基于γ-戊内酯的双相体系微波辅助分馏桉木联产平台化学品研究

本研究针对木质纤维素生物质高值化利用难题，开发了基于γ-戊内酯(GVL)/水/NaCl的微波辅助双相体系，实现了桉木的高效分馏。该工艺可同步获得纤维素富集固体(纤维素含量达91.4%)、半纤维素衍生糖液(溶出率90.6%)和高质量木质素，并成功将半纤维素糖液转化为糠醛(F)(摩尔产率近60%)，为生物质全组分利用提供了绿色高效的新策略。

　　

随着化石燃料的广泛使用，温室气体排放已达到临界水平。2022年人为CO₂排放量达40.7 Gt，大气CO₂浓度升至419.3 ppm，较工业革命前水平高出51%，导致1.1°C的人为全球变暖。排放趋势表明，2030年前将超过1.5°C，不久后将超过1.7°C。木质纤维素生物质(LB)作为主要的可再生有机碳源，由于其可用性(1815亿吨/年)、分布广泛和成本低廉而具有高减缓潜力，增强了其在改善能源独立性的作用。蓝桉( Eucalyptus globulus )特别适合加工，因其全年供应、适应性、高生产力和有利组成。

开发基于LB的化学过程可以减少温室气体排放和对化石资源的依赖。这符合生物精炼概念，其目标是分离主要LB组分(纤维素、半纤维素和木质素)，将其各自增值为生物基产品和生物燃料，支持向循环生物经济的过渡。采用有机溶剂的生物精炼过程(有机溶剂法)可以产生高纯度纤维素、优质木质素和半纤维素衍生产品。当有机溶剂处理在酸性催化剂存在下进行时，多糖逐渐水解，首先产生C5和C6寡糖，然后产生单糖，这些单糖可以脱水成呋喃(糠醛(F)来自C5；5-羟甲基糠醛(HMF)来自C6)。在苛刻条件下，副反应可能导致F产率降低，并且HMF可以再水化成乙酰丙酸(LevA)和甲酸(FA)。

在由水、不混溶有机相和(可选)催化剂组成的双相系统中进行LB分馏，能够一锅分离纤维素(在固体中)、半纤维素衍生产品(在水相中)和可溶性木质素衍生产品(在有机相中)，简化了加工过程并提高了产品质量、回收率和下游加工效率。γ-戊内酯(GVL)是一种将LB转化为生物质衍生化学品的有前途的溶剂，包括制造C5/C6生物质寡聚物、糖和糖衍生产品，同时产生适用于溶解浆应用的高质量纤维素。GVL具有关键优势，包括可持续生产自LB、低毒性和挥发性以及热稳定性，同时产生适合进一步升级的木质素流。GVL与水完全混溶，但添加NaCl等盐会产生盐析效应，形成双相系统，将木质素分离到富含GVL的有机相中，将半纤维素分离到水相中，从而增强分馏。从机制上讲，NaCl增加了水相离子强度，稳定了水-盐而非水-GVL的相互作用，驱动相分离并浓缩半纤维素，促进糖苷键断裂和解聚。双相GVL/NaCl/水系统还可以促进高价值平台化学品的回收，例如糠醛，其优先分配进入有机相，从而增强其分离并提高总产率。

双相GVL/NaCl/水系统的放大受到诸如纸浆质量、溶剂回收或洗涤水循环等挑战的阻碍。有前景的方法，例如结合CO₂提取的木质素沉淀，达到了高达85% GVL和90%木质素的回收率。用NaCl进行盐析也带来了挑战，如沉淀、腐蚀和工艺集成问题。这需要仔细设计盐浓度和工艺条件以保持相稳定性和经济可行性。

GVL的物理化学性质(极性、介电常数)有利于其在微波加热(MW)过程中的使用。MW系统通过直接均匀体积加热极性分子和离子来改善生物质加工，破坏细胞壁并增强溶剂-生物聚合物相互作用。与传统加热相比，这导致反应时间缩短、能耗降低以及选择性和产率提高。

