳香區，原生HP木質素顯示出肉桂基(S)、愈創木(G)、對羥基苯甲酸酯(P)和肉桂醇基（圖4a）。從圖4b中可以看出，除了氧化的肉桂基(S′)基團略有減少外，S、G和P單元的信號在IL-木質素中是存在的，從而證明分餾過程對這些芳香單元沒有明顯影響。在IL-木質素中沒有檢測到肉桂醇端基（圖4b），這是由于其在自動水解過程中被裂解了。
綜上所述，本研究采用順序自動水解、溫和IL-活化和酶糖化工藝，成功地將木質纖維素生物質分餾為碳水化合物和富含木質素的組分。通過該方法分餾并分離出約84.6%的纖維素、67.2%的半纖維素和70.6%的木質素，純度高、質量損失小。這種順序分餾工藝可獲得質量更好的木質素，可與增值化工和材料制造相結合，進而促進木質纖維素初級成分的生物基產品合成。
原文鏈接：
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
