基于密度泛函理论解析的乙二醇溶剂体系高效木质素优先解离与生物质分馏机制研究

本研究针对木质纤维素生物质转化中木质素-碳水化合物复合物(LCCs)解离效率低的问题，通过NaOH/H2SO4催化乙醇/乙二醇(EG)/甘油溶剂体系预处理小麦秸秆，结合密度泛函理论(DFT)模拟，揭示EG双羟基增强分子极性指数(MPI达15.88 kcal mol-1)和静电势(+66.23 kcal mol-1)的协同作用机制，实现89.97%脱木质素率和79.78%可发酵糖得率，为生物精炼溶剂选择提供原子尺度理论框架。

　　

在全球碳中和背景下，木质纤维素生物质作为最具潜力的可再生碳资源，其高效转化技术关乎能源安全与环境可持续发展。然而，天然植物细胞壁中木质素与碳水化合物通过共价/非共价键形成的三维网状结构，构成了难以攻克的"生物质抗降解屏障"。传统预处理方法往往面临脱木质素效率低（<70%）、碳水化合物损失率高（>20%）以及关键β-O-4连接键过度断裂等瓶颈，严重制约后续酶解发酵效率。更棘手的是，现有溶剂筛选多依赖经验试错法，缺乏从分子层面解析溶剂-木质素相互作用机制的普适性理论指导。

针对这一系列挑战，来自中国的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表创新性研究。该工作通过整合多尺度实验与量子化学计算，系统比较NaOH/H₂SO₄催化下乙醇、乙二醇(EG)和甘油三种溶剂对小麦秸秆的预处理效果，首次从电子结构层面阐明EG优越性能的物理化学本质。研究采用密度泛函理论(DFT)计算溶剂分子特性参数，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)等表征技术验证理论预测，最终通过同步糖化发酵(SSF)实验确认处理效果与生物燃料产出的相关性。

关键方法
研究以中国唐山某公司提供的小麦秸秆为原料，经粉碎筛分后分别进行NaOH/H₂SO₄-乙醇/EG/甘油预处理。采用美国国家可再生能源实验室(NREL)标准方法分析化学成分，通过DFT计算溶剂分子极性指数(MPI)和静电势(ESP)，结合FTIR和XRD分析木质素结构变化，最后利用酿酒酵母进行SSF实验测定乙醇转化率。

研究结果

化学组成分析
原生小麦秸秆含37.32%葡聚糖、24.29%木聚糖和19.48%酸不溶木质素(AIL)。经1% NaOH-EG预处理后固体得率降至52.17%，但脱木质素率高达89.97%，显著优于乙醇(76.45%)和甘油(82.31%)体系。液相色谱显示EG预处理液中含有最大比例的β-O-4保留型木质素片段(≥85%)。

DFT理论计算
EG的双羟基结构使其MPI达到15.88 kcal mol^-1，比乙醇(14.99 kcal mol^-1)高6%，ESP值(+66.23 kcal mol^-1)更可通过偶极-偶极相互作用特异性破坏LCCs界面。这种特性使其既能增强木质素溶解性，又能保护β-O-4连接键免遭过度断裂。

结构表征验证
FTIR谱图中EG预处理样品在1510 cm^-1(木质素芳香环振动)和1270 cm^-1(β-O-4特征峰)信号减弱最显著，XRD显示其纤维素结晶度指数(54.7%)低于乙醇处理组(61.2%)，证实EG对木质素的选择性溶出能力。

SSF性能验证
NaOH-EG组获得最高乙醇转化率(78.37%)，比H₂SO₄-EG组提高12.6%，且木糖得率达58.35%。这种差异与DFT预测的溶剂极性趋势完全吻合，证实理论模型指导实践的可靠性。

结论与展望
该研究通过"实验现象-理论计算-机理解析-应用验证"的全链条研究，首次建立溶剂极性参数(MPI/ESP)与木质素提取效率的定量关系。EG凭借其独特的双羟基结构，在原子尺度上实现"选择性溶解木质素而不破坏关键连接键"的双重目标，为生物精炼溶剂设计提供全新范式。未来研究可拓展至其他二元醇溶剂体系，并探索该理论在工业放大过程中的参数优化。这项工作不仅推动生物质转化从经验筛选走向理性设计，更为实现"碳中和"目标下的木质素高值化利用奠定理论基础。