该研究由西班牙维哥大学的Saúl González、Pablo Rodríguez、Martín Cid、Alessandra Operamolla、Juan Carlos Parajó和Sandra Rivas合作完成，发表在《Bioresource Technology》上。研究人员开发了一种基于γ-戊内酯(GVL)的微波辅助处理工艺，用于蓝桉木材(EGW)的综合分馏和平台化学品生产。

研究采用的主要关键技术方法包括：使用微波加速反应系统(MARS 6)进行酸催化(GVL/水或GVL/水/NaCl介质)的有机溶剂分馏实验；利用高效液相色谱(HPLC-RID-DAD)与BioRad Aminex HPX-87H柱分析糖、有机酸和呋喃；通过NREL标准方法测定原料和加工后固体的组成(纤维素、半纤维素、木质素等)；对加工后固体进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)分析；对分离的木质素进行凝胶渗透色谱(GPC)、核磁共振(NMR)和热重分析(TGA)表征；使用商业酶制剂(Cellic? CTec 3)进行加工后固体的酶水解实验，并采用Holtzapple和Humphrey方程对水解动力学数据进行拟合。

3.1. 原料表征

使用的EGW批次含有44.2±1.2%的葡萄糖酐单元(纤维素)和20.5±0.2%的木质素。半纤维素部分由木糖酐单元(13.9±0.5%，对应于木聚糖)、阿拉伯糖酐单元(0.21±0.07%，此处称为阿拉伯聚糖)和乙酰基(2.51±0.04)组成；而提取物部分占6.4±0.2%。

3.2. 在催化γ-戊内酯/水介质中的木材分馏

在含有0.5或1%硫酸催化剂、OAVR为0.43或1、在150或160°C下反应5或10分钟的介质中进行了分馏实验。结果显示出了良好的分馏程度，固体得率(SY)为41.6–61.6%，PEGW纤维素含量高(72.9–92.0%)，Klason木质素含量低(3.01–11.19%)。残余阿拉伯聚糖(0–0.11%)可忽略不计，木聚糖含量(1.85–7.46%)和乙酰基(0.16–1.40%)也有限，表明组分分离合适。在最温和的条件下(%Cat=0.5, 150°C, 5分钟)，纤维素降解最小，但在更苛刻的条件下(%Cat=1%, 160°C, 10分钟)增加至17.9%。在这些实验中，木质素去除率分别达到66.5%和91.6%。中等严重程度的条件(1%硫酸, 150°C, 10分钟)提供了高纤维素回收率和脱木素程度(均>93%)。半纤维素溶出百分比的变化模式与脱木素密切相关(最温和条件下为66.83%，在中等或高严重程度下高于90%)。液相组成分析表明，木寡糖(XO)和木糖是主要产物，其中木聚糖衍生糖类(XO和木糖的共同贡献)占主导地位，它们是用于F生产的合适中间体。

