基于DES-Ru/C体系的竹材组织特异性分馏及木质素高值化利用机制研究

本研究针对木质纤维素生物质(LCB)中木质素高值化利用难题，创新性地开发了DES-Ru/C催化体系，通过温度调控实现了毛竹纤维与薄壁细胞的选择性分馏，获得单酚产率高达25.29%的木质素油及适用于粘合剂的木质素大分子，同步使纤维素酶解转化效率提升至93.19%，为异质生物质资源的高效转化提供了新策略。

　　

随着全球对可再生资源的迫切需求，木质纤维素生物质(LCB)作为自然界最丰富的碳中性资源，其高效转化利用成为研究热点。然而，木质素复杂的芳香族结构和生物质抗降解性(biomass recalcitrance)严重制约了LCB的高值化应用。特别是在竹材这种具有显著组织异质性的生物质中，纤维与薄壁细胞的木质素结构差异导致传统预处理方法难以实现组分精准分离。更关键的是，当前生物精炼策略多聚焦碳水化合物，造成木质素这一"天然芳香聚合物宝库"的价值被严重低估。

北京林业大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，创新性地将深共熔溶剂(DES)与钌碳催化剂(Ru/C)相结合，构建了温度响应型分馏体系。该研究选取毛竹纤维(R-F)和薄壁细胞(R-P)为模型，通过多尺度表征技术揭示了组织特异性分馏规律，最终实现木质素定向转化为高附加值化学品的同时，使纤维素酶解效率突破93.19%。这项研究为木质纤维素资源的全组分利用提供了颠覆性解决方案。

关键技术方法包括：采用胆碱氯化物/乙二醇/苹果酸(1:2:0.1)制备DES溶剂；在80-180℃温度梯度下进行DES-Ru/C分馏处理；通过GC-MS定量单酚产物，2D-HSQC NMR解析木质素结构演变；利用GPC测定木质素分子量分布；结合X射线衍射和BET比表面积分析纤维素残渣理化特性；最后采用商业纤维素酶进行酶解糖化效率评估。

材料与方法
研究选取具有典型结构差异的毛竹纤维和薄壁细胞为原料，通过优化DES组分(胆碱氯化物:乙二醇:苹果酸=1:2:0.1)构建绿色溶剂体系。引入5 wt% Ru/C催化剂后，系统考察了温度对木质素分馏效率的影响，建立温度-产物特性的对应关系模型。

化学组分与脱木素分析
温度梯度实验显示薄壁细胞表现出更优的脱木素效率，其单酚产率最高达25.29%，显著高于纤维的17.83%。2D-HSQC NMR证实薄壁细胞木质素富含β-O-4键(占连接键的68.7%)，这种结构特性使其更易发生催化氢解。

木质素结构表征
分级获得的木质素大分子呈现显著组织差异：纤维来源木质素具有更高分子量(M_w=5760 g/mol)和缩合度，而薄壁细胞木质素则保留更多活性酚羟基(2.18 mmol/g)，这种结构特性使其特别适合制备生物基粘合剂。

纤维素残渣酶解
预处理显著改善了纤维素可及性，薄壁细胞残渣的酶解葡萄糖得率(93.19%)远超原始原料(21.07%)。X射线衍射显示预处理后纤维素结晶度从52.4%降至39.8%，BET比表面积扩大5.3倍，这些变化共同促进了酶解效率提升。

结论与展望
该研究开创性地证实DES-Ru/C体系能实现木质纤维素的全组分增值：高温条件(180℃)优先产生单酚化学品，低温条件(120℃)则生成适用于粘合剂的木质素大分子。尤为重要的是，研究首次从组织尺度揭示了竹材异质性对分馏效率的影响机制，为精准生物炼制提供了理论依据。这种"一石三鸟"的策略——同步解决木质素解聚、纤维素利用和组分定向转化三大难题，将推动生物精炼技术向更高效、更经济的方向发展。未来通过优化DES组分与金属催化剂的协同作用，有望建立普适性更强的生物质分馏平台技术。