苯-乙醇提取物对杨树和桉树中通过深共晶溶剂法提取木质素的影响

《Journal of Biotechnology》：Impact of Benzene-Ethanol Extractives on Deep Eutectic Solvent-Mediated Lignin Extraction from Poplar and Eucalyptus

苯乙醇提取物的去除显著提升深共熔溶剂（DES）对杨树和桉树木质纤维素分馏效率，改善润湿性及孔隙结构，再生木质素含氧基团增多、芳香环更复杂且热稳定性增强。

　　在当前全球能源需求持续增长以及环境问题日益严峻的背景下，绿色、可持续的替代能源成为科研领域的重要课题。木质纤维素生物质作为一种可再生的碳资源，因其碳中性特性、广泛可得性和在燃料及化学品生产中的巨大潜力，受到了广泛关注。其中，木质纤维素生物质主要包括纤维素、半纤维素和木质素三种成分，它们分别在生物转化过程中发挥重要作用。纤维素和半纤维素作为多糖类聚合物，为生物转化提供了丰富的糖源，而木质素作为一种复杂的芳香型生物聚合物，具有转化为高附加值化学品或燃料的潜力。然而，木质纤维素生物质复杂的化学结构和物理形态，尤其是其紧密的交联结构和高密度特性，显著阻碍了其有效分离和利用。因此，开发高效且可持续的预处理技术，以打破这种难以处理的结构，是提高木质纤维素转化效率和价值的关键。

近年来，深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DES）作为一种新型的绿色溶剂系统，因其独特的优点在木质纤维素的分离过程中展现出巨大潜力。DES具有高度的可设计性、高效的溶解能力、环境友好性和良好的稳定性，这些特性使其成为替代传统有机溶剂的理想选择。DES通常由氢键受体（Hydrogen Bond Acceptors, HBA）和氢键供体（Hydrogen Bond Donors, HBD）通过分子间氢键作用形成。由于其组成和结构的多样性，DES在溶解和分离木质纤维素方面的性能也存在显著差异。通过调整DES的配方，可以进一步优化其在木质纤维素处理中的应用效果。

在本研究中，重点探讨了木质纤维素原料中苯-乙醇提取物对DES预处理效果的影响。苯-乙醇提取物的去除显著提高了木质纤维素原料表面自由能（Surface Free Energy, SFE）中的极性组分，从而显著增强了DES在原料表面的润湿能力。这种润湿能力的提升有助于改善热和质量传递效率，进而提高木质素的分离效果。此外，提取物的去除还改变了原料表面的孔隙结构，使得DES能够更有效地渗透并进行反应，从而进一步优化木质纤维素的分离效果。研究结果表明，经过苯-乙醇提取后，木本植物的木质素去除率分别达到了81.92%和80.16%。同时，提取的木质素表现出更高的羟基含量、更复杂的芳香环结构以及更高的热稳定性，这些发现进一步证实了去除苯-乙醇提取物在提高DES分离效率方面的潜在价值。

为了更全面地理解苯-乙醇提取物对DES预处理效果的影响，本研究选取了典型的速生经济树种——白杨和桉树作为研究对象。白杨和桉树的木质纤维素成分存在显著差异，白杨木质素主要由愈创木基（G）单体构成，而桉树木质素则主要由愈创木基和香草基（S）单体组成。这些差异使得不同树种在DES处理中的表现有所不同。此外，研究还发现，木质素的结构特性对其在DES中的溶解行为具有重要影响。例如，白杨木质素由于其较高的分子线性度和丰富的酯键，相对较容易在化学处理过程中被分解和溶解。而桉树木质素则因其较高的分子交联度，表现出更高的化学惰性和更低的溶解效率。因此，为了提高木质素的分离效率，去除苯-乙醇提取物成为一项重要的预处理策略。

研究中采用了一系列实验方法，包括苯-乙醇提取、DES预处理、表面能分析、孔隙结构表征、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析以及热重分析（TGA）。通过这些方法，研究人员能够从多个角度评估不同树种在去除提取物后的物理和化学特性变化。结果表明，去除苯-乙醇提取物显著提高了木质纤维素原料的表面能极性组分，从而改善了DES在原料表面的润湿能力。此外，提取物的去除还改变了原料的孔隙结构，使得DES能够更有效地渗透和反应，从而提高木质素的去除效率。这些发现为DES在木质纤维素分离中的应用提供了新的思路，并为工业规模的木质纤维素预处理技术提供了优化方向。

在实际应用中，去除苯-乙醇提取物不仅能够提高DES的分离效率，还能够改善溶剂的可回收性和再利用性能。传统的溶剂处理方法，如酸碱处理和有机溶剂提取，虽然在某些方面取得了进展，但也伴随着诸如纤维素降解、半纤维素过度溶解和木质素结构破坏等问题，限制了其广泛应用。相比之下，DES作为一种环境友好的溶剂系统，具有较高的可回收性和较低的环境影响，因此在可持续生物精炼领域展现出广阔的应用前景。

本研究还发现，去除苯-乙醇提取物对木质素的结构和热稳定性产生了积极影响。通过FT-IR分析，研究人员发现去除提取物后的木质素表现出更高的羟基含量和更复杂的芳香环结构，这表明提取物的去除有助于提高木质素的化学活性和热稳定性。此外，TGA结果表明，去除提取物后的木质素在高温下表现出更稳定的热分解行为，其残余碳含量更高，说明其结构更加复杂且紧密。这些发现不仅有助于理解DES处理木质纤维素的机理，也为木质素的高附加值应用提供了理论支持。

综上所述，去除苯-乙醇提取物是提高DES木质纤维素分离效率的一种有效策略。该方法不仅能够改善原料的润湿性和孔隙结构，还能显著提高木质素的去除率和热稳定性。因此，苯-乙醇提取作为DES预处理的一部分，具有重要的实际应用价值。未来的研究可以进一步探索不同类型的DES配方及其对木质纤维素处理效果的影响，以期开发出更加高效、环保和经济的木质纤维素预处理技术。此外，针对不同木质纤维素原料的特性，优化提取和处理条件，也有助于提高整体处理效率和资源利用率。