离子液体[Emim]Glu高效解构竹质木质纤维素及其组分分离与葡萄糖转化的绿色工艺研究

本研究针对木质纤维素生物质传统预处理方法条件苛刻、效率低且污染严重的问题，开发了基于氨基酸离子液体1-乙基-3-甲基咪唑谷氨酸盐（[Emim]Glu）的绿色解构工艺。通过在温和条件（120°C, 19 h）下处理竹材，实现了65.2%纤维素回收率、60.1%木质素得率和86%葡萄糖转化率，证实了[Emim]Glu在生物质精炼与生物乙醇生产中的巨大应用潜力。

　　

随着全球对可持续能源和绿色化学需求的日益增长，木质纤维素生物质作为最丰富的可再生碳源，其高效转化技术已成为科研界与工业界的焦点。这类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成，形成复杂的抗降解屏障，致使传统预处理方法往往需要高温高压、强酸强碱等苛刻条件，不仅能耗高、设备要求严苛，还会产生抑制剂和环境污染问题。离子液体（Ionic Liquids, ILs）作为一种新型绿色溶剂，因其低挥发性、高热稳定性和可设计性等特点，为木质纤维素的高效解构提供了新思路。然而，现有离子液体仍存在成本高、回收困难以及针对特定生物质适配性不足等问题。在此背景下，研究人员将目光投向氨基酸基离子液体——这类以生物质衍生物为阴离子的溶剂体系兼具环境友好性与高效溶解能力。

发表于《Biomass and Bioenergy》的研究论文《Evaluation of [Emim]Glu ionic liquid as a deconstruction solvent for lignocellulosic biomass to biobased materials》系统评估了1-乙基-3-甲基咪唑谷氨酸盐（[Emim]Glu）对竹材木质纤维素的解构效能。该研究通过自主合成[Emim]Glu离子液体，优化溶解工艺参数（包括时间、粒径、负载量和搅拌速度），并采用多尺度表征技术（FTIR、Raman、NMR、TGA、HPLC等）系统解析了各组分的分离效果与结构特性，最终通过酶解糖化实验验证了再生纤维素组分的葡萄糖转化效率。

研究主要采用以下关键技术方法：首先通过两步法合成高纯度[Emim]Glu离子液体（产率91.9%，纯度99.1%）；其次建立竹材（本地市场采集）的溶解-再生工艺体系，利用丙酮/水混合溶剂实现纤维素、木质素和半纤维素的分级分离；进而通过FTIR-ATR、Raman光谱、¹³C NMR等技术进行组分结构解析；采用热重分析（TGA）评估热降解行为；最后通过高效液相色谱（HPLC）定量分析酶解产生的葡萄糖产量。

3.1. 溶解工艺优化

通过系统优化发现，在120°C、400 rpm搅拌速度、5%负载量和125 μm粒径条件下处理19小时，竹材溶解率可达99.2%。粒径减小和搅拌速度增加显著提升溶解效率，而过高负载量会导致溶解率下降（10%负载量时仅70.5%），证实了离子液体与生物质羟基位点的化学计量比限制效应。

3.2. 生物质组分解构与表征

经[Emim]Glu处理后的竹材成功分离出纤维素富集相（回收率65.2%）、木质素（得率60.1%）和水溶性半纤维素（回收率7.2%）。FTIR光谱显示再生纤维素材料中木质素特征峰（1604 cm^-1、1510 cm^-1）和半纤维素酯基峰（1739 cm^-1）消失，Raman光谱进一步证实80%木质素被去除。¹³C NMR分析表明纤维素组分典型信号（C1: 103.3 ppm, C4: 80.1 ppm）清晰可见，且无木质素甲氧基信号（56.3 ppm），证实高效脱木质素效果。

3.3. 热行为与元素组成

热重分析显示再生纤维素的最大降解温度从337°C降至298°C，表明离子液体处理降低了结晶度；提取木质素的热稳定性低于商业Indulin AT标准。元素分析（CHNS）显示再生纤维素碳含量（40.58%）低于原生竹材（43.14%），而提取木质素的氮含量略高（1.45%），提示微量离子液体残留。

3.4. 酶解糖化性能

纤维素富集组分在Cellic CTec2酶作用8小时后葡萄糖产率达86%，显著高于传统酸处理法（60–75%）和其他离子液体工艺（70–80%），证明[Emim]Glu处理显著提升了纤维素的酶可及性。

本研究证实[Emim]Glu是一种高效、绿色的木质纤维素解构溶剂，其在温和条件下可实现竹材三大组分的高效分离，且再生纤维素展现出优异的酶解糖化性能。该工艺不仅为生物乙醇生产提供了优质底物，其离子液体的优异回收性（性能损失可忽略）进一步降低了应用成本。值得注意的是，研究首次报道了氨基酸基离子液体对竹材的全组分分离能力，为开发新一代生物质精炼技术提供了重要参考。尽管在质量平衡闭合（回收率82.3%）和组分纯度（微量氮残留）方面仍需优化，但[Emim]Glu所展现的绿色溶剂特性与高效解构能力，为木质纤维素资源化利用提供了可持续解决方案。