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木质素是植物细胞壁的重要成分，能使植物的树皮等部分具有刚性结构。它是一种不溶于水的有机聚合物，通过依附于半纤维素这种多糖上包裹纤维素纤维。造纸过程中需要脱去木质素。因此，研究人员热衷于寻找简单且环境友好的方法来脱木质素，从而获取生物燃料纤维素等生物产品。然而，去木质作用往往需要苛刻的反应条件，例如高温高压，以及苛性试剂。 美国农业部林产局林产研究所的朱俊勇教授领导的，由来自中国、芬兰和美国的研究人员组成的研究团队已经证明，对甲苯磺酸（p-TsOH）能作为一种很好的水溶助剂，在不高于80 ℃的温度下，几乎完全溶解木材的木质素。此外，新方法耗费的时间比传统脱木质作用耗费时间的一半还少。这种水溶助剂能分离出木材结构中的糖类，而保留完整的木质素结构，并且可以重复利用。相关研究近日发表在Science Advances上。 图1. 对甲苯磺酸溶解木材的实验过程 来源：Science Advances 从纤维素生物质中回收多糖的方法之一是分离木质素。考虑到溶剂回收成本和环境问题，分离过程在水体系中进行最好。水溶助剂能将通常不溶于水的木质素组分溶解在水中，同时留下不溶于水的糖类。p-TsOH具有亲水的磺酸部分和疏水的甲苯部分，是水溶助剂的良好选择。 在不同浓度、温度和反应时间下测试粉磨状的杨树NE22颗粒和p-TsOH之后，作者发现，p-TsOH在浓度足够高时会形成聚集体，在不高于80 ℃温度下即可溶解木材样品中90%的木质素，将其分成两部分。固体部分主要含有水不溶性的纤维素，通过酶的作用，可以转化为纤维素纳米材料、纤维或者单糖，作为生物燃料或者生物化学产品。液体部分含有溶解的木质素和一些半纤维素类，可以在p-TsOH作用下进一步转化为糠醛。 图2. 木质素溶解和析出示意图 来源：Science Advances 通过稀释和沉淀的方法，可以得到溶解部分的固体木质素。p-TsOH是水溶助剂，它必须形成聚集体以溶解木质素。这意味着p-TsOH聚集体的形成有一个最小浓度，即最小助剂浓度（MHC）。研究发现，p-TsOH的MHC约为11.5 wt%。木材样品分离之后，将含有木质素的液体部分稀释到MHC之下，木质素将会析出沉淀。 然后，作者使用原子力显微镜（AFM）观察了木质素沉淀。他们发现，这种较温和的木质素溶解过程得到的木质素聚集体尺寸范围为100nm至1.5μm。这在生物可降解材料领域有应用价值。 图3. 溶解木质素的微观性质 来源：Science Advances 了解了浓度和温度对p-TsOH溶解作用的影响之后，作者用二维NMR分析了杨树固体部分，并将这部分与完整的杨树细胞壁进行比较。然后，他们使用这些结果来优化浓度和温度条件，以实现从细胞壁分离多糖。NMR结果显示，p-TsOH的最佳浓度为70 wt%。温度从80 ℃降至60 ℃，仍然可 以将木质素从细胞壁内的多糖中分离。 最后，作者开展初步试验，证明通过重结晶可以从废液中分离出p-TsOH，并重新利用。研究结果显示，第二次使用的p-TsOH溶解的木质素的量与第一次使用时相差无几，证明p-TsOH具有良好的循环利用性。 总的来说，朱俊勇教授团队的新研究表明，对甲苯磺酸是大规模脱木质工艺的可行候选者，因为它具有可重复利用性，应用条件也相对温和，并且可以溶解木材样品中几乎所有的木质素。 论文链接： http://advances./content/3/9/e1701735 了解更多最全、最新论文快讯 登录CBG官网（www.chembeango.com） 下载ChemBeanGo APP CBG资讯 ∣知识就是力量 |
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