广西大学姚双全，CHEMSUSCHEM：使用新型羧酸基低共熔溶剂——氯化胆碱/丙二酸高效分离杨木质素

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论文信息

研究背景

随着科技的不断进步与创新，木质纤维生物质正经历着持续的赋能与提质增效。木质素，作为木质纤维生物质的关键成分，因其丰富的芳香族化合物特性而备受瞩目。其结构中蕴含的甲氧基、酚羟基、脂肪族羟基和羰基，赋予了木质素抗氧化、抗菌、稳定及增强增韧等多重性能，使其在光子材料、生物医学、食品包装及医疗器械等领域展现出巨大潜力。木质素在木质纤维生物质中的独特分布与结构特征，如作为填充剂和黏合剂存在于微细纤维间，以及与半纤维素通过共价键和氢键形成木质素-碳水化合物复合物（LCC），为高效利用带来了挑战。预处理成为解决这一问题的关键手段，其中低共熔溶剂（DES）因其制备简便、经济环保、低毒可回收等优点备受青睐。DES常由氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD），组成氯化胆碱（ChCl）作为价格低廉、易于生物降解的HBA被广泛使用。HBD则选择多样，常用羧酸和多元醇。研究表明，酸性DES在生物质解构中效果更佳，归因于羧基提供的活性质子。为提升木质素分离效率，构建新型DES预处理至关重要。二羧酸DES因其更高的氢键强度、极性和酸度，展现出更强的木质素分馏能力。特别是丙二酸（MA），其较短的烷烃链和强酸性有利于对木质纤维素生物质的渗透，从而提高木质素的分离效率。因此，构建ChCl/MA预处理体系并研究其对木质素的分离效果，具有重要的研究价值。

文章概述

近日，由广西大学轻工与食品工程姚双全副教授科研团队提出了一种新型二羧酸DES预处理分离技术，用于高效分离杨木木质素。在较优预处理条件下（ChCl:MA摩尔比1:3.5，温度140°C，时间3.0 h），木质素的获取率高达91.81%。与常规DES（如ChCl/乳酸和ChCl/乙酸）相比，ChCl/MA预处理展现出更高的木质素分离效率，回收率和纯度分别达到92.40%和94.62%。此外，经新型DES预处理所得的木质素具有较低的多分散性（1.41）和丰富的酚羟基含量（1.87 mmol·g⁻¹）。研究结果表明，采用新型二元羧酸基DES预处理技术，实现了对木质素的高效且选择性分离。这一发现为木质纤维生物质的高效分馏以及木质素的高值化利用开辟了新的研究方向，具有重要的理论与实践指导意义。

图文导读

图1 ChCl/MA预处理对杨木中纤维素、木质素和半纤维素分离效率的影响（a，摩尔比；b，温度；c，时间；d，循环次数）。

图2 DES预处理前后纤维素残渣的表面形态（a，扫描电镜；b，木聚糖的CLSM；c，木质素的CLSM）。

图3 DES 预处理前后样品的理化性质分析（a, 傅立叶变换红外光谱；b, XRD；c, 热重分析；d, DTG）

图4 DES预处理前后样品的XPS

图5 DES预处理前后样品的CP-MAS 13C NMR

图6 不同木质素样品的二维-HSQC NMR 光谱（脂肪族区：δC/δH 45-90/2.5-6），芳香族区：δC/δH 100-135/5.5-8.0）

图7 ChCl/MA预处理过程中的（a）质量平衡和（b）β-O-4键裂解途径

结论

团队成功合成新型二羧酸基DES，并应用于杨木的分离研究中。实验证实，ChCl/MA预处理对木质素分离展现出高度选择性。在最优条件下，木质素的分离效率高达91.81%，回收得率与纯度分别达到了92.40%和94.62%。所回收的木质素不仅分子量较低（1550-2191 g/mol），多分散性指数也仅为1.41，且β-芳基醚含量减少，酚羟基含量增加。本研究为木质纤维生物质中木质素的高效分离与高纯度提取提供了新途径，也为回收木质素的高值化利用开辟了新机遇。

期刊简介

《ChemSusChem》发表以化学为核心、在可持续性研究各个领域具有影响力的科研成果，包括绿色合成与化学、能源储存与转化以及材料升级回收等方向。该期刊涵盖范围广泛，涉及可再生能源与材料、碳捕获与转化、氢能、环境化学、可持续催化以及绿色化学的所有方面。

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