编辑推荐：
在木质纤维素生物质分级研究中，为解决半纤维素留存率低的问题，研究人员开展了乙二醇（EG）调控低共熔溶剂（DES）用于玉米芯分级的研究。结果显示 EG 提升半纤维素留存率，还实现高脱木质素率和纤维素留存率。该研究为生物质预处理提供新方案。
在当今的能源领域，传统化石能源逐渐面临枯竭，且使用过程中对环境造成了诸多负面影响。因此，寻找可持续的替代能源成为了科学界的重要任务。木质纤维素生物质作为一种储量丰富、可再生的碳资源，被寄予厚望。它主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中碳水化合物（纤维素和半纤维素）占总含量的 60 - 80%，这些碳水化合物在生产可再生生物燃料（如乙醇、丁醇）和平台化学品（如乳酸、甲酸）方面发挥着关键作用。
然而，木质素与纤维素、半纤维素形成的复杂网状结构，极大地增强了木质纤维素的稳定性，却也严重阻碍了其高效利用。为了将木质纤维素转化为有价值的产品，需要有效的分级方法，把其中的碳水化合物和木质素分离开来。目前，现有的分离方法，如酸、碱、有机溶剂和离子液体处理等，都存在各自的局限性。例如，传统的碱处理法耗时久、效率低；有机溶剂处理法不仅能耗高，还存在安全隐患；而酸性 DES 虽然能提高纤维素留存和脱木质素效果，但会导致半纤维素大量损失，中性 DES 则在脱木质素方面效果欠佳。所以，如何在实现高效脱木质素的同时，最大程度地保护碳水化合物，尤其是半纤维素，成为了生物炼制领域亟待攻克的难题。
为了解决这些问题，中国农业科学院的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们采用乙二醇（EG）调控低共熔溶剂（DES）的策略，对玉米芯进行分级处理。经过深入研究，取得了令人瞩目的成果：EG 的添加使半纤维素留存率从 55.7% 大幅提升至 77.9%，同时脱木质素率和纤维素留存率分别达到了 88.8% 和 88.1%。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为生物质预处理提供了一种可持续的解决方案，对推动生物炼制产业的发展具有重要意义。
研究人员在这项研究中主要运用了密度泛函理论（DFT）分析和分子动力学模拟（MD）这两种关键技术方法。通过 DFT 分析，探究溶剂与木质素、碳水化合物之间的相互作用机制；利用 MD 模拟，从分子层面观察 EG 加入后对溶剂与半纤维素相互作用的影响。
下面来详细介绍一下研究结果：
- 溶剂对分级效率的影响：研究人员选用了具有代表性的酸性、中性和碱性 DES 对玉米芯进行处理。结果发现，中性 DES（ChCl/EG）能营造相对温和的溶液环境，有效保护碳水化合物，其纤维素和半纤维素留存率分别达到 93.6% 和 81.4%，但脱木质素能力不足，仅为 39.5%。这表明中性 DES 虽然在保护碳水化合物方面有优势，但在脱木质素上存在局限性。
- EG 调控 DES 的效果：实验表明，在 DES 中添加 EG 后，能够显著提高半纤维素的留存率。在最佳处理条件（ChCl/DEA - EG = 1:6:3，120°C，60min）下，实现了碳水化合物和木质素的有效分级。分析显示，固体残渣富含碳水化合物，其中纤维素占 88.1%，半纤维素占 77.9%。后续的酶水解实验中，葡萄糖和木糖的产率分别达到 90.3% 和 81.3%。这充分证明了 EG 调控 DES 策略在生物质分级中的有效性。
- 作用机制研究：借助 DFT 分析，发现 DES - EG 与木质素之间存在强氢键，这是脱木质素的主要驱动力。而 MD 模拟表明，EG 的加入显著削弱了溶剂与半纤维素之间的相互作用能，这种保护作用维持了半纤维素中糖苷键和羟基的结构完整性，从而解释了 EG 提高半纤维素留存率的内在机制。
综合来看，该研究成功实现了 EG 调控 DES 在木质纤维素生物质分级中的应用，在高碳水化合物留存和高效脱木质素方面表现出色。不仅为解决半纤维素损失问题提供了切实可行的方法，还为生物质预处理开辟了新途径，有助于推动生物炼制产业朝着绿色、可持续的方向发展。不过，目前该研究仍处于实验室阶段，未来还需要进一步开展大规模实验和优化工艺条件，以实现工业化应用，真正让这一创新成果造福于生物能源和化工领域。