3.3. 在催化γ-戊内酯/水/NaCl介质中的木材分馏

3.3.1. 在含NaCl介质中的操作

在含有0.5%酸催化剂的情况下，NaCl对分馏效率有显著影响。SY从10% NaCl时的50.3%稳步下降至35% NaCl时的41.3%。PEGW中的纤维素含量在中等NaCl浓度下较高(10–20% NaCl下为87.0–91.8%纤维素)，相当于回收率高达93%。在更高% NaCl浓度(25–35%)下，纤维素含量下降至85.2–84.4%，回收率降至86%以下。当NaCl浓度从10%增加到15%时，脱木素从79.8%增加到88.1%(反映在PEGW中木质素更低，分别为8.3%和5.2%)，但在更高盐度(>20%)下下降至73%，与木质素含量上升至12.2%一致。半纤维素被广泛溶出，随NaCl浓度略微增加(从87%到93.7%)，导致PEGW中残留木聚糖、乙酰基和阿拉伯聚糖含量很少。这种行为表明中等NaCl(<25%)增强了选择性半纤维素和木质素溶出，同时保留了纤维素。盐析效应降低了GVL-水混溶性，驱动溶解的木质素向富GVL相移动，半纤维素向水相移动。在酸性介质中，Cl^-离子通过稳定反应中间体进一步促进水解。过高的离子强度(>25% NaCl)促进糖脱水和可能的木质素再缩合，降低纤维素回收率和脱木素效率。水相组成显示木糖和XO是主要化合物，其总浓度在15% NaCl时达到最大值28.9 g/L，然后在更高盐度下急剧下降，表明半纤维素糖通过脱水生成F而消耗。木糖/XOS比率随盐浓度逐渐增加，反映了在中等盐度下XOS优先解聚成单体，以及在更高离子强度下寡聚物相对于单体更快消耗。有机相中木糖和XO的浓度低于水相，且总浓度逐渐下降，表明分配系数降低。相比之下，F显示出相反的趋势，从0.58 g/L增加至5.1 g/L，这既由于在高离子强度条件下生成增加，也由于向富GVL相的分配系数增加(从4.5增至18.2)。这些相反的趋势反映了盐析效应，其中升高的NaCl水平降低了GVL-水混溶性，迫使更疏水的分子如F进入有机相，同时将糖限制在水相中。

3.3.2. 含NaCl介质中分馏的优化

在150°C、短时间反应(5或10分钟)、OAVR范围0.43至2.33、固定催化剂浓度(0.5%)和15% NaCl的条件下进行了新的实验。使用15% NaCl的实验提供了改进的结果(SY 46.1–57.2%，纤维素71.3–83.3%，木质素7.4–15.7%)。在OAVR=2.33的条件下进行5分钟反应，木糖和XOS总浓度达到34.41 g/L，表明增加OAVR提高了水相中的糖浓度，并突出了双相系统在促进分馏过程中糖选择性分配的作用。将反应时间增加到10分钟允许甚至更高浓度的XOS和木糖，高达39.73 g/L。这些条件也实现了显著的脱木素产率(>80%)，但PEGW中的纤维素含量较低。关于液相，有文献证据表明NaCl促进寡聚物解聚成小分子产物并提高了F选择性。水相组成数据显示木糖和XO是唯一获得足够量且具有进一步获益潜力的多糖衍生产物(最佳实验的最大浓度分别为35.5和9.54 g/L)。有机相的组成数据显示出相似的模式：只有木糖和XO达到显著浓度，但远低于相应水相的浓度。

3.4. 半纤维素糖的酸性加工

糠醛(F)是本研究中考虑的用于EGW半纤维素增值的目标产品。来自分馏的选定水相富含木糖和/或XO(以及少量阿拉伯糖和ArO)，使其成为生产F的合适原料。使用在150°C下反应10分钟、OAVR=1和15% NaCl的分馏实验中获得的水相(导致XO和木糖总浓度最高，28.96 g/L)进行了实验。该水相与催化剂(1 g硫酸/100 g)和GVL(OAVR为1.00, 1.50, 或2.33)混合，诱导形成双相系统，并在MW反应器中于170°C处理20分钟。由于有利的分配系数，F积累在有机相中，限制了在水相中发生的寄生反应，并促进了产品回收和下游加工。在最佳实验(OAVR=1)中，由于前体的有利浓度和摩尔产率，F获得了高浓度。然而，在更高OAVR的实验中所达到的浓度降低归因于稀释效应，因为F摩尔产率(平均约60%)在所有测试条件下都相当恒定，表明转化效率没有因有机溶剂体积增加而受到影响。相比之下，C6糖和寡聚物在使用最少有机溶剂的实验中以接近定量的产率转化为HMF和有机酸(FA和LevA)，但低体积浓度限制了它们的实际意义。

