北京林业大学边静副教授团队Bioresource Technology：胆碱氨基酸基低共熔溶剂及其水体系高效解离阔叶木半纤维素

背景介绍

低共熔溶剂（DES）是一类氢键网络可调的设计型绿色溶剂，通过特殊溶剂设计可实现其目标功能。在基于DES方法的木质纤维素精炼中，探究不同种类DES的组成、结构及物化性质对木质纤维素主要组分的影响和作用机制，可为木质纤维素主要组分的解离及全组分利用奠定基础。目前以DES高效解离半纤维素仍面临着两个问题：一是中性DES较弱的木质纤维素解构能力，难以有效的解离半纤维素；二是酸性DES处理过程中半纤维素的降解导致较低的半纤维素得率。

针对以上问题，北京林业大学材料科学与技术学院边静副教授团队提出了一种新型的胆碱氨基酸基DES及其水体系高效解离阔叶木半纤维素的方法。该新型DES实现了木质纤维中半纤维素的高效提取，且其水体系促进了半纤维素解离，并有利于半纤维素侧链的保留。此外，该溶剂体系循环利用三次仍能实现半纤维素的有效解离。该工作为木质纤维素组分高效解离的绿色溶剂体系设计及全组分利用提供了一种策略。

图文解读

本研究通过氯化胆碱与氢氧化钠作为原料制备氢氧化胆碱，并与氨基酸在室温条件下进行中和反应获得胆碱氨基酸。以尿素（U）为氢键供体，以胆碱甘氨酸（CG）、胆碱丙氨酸（CA）、胆碱苏氨酸（CT）和胆碱赖氨酸（CL）为氢键受体，制备得到4种胆碱氨基酸基DES，并分别加入5 wt%、10 wt%、25 wt%的去离子水，得到不同的DES/水体系。进一步采用4种胆碱氨基酸基DES及其水体系在90 °C处理杨木木粉6 h，反应液经过滤、浓缩后以乙醇沉淀得到半纤维素组分。

制备所得的DES及其组分的¹H-NMR及FT-IR（图1）表明DES中尿素和胆碱氨基酸之间存在大量氢键相互作用。此外，胆碱氨基酸基DES具有较好的热稳定性（＞120 °C），在后续半纤维素解离过程中不会发生分解。

图1. DES及其组分的¹H-NMR谱图 (a) FT-IR 谱图 (b)和DES的热重曲线图 (c)

胆碱氨基酸基DES及其含水体系对杨木半纤维素的脱除具有一定的选择性，并在不同含水量表现出不同的半纤维素脱除能力。其半纤维素脱除率（44.6-62.1%）明显高于木质素脱除率（23.6-36.8%）。对于CG: U体系，半纤维素脱除率随着含水量的增加而逐渐降低（58.8%-46.7%），但水对CA: U、CT: U和CL: U的半纤维素脱除能力具有促进作用。CA: U和CT: U体系在含水量为10 wt%时，半纤维素的脱除率可达50.6%及49.1%，而CL: U体系含有5 wt%的水时，半纤维素脱除率可达62.1%（图 2）。半纤维素得率与其脱除趋势一致，回收率均高于70%。经CL: U-5处理后，杨木半纤维素得率达到最大值59.2%，回收率为95.3%。

图2. 不同含水量DES处理下杨木半纤维素的脱除率及得率

胆碱氨基酸基DES及其含水体系所得半纤维素均具有较高的纯度。纯DES解离得到高分子量及线性结构的半纤维素，而DES/水体系所得半纤维素分子量较低，且分子量随着DES体系含水量的增加而降低。同时，DES/水体系所得半纤维素具有较高的分支度，且分支度随着体系含水量的增加而增大（图3）。

图3.半纤维素H_{CA: U}, H_{CA: U-5}, H_{CA: U-10} 和 H_{CA: U-25}的HSQC NMR谱图

最后分析了胆碱赖氨酸/尿素的回用次数与半纤维素解离效率之间的关系。随着DES溶剂体系碱性减弱（13.31-12.50）及黏度增加，半纤维素得率逐渐降低（图 4）。但经三次循环使用，半纤维素得率仍可达到40.5%，表明制备所得的胆碱氨基酸基DES能够重复用于半纤维素的解离。

图4. DES不同循环次数下半纤维素得率及分子量

总结展望

本工作报道的用于阔叶木半纤维素解离的新型胆碱氨基酸基DES体系具有绿色、高效、可回收利用等优点。DES/水体系促进了半纤维素的解离，经CL: U-5处理后，半纤维素得率高达59.2%。纯DES解离所得半纤维素具有高分子量及线性结构，而使用高含水量的DES/水体系可获得具有低分子量及高分支度的半纤维素。制备所得的胆碱氨基酸基DES还显示出较高的循环稳定性，重复使用三次后，半纤维素得率仍可达到40.5%。该研究为半纤维素DES高效解离提供了一种新途径，也为木质纤维素组分的DES选择性解离研究奠定了基础。

该研究以“Efficient fractionation of woody biomass hemicelluloses using cholinium amino acids-based deep eutectic solvents and their aqueous mixtures”为题发表于Bioresource Technology。北京林业大学材料科学与技术学院硕士研究生汪洋为第一作者，边静副教授为通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127139

喜欢此内容的人还喜欢

本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：biomass12345）

为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。

进群方式：添加小编为好友（微信号：biomass12345），邀请入群。

请备注：姓名+单位+研究方向。

另外，本公众号还友情为国内外有需求的实验室免费发布招聘信息，也可为学术机构发布相关学术会议信息。