基于低共熔溶剂-Ru/C催化体系的毛竹纤维与薄壁细胞同步制备木质素油与可消化纤维素研究

本研究针对木质纤维素生物质高值化利用难题，开发了DES-Ru/C催化预处理体系，实现了毛竹纤维与薄壁细胞中木质素的高效解聚（单酚产率达25.29%）和纤维素酶解糖化（葡萄糖转化率93.19%），为异质生物质资源的分级利用提供了新策略。

　　

在追求碳中和的背景下，木质纤维素生物质（LCB）作为可再生资源备受关注，但其复杂的三大组分——纤维素、半纤维素和木质素的紧密交联结构形成了天然"生物质抗降解性（biomass recalcitrance）"，尤其是木质素作为芳香族聚合物通过β-O-4等键型形成的三维网络，严重阻碍了生物质的高效转化。传统生物精炼策略往往侧重碳水化合物而忽视木质素的高值化利用，造成资源浪费。毛竹作为中国重要的LCB资源，其纤维与薄壁细胞存在显著的木质素结构差异，这为研究组织特异性预处理提供了理想模型。

北京林业大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，创新性地将低共熔溶剂（DES）与Ru/C催化剂结合，开发出能同步实现木质素解聚和纤维素糖化的预处理体系。该研究通过调控温度（80-180°C），采用GC-MS、2D-HSQC NMR等技术分析产物，发现薄壁细胞因木质素富含β-O-4键且抗降解性低，其单酚产率（25.29%）显著高于纤维；预处理后的纤维素经酶解转化率高达93.19%。

关键技术包括：1）DES溶剂（胆碱氯化物/乙二醇/苹果酸）制备；2）Ru/C催化氢解木质素；3）组织特异性组分分析（纤维vs薄壁细胞）；4）多尺度表征（GC-MS、2D-HSQC、GPC、BET比表面积分析）。

【研究结果】
• 化学组分与去木质化：薄壁细胞在160°C时去木质化率达78.3%，高于纤维的62.1%，归因于其木质素更多β-O-4键易断裂。
• 木质素结构演化：2D-HSQC显示薄壁细胞木质素产生更多H/G/S型单酚，GPC分析其分子量降低更显著。
• 纤维素可及性：预处理后纤维素结晶度指数从60.2%降至43.8%，BET表面积增加3.5倍。
• 酶解糖化：薄壁细胞残渣的葡萄糖产率（93.19%）远超纤维（81.4%）。

该研究证实DES-Ru/C体系能依据组织特性差异实现精准分馏：高温（>160°C）产单酚化学品，低温（<120°C）得木质素大分子（适用于胶粘剂），同时保留高反应性纤维素。这不仅为竹材高值化利用提供技术路线，更开创了"组织特异性生物精炼"新范式，推动生物质资源从"全组分利用"迈向"精准利用"时代。研究揭示的薄壁细胞低抗降解性机制，为设计针对异质生物质的预处理工艺提供了重要理论依据。