基于废弃小麦秸秆多尺度纤维素与木质素的可调控力学-光学性能全生物质材料开发

本研究针对木质纤维素生物质高值化利用中能耗高、流程复杂的问题，开发了基于低共熔溶剂(DESs)的一步法全生物质材料制备技术。通过调控ChCl-LA(氯化胆碱-乳酸)体系的摩尔比(1:1至1:10)，实现了木质素S单元选择性断裂与酚羟基富集，构建的MFC-LLA材料拉伸强度达32 MPa，杨氏模量5445 MPa，较纯纤维素浆提升3.5倍，同时具备可调控的紫外屏蔽性能，为绿色化学理念下的生物基材料设计提供了新范式。

　　

在全球碳中和背景下，如何实现农业废弃物的高值化利用成为材料科学领域的重要命题。小麦秸秆作为主要农作物废弃物，其含有25.5%的木质素和71.2%的纤维素，传统处理方式往往需要能耗密集的分离纯化步骤，且难以保留木质素的活性官能团。更棘手的是，再生木质素与纤维素间的界面相容性差，导致全生物质材料的力学性能远低于石油基材料。这些瓶颈严重制约了生物质材料的产业化应用。

针对这一挑战，来自国家地方联合工程实验室的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表创新成果。他们巧妙利用深共熔溶剂(DESs)的"一石三鸟"特性——既能溶解木质素，又能调控其分子结构，还可作为纤维素分散介质。通过系统研究氯化胆碱(ChCl)与乳酸(LA)不同摩尔比(1:1至1:10)对小麦秸秆组分的影响，发现当LA比例升高时，质子活性增强可选择性断裂木质素中紫丁香基(S)单元的β-O-4键，同时保留重要的碳碳键结构。这种精准调控使再生木质素(L_1:10)酚羟基含量提升37%，为与纤维素形成强氢键网络奠定基础。

关键技术包括：(1)采用DESs分级处理废弃小麦秸秆；(2)通过核磁共振分析木质素结构演变；(3)构建微纤化纤维素(MFC)与改性木质素的复合体系；(4)力学性能测试与紫外屏蔽效能评估。研究样本来源于中国湖北省的废弃小麦秸秆。

【Effect of DES treatment on wheat straw composition】
当ChCl:LA从1:1增至1:10时，木质素脱除率从41.2%提升至68.5%。二维HSQC NMR显示高LA比例促进S单元β-O-4键断裂，同时保持苯丙烷骨架完整性，形成酚羟基富集的L_1:10木质素。这种结构变化使木质素与纤维素间氢键密度增加2.3倍。

【Material characterization】
所得MFC-L_LA材料展现出优异的机械性能：拉伸强度32 MPa是纯纤维素膜(9 MPa)的3.5倍，杨氏模量达5445 MPa。原子力显微镜证实木质素可有效填充纤维素纤维间隙，界面结合能提升至145 nN/nm。紫外屏蔽实验显示，含L_1:10的薄膜对UV-A区(315-400 nm)屏蔽率达98.7%。

【Conclusions】
该研究突破传统生物质处理的能源瓶颈，通过DESs原位调控木质素-纤维素相互作用，创制出性能可编程的全生物质材料。分子层面证实LA浓度与木质素酚羟基含量的正相关性，为"结构-性能"关系建立定量模型。这种绿色制造策略不仅简化生产流程，更开辟了农业废弃物制备高性能材料的新路径。

研究意义在于：(1)首次实现DESs处理-材料制备的一体化流程，避免溶剂回收能耗；(2)阐明木质素酚羟基含量与材料力学性能的构效关系；(3)开发出兼具高强度和紫外屏蔽功能的可降解材料。正如通讯作者Jinfeng Wang强调的，该方法可扩展至其他生物质体系，为循环经济提供关键技术支撑。