基于柠檬酸-果糖天然低共熔溶剂的木质素绿色提取与表征研究

本研究针对传统木质素提取过程中使用有毒化学品和酸沉淀法带来的环境问题，创新性地采用100%有机水果基天然低共熔溶剂(NADES)体系（柠檬酸/果糖），开发了无酸回收工艺，从Ghaf树废料中提取出高纯度木质素（最高得率9.50%，回收率44.10%）。通过SEM、FTIR、XRD等表征证实该方法能有效保留木质素芳香结构，其热稳定性（Ea≈155 kJ/mol）和碳含量（53.22%）显著提升，为生物质资源绿色转化提供了新范式。

　　

木质素作为植物细胞壁中仅次于纤维素的第二大生物聚合物，每年全球生物合成量高达2×10¹¹吨，但其复杂的交联结构使得传统分离方法依赖强酸强碱（如8-10%氢氧化钠），不仅产生环境污染，还可能导致木质素结构降解。更棘手的是，目前广泛使用的胆碱氯化物基低共熔溶剂(DES)虽比传统方法环保，但其合成过程涉及盐酸，并非完全有机。这些问题严重制约了木质素在生物燃料、生物塑料等高附加值领域的应用潜力。

针对这些挑战，阿拉伯联合酋长国大学（United Arab Emirates University）化学与石油工程系的Mohsin Raza团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表创新研究。他们首次采用完全有机的柠檬酸-果糖天然低共熔溶剂(NADES)，结合创新的无酸回收工艺，从阿联酋国树Ghaf（Prosopis cineraria）的农业废弃物中成功提取高纯度木质素。通过调节NADES的摩尔比（1:1:1至5:1:1）和pH（1.70-1.40），在pH 1.4时获得最佳提取效果。

研究采用冻干结合循环水洗-烘干的温和回收方法替代传统硫酸沉淀，关键技术包括：扫描电镜(SEM)观察形貌变化，能量色散X射线光谱(EDX)分析元素组成，紫外光谱(UV-Vis)检测芳香结构完整性，X射线衍射(XRD)测定结晶度，傅里叶变换红外光谱(FTIR)鉴定官能团，以及热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)评估热性能。

【结果与讨论】

3.1 得率与化学组成：在pH 1.4的5:1:1摩尔比NADES中实现最高木质素得率（9.50%），较pH 1.7体系提升71%。EDX显示碳含量从原料的63.15%提升至69.73%，氧含量降低13.74%，证实有效去除纤维素/半纤维素。

3.2 SEM分析：提取木质素呈现光滑均质表面，原料的纤维状孔隙结构完全消失，层状断裂形貌反映其脆性特征。

3.4 UV-Vis光谱：280 nm处特征峰证实完整保留苯丙烷单元，300-500 nm宽平台表明存在交联芳香结构，与商业木质素光谱特征一致。

3.5 XRD分析：木质素结晶度指数(C_rl)从原料的41.46%骤降至10.56%，21.5°纤维素特征峰消失，验证多糖的有效去除。

3.6 FTIR谱图：1742 cm^-1处半纤维素羰基峰消失，1617 cm^-1和1507 cm^-1木质素芳香环振动峰增强，3414 cm^-1羟基峰锐化转为酚羟基特征。

3.7 热分析：TGA显示木质素分解区间（202-362°C）质量损失比原料减少43.08%，700°C残炭率提升77%至36.92%。DTG曲线中纤维素340°C特征峰消失，349°C和411°C双峰对应木质素醚键断裂和芳环降解。

3.9 活化能：模型自由法计算显示提取木质素平均E_a（155 kJ/mol）比原料高24%，STK模型在α=0.35时达峰值257.20 kJ/mol，证实其优异的热稳定性。

该研究通过全有机NADES体系和无酸工艺的创新组合，不仅解决了传统方法的环境污染问题，还实现了木质素结构完整性与高纯度的统一。提取木质素的高碳含量（53.22%）和热稳定性使其特别适合制备生物基碳材料，而保留的芳香结构则为酚醛树脂等化工产品提供了优质原料。这种方法为木质纤维素生物质的全组分高值化利用提供了绿色解决方案，对推动循环经济发展具有重要意义。研究揭示的pH-氢键密度-溶解性关系，也为设计新型生物质溶剂提供了理论参考。