3.5. 加工后固体：结构特征和酶水解

来自GVL分馏的加工后固体由于酶可及性增强和纤维素基质的结构修饰而易受酶水解。PEGW的SEM分析显示原纤维形态，表面更光滑，无定形沉积物极少，表明脱木素和半纤维素去除，与EGW的紧凑、低孔隙率结构形成对比。这些特征与PEGW组成数据和中红外衰减全反射(ATR-FTIR)光谱一致，后者以特征纤维素振动为主。这些发现与文献一致，表明基于GVL的加工增强了加工后固体的结构特征，用于后续的酶加工。在此背景下，有报道使用GVL分馏的竹子作为底物实现了89.48%的纤维素转化为葡萄糖。为了评估PEGW作为酶水解底物，在ESR为6或15 FPU/g固体、LSR为6或15的条件下进行了一组实验。纤维素和木聚糖都被酶复合物水解，产生典型的浓度曲线。通过将数据拟合到Holtzapple和Humphrey提出的方程，实现了对水解的更深理解，该方程准确描述了酶促纤维素水解的典型动力学。实验数据与拟合数据密切对应，R²值范围从0.982到0.994，证实了该方程在所研究条件下对结果进行定量解释的适用性。PEGW显示出对酶水解的高敏感性，这由以下发现证实：a) 在LSR=15的实验中，葡萄糖的C_max值与相应的化学计量浓度匹配；b) 在LSR=6和ESR=15的实验中，葡萄糖的C_max值高于化学计量浓度的94%；c) 在LSR=6和ESR=6的实验中，葡萄糖的计算C_max是化学计量浓度的86%；d) 木糖的C_max值在化学计量浓度的97–100%范围内。这些结果证实PEGW允许在标准操作条件下生产高糖溶液，且多糖转化率高。

3.6. 木质素表征

从GVL分馏中分离的木质素的数据证实了芳香环的非显著降解，具有比标准预处理工艺提供许多增值产品的潜力。木质素可以通过沉淀回收，而可溶性部分可以用乙酸乙酯萃取。分离物显示出高纯度，由于 extended depolymerization 而具有低平均分子量。本研究中对在150°C下反应10分钟、OAVR=1和15% NaCl的实验中获得的木质素衍生部分进行了 exhaustive characterization。根据NREL方案，该木质素衍生部分的组成显示90.3%的Klason木质素，表明纯度高，多糖和乙酰基少于1.2%，还有一小部分归因于“其他”。分子量分布为数均(Mn)1065 g/mol和重均(Mw)2717 g/mol，表明多分散性(Mw/Mn)为2.55。这些特征与酸催化有机溶剂过程的木质素一致。木质素的ATR-FTIR光谱在1550–1600 cm^?1区域显示特征木质素峰。愈创木基单元的信号通常在1140和1250 cm^?1附近观察到。在样品中，这些信号分别出现在1112和1211 cm^?1，表明木质素骨架略有修改。S单元的酚羟基和脂肪族羟基分别由1325和1025 cm^?1的弯曲模式确认。因此，木质素主要包含紫丁香基和愈创木基单元。醇官能团的伸缩出现在3421 cm^?1，C-H键的伸缩出现在2937和2843 cm^?1。在3007 cm^?1处也可见归因于芳香族C-H伸缩的小肩峰。

HSQC分析有助于评估像木质素这样的无规聚合物的化学结构。¹H?¹³C异核位移相关谱有助于理解由分馏引起的木质素结构变化。根据信号的存在检测到β- O -4异相关区域。信号模式类似于从球磨生物质中提取的小麦秸秆木质素的吸收 profile，不同之处在于我们的木质素中紫丁香基的信号更明显且易于归因。实际上，涉及β- O -4融合的愈创木基单元中C_β-H_β的预期信号很难检测到。通常，通过酸催化双相分馏产生的有机溶剂木质素缺乏这种单体间的醚融合。因此，我们可以假设，在所探索的提取条件下，β- O -4融合对水解具有更高的反应性，对应于空间位阻较小的愈创木基单元。在δ_C 10–40 ppm, δ_H 1.2–2.5 ppm区域观察到脂肪族C-H。在δ_C 60–65 ppm, δ_H 3–3.6 ppm处可见氧亚甲基和C_γ-H_γ伯醇。在δ_C 53–57 ppm和δ_H 3.1–4.0 ppm之间高度 populated 的区域揭示了氧代C-H基团的存在。在该区域内，可以从信号中识别出松脂醇缩合(β-β’)。研究苯基香豆满融合(α- O -4;β-5)时，仅检测到归因于C_γ-H_γ的信号，而C_α-H_α信号缺失(预期在δ_C 86.8 ppm和δ_H 5.43)。甲氧基信号出现在δ_C 56 ppm和δ_H 3.75 ppm附近，接近苯基香豆满的氧代C_β-H_β基团和松脂醇融合。在δ_C 101–120 ppm和δ_H 6.2–7.2 ppm处出现乙烯基信号，推测是由过程中脂肪族侧链上的酸催化反应产生的。

