胆碱氯化物-草酸-三氯化铝三元低共熔溶剂预处理油菜秸秆实现木聚糖与木质素高效脱除及纤维素酶解增效

本研究创新性采用胆碱氯化物(ChCl):草酸(OA):三氯化铝(AlCl3)三元低共熔溶剂(DES)预处理油菜秸秆(RS)，在110℃优化条件下实现木质素脱除率70.5%、木聚糖脱除率95.7%，酶解效率从37.6%提升至95.3%，同步获得高附加值木寡糖(XOSs)25.7 mg/g。通过FTIR、SEM、XRD及分子动力学(MD)模拟揭示DES通过破坏木质素β-O-4键和半纤维素β-1,4-糖苷键实现组分分离，为生物质资源化利用提供新策略。

　　

Highlight

本研究构建了新型三元金属盐低共熔溶剂(DES)预处理体系，胆碱氯化物(ChCl):草酸(OA):三氯化铝(AlCl₃)在110℃、60分钟、摩尔比3:1:0.06的优化条件下，可高效脱除油菜秸秆(RS)中木质素(70.5%)和木聚糖(95.7%)，使酶解效率从37.6%飙升至95.3%，同时获得高附加值产物木寡糖(XOSs, 25.7 mg/g)。

材料与方法

油菜秸秆采自中国江苏南通，经粉碎过筛(20-80目)备用。DES由ChCl、OA与金属盐(FeCl₃、AlCl₃等)按特定摩尔比在80℃搅拌制备，采用傅里叶红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征处理前后样品结构变化。

溶剂筛选

如表1所示，ChCl:OA:AlCl₃处理显著改变RS组分，葡聚糖含量提升至50.2%。图1显示含AlCl₃的DES体系表现最优，其强路易斯酸特性可特异性攻击木质素芳基醚键，协同OA的布朗斯特酸性和ChCl的氢键作用，实现木质素-碳水化合物复合体高效解离。

分子机制

分子动力学(MD)模拟揭示DES通过破坏木质素β-O-4键和半纤维素β-1,4-糖苷键实现组分分离。三氯化铝的引入显著增强了对木质素酚羟基的配位作用，而草酸质子化作用促进纤维素无定形区暴露，使纤维素可及性从350.0 mg/g提升至700.0 mg/g。

结论

该预处理体系兼具能量利用效率(质量与能量平衡分析显示能耗降低35%)和工业化潜力，为同步生产可发酵糖(葡萄糖/木糖)和功能性XOSs提供了创新解决方案，推动生物精炼领域发展。