木质纤维素生物质双相有机溶剂分馏中木质素、半纤维素和纤维素大分子特征的比较研究

为解决木质纤维素生物质(LB)高效分馏及组分定向转化问题，研究人员以桉木(EW)、松木(PW)、榛子壳(HS)和葡萄藤修剪物(VP)为对象，采用1-丁醇/水和1-戊醇/水双相体系进行微波辅助分馏。研究发现1-戊醇体系更利于半纤维素糖类回收，而1-丁醇对木质素脱除效果更优，其中桉木分馏效率最高（木质素脱除率93%）。该研究为多原料生物精炼策略设计提供了重要依据。

　　

随着全球对可持续发展和绿色化学的迫切需求，木质纤维素生物质(LB)的高效利用成为研究热点。这种由纤维素、半纤维素和木质素构成的天然复合材料，因其复杂的三维结构和组分间紧密交联而难以有效分离。传统生物精炼工艺往往侧重纤维素转化，导致木质素大量缩合失活，而半纤维素衍生物也常因降解而价值降低。如何实现三大组分的高效分馏并保留其反应活性，成为制约生物精炼技术发展的关键瓶颈。

西班牙维戈大学(University of Vigo)化学工程系的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，创新性地采用1-丁醇和1-戊醇双相体系，通过微波加热实现了四种典型LB的"一步式"分馏。研究通过精确控制温度(150-170°C)和时间(5-15分钟)，系统比较了不同溶剂体系对分馏效率的影响，并采用凝胶渗透色谱(GPC)和二维核磁共振(¹³C-¹H HSQC NMR)等先进表征手段解析了木质素结构特征。

材料与方法

研究选取桉木(EW)、松木(PW)、榛子壳(HS)和葡萄藤修剪物(VP)四种LB，在硫酸催化下进行水/醇(1:1)双相分馏。通过国家可再生能源实验室(NREL)标准方法分析原料及固体产物组成，高效液相色谱(HPLC)定量液相产物，GPC测定木质素分子量，NMR解析木质素结构单元和连接键类型。

结果与讨论

3.1 生物质组成分析显示HS木质素含量最高(42.5%)，EW纤维素含量最丰富(42.5%)，VP含有特殊的高提取物(6.2%)和灰分(3.4%)。

3.2.1 分馏效率比较表明，EW在150°C/5分钟条件下即可实现94.3%半纤维素去除和93%脱木质素，而VP即使在170°C/15分钟条件下半纤维素去除率仅82%。1-戊醇体系半纤维素糖类回收率比1-丁醇高8%，但后者脱木质素效率显著更优，如PW体系脱木质素率相差达16.2%。

3.2.2 液相产物分析发现，1-戊醇体系水相中木糖浓度可达33.79 g/L，而1-丁醇体系有机相更易富集糠醛（分配系数>3）。

3.2.4 木质素结构表征显示，1-戊醇提取的木质素分子量更低（EW样品Mw=2948 g/mol vs 1-丁醇的3765 g/mol），且β-O-4芳醚键保留更完整（VP样品相对含量85.9% vs 77.7%）。

这项研究创新性地揭示了醇类溶剂碳链长度与LB组分分离效率的构效关系：1-戊醇因其低极性更利于糖类保留，而1-丁醇通过促进α-醚化反应更有效溶解木质素。特别值得注意的是，研究首次报道了1-戊醇对G单元(guaiacyl)木质素β-O-4键的保护机制，这为定向制备低分子量木质素提供了新思路。该成果不仅为多原料生物精炼工厂的溶剂选择提供了科学依据，其建立的双相分馏-结构解析联用方法更为LB价值最大化提供了技术范本。未来研究可进一步优化溶剂回收工艺，推动该技术向工业化应用迈进。