³¹P NMR分析 after derivatization with 2-chloro-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaphospholane (TMDP) 使用胆固醇作为定量内标，将其信号的积分设定为1。该方法允许推导出每克木质素的官能团毫摩尔含量(对应于5 mmol样品)。结果显示总脂肪族醇基团(1.13)与总酚(1.36)之间的高比率，这一事实归因于分馏引起的芳基- O -醚断裂。³¹P NMR分析还允许计算具有游离酚官能团的紫丁香基、愈创木基和对羟基苯基单元，分别为0.33, 0.17和0.012 mmol/g木质素。 pending 羧基的低含量(0.025 mmol/g)证实了很少氧化的木质素结构。

元素分析允许估算木质素经验分子式(C₉H₇O₂(OCH₃)_0.96 (OSO₃H)_0.02 H_1.30O_1.18N_0.06)。低硫含量证实了样品中硫官能化的程度有限。我们可以粗略估计每个木质素苯丙烷单元有0.02个硫酸根单元。经验分子式显示每个苯丙烷单元有0.96个OCH₃基团，与ATR-FTIR数据一致，后者表明存在愈创木基和紫丁香基。氧过量可由样品中的湿度和分离木质素中的残留糖类证明，而发现的碳百分比不支持GVL并入木质素骨架的假设。

木质素的TGA揭示了四个分解步骤。900°C时留下的固体残留物占木质素总质量的45%，而木质素在63.4°C(失重2%)、182.5°C(失重2%)、253.6°C(失重10%)和353.2°C(失重41%)出现失重。前两个失重事件分别归因于残留水分和残留洗涤溶剂(63.4°C)以及GVL(182.5°C)的消除。与这些事件相关的极低质量损失证实了从元素分析计算出的外源碳含量低。在253.6°C观察到的降解可能由残留糖含量引发，而在353.2°C的降解归因于木质素分子骨架的降解，产生焦炭。该事件涉及一个大的 peak， accounting for 木质素的主要热解，涉及单元间断裂和形成芳香族缩合残留物。总体而言，分离的木质素显示出与其他硬木木质素一致的热稳定性。分离的木质素结构适合高价值应用：最小的芳香族降解允许各种增值产品；脂肪族和酚OH基团有助于复合材料和生物塑料的功能化；低聚合度和溶剂溶解度使得能够用于农业、食品、化妆品或生物医学中的控释微/纳米球；高纯度和低氧化使其成为改善介电性能的生物电子学的有前途的材料。

该研究成功开发了一种高效的微波辅助γ-戊内酯(GVL)双相分馏工艺，用于蓝桉木材的综合利用。该工艺在NaCl存在下通过盐析效应增强了相分离和组分选择性分离，实现了高达90.6%的半纤维素溶出和88%的脱木素，获得纤维素含量高达91.4%的固体。半纤维素衍生糖液可进一步转化为糠醛，摩尔产率近60%。纤维素富集固体表现出极高的酶解敏感性，酶解得率高达94-100%。分离的木质素纯度高(90.3% Klason木质素)，结构完整(主要含紫丁香基和愈创木基单元，β- O -4连接保留)，分子量较低(Mn=1065 g/mol)，热稳定性好，具备进一步功能化和高值化应用的潜力。该研究为木质纤维素生物质的全组分高效利用、生产高附加值平台化学品和材料提供了绿色、高效且具有潜力的技术路线，有力支持了循环生物经济的发展。