新型三元低共熔溶剂预处理小麦秸秆实现高效酶解糖化与高值木质素回收

针对木质纤维素生物质高效利用的难题，山东研究人员开发了由氯化胆碱/三甘醇/草酸构成的新型三元低共熔溶剂(DES)预处理体系。该体系在温和条件下实现65.2%脱木质素率和76.3%半纤维素去除率，酶解葡萄糖产率达90.6%，同时获得结构完整的β-O-4键保留木质素。研究为生物质绿色精炼提供了经济可行的溶剂方案。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，开发绿色可持续的生物质资源成为全球焦点。木质纤维素作为最丰富的可再生资源，其三大组分——纤维素、半纤维素和木质素通过复杂化学键交联形成顽固结构，严重阻碍生物转化效率。传统预处理方法如酸碱法存在污染大、能耗高、木质素结构破坏等问题，而新兴的深共熔溶剂(DES)因其可设计性强、环境友好等优势成为研究热点。然而现有二元DES体系存在脱木质素效率低或反应条件苛刻等缺陷，且对回收木质素的结构特性研究不足。

针对这些挑战，山东的研究团队创新性地构建了氯化胆碱(ChCl)/三甘醇(TEG)/草酸(OA)三元DES体系。该研究系统考察了不同预处理参数对小麦秸秆组分分离的影响，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、二维核磁(2D-HSQC)等技术解析物料结构演变，并评估了DES循环使用性能。论文发表于农林科学领域权威期刊《Industrial Crops and Products》。

研究采用的主要方法包括：1) 不同配比DES的制备与表征；2) 多参数(温度、时间、摩尔比)优化预处理实验；3) 酶解糖化效率测定；4) 凝胶渗透色谱(GPC)分析木质素分子量分布；5) 二维异核单量子相干(2D-HSQC NMR)解析木质素结构；6) 五轮DES循环再生实验。实验原料为山东日照农场采集的小麦秸秆。

3.1 三元DES预处理对小麦秸秆化学成分的影响
研究发现ChCl/TEG/OA(1:2:1.5)在130℃处理60分钟时达到最佳平衡：脱木质素率65.2%，半纤维素去除率76.3%，纤维素保留率92.1%。相比二元DES，三元体系协同效应显著——OA促进木质素-碳水化合物复合物(LCC)中酯键断裂，TEG则通过α位醚化保护β-O-4键免于过度缩合。

3.2 DES预处理对物料形态结构的影响
XRD显示预处理后结晶度指数(CrI)从45.23%升至63.91%，SEM观察到表面粗糙化与孔隙形成。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)证实1745 cm^-1处酯键特征峰减弱，表明LCC成功解离。纤维素聚合度(DP)从575降至393，暴露出更多还原末端利于酶解。

3.3 酶解效率提升机制
三元DES预处理样品72小时酶解葡萄糖产率达90.6%，较原始物料提升5.5倍。这种增效源于：1) 木质素屏障去除减少酶无效吸附；2) 半纤维素溶解解除空间位阻；3) TEG醚化增强木质素亲水性。

3.4 木质素结构特性解析
GPC显示再生木质素分子量(M_w)为1312 g/mol，分散度(?)约2.0。2D-HSQC NMR发现β-O-4键含量从50.06%(CEL)降至18.53%，但形成新型β'-O-4键(80.07/4.51 ppm)，证实TEG通过醚化捕获碳正离子中间体，有效抑制缩合反应。芳香区未检出缩合结构，保留完整的S/G/H单元。

3.5 DES循环性能评估
经过五次循环，脱木质素率仍保持51.2%，对应酶解产率78.9%。性能衰减主要源于体系中积累的木质素片段干扰氢键网络。

3.6 物料平衡分析
每100g小麦秸秆可产出39.72g葡萄糖和14.45g木糖，同时回收22.84g高纯度木质素，实现全组分梯级利用。

该研究开创性地将三元DES体系应用于小麦秸秆预处理，通过OA与TEG的协同作用，在温和条件下同步实现高糖转化率与高品质木质素回收。其科学价值体现在：1) 阐明TEG通过α-醚化保护木质素结构的分子机制；2) 建立DES循环使用与性能衰减的关联模型；3) 为生物精炼提供"一锅法"绿色预处理方案。从应用角度看，该工艺操作温度较传统方法降低20-30℃，DES组分均可生物降解，且木质素产物适合催化升级为芳香化学品，符合"双碳"战略需求。未来研究可进一步优化能耗核算，开发DES中半纤维素组分回收工艺，并评估设备腐蚀风险。