基于低共熔溶剂的微波辅助预处理是一种绿色环保、快速高效的木质纤维素分馏及高纯度木质素回收方法。
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摘要
摘要
预处理仍然是木质纤维素生物炼制过程中成本最高的步骤。必须通过尽量减少化学品用量以及降低能耗和热耗，并使用环境友好的溶剂，来提高其经济性。低共熔溶剂（DESs）是可持续生物炼制中的关键绿色低成本溶剂。它们是由至少一种氢键供体和一种氢键受体形成的透明混合物，具有低凝固点的特征。尽管低共熔溶剂具有良好的应用前景，但为了实现具有竞争力的盈利能力，有必要将其与经济高效的加热技术（如微波辐射）相结合。微波辐射是一种有前景的策略，因其能够快速达到适宜温度，从而缩短加热时间并促进组分分离。本研究旨在开发一种使用低成本且可生物降解溶剂的一步法快速生物质组分分离与木质素提取方法。
本研究采用微波辅助深共熔溶剂（DES）预处理方法，以三种不同的DES在800 W功率下处理60秒。DES混合物由氯化胆碱（ChCl）与三种氢键供体（HBDs）简单制备而成：一种单羧酸（乳酸）、一种二羧酸（草酸）和尿素。该预处理用于从海洋残余物（波西多尼亚叶和海藻球）、农食副产物（杏壳和橄榄果渣）、林业残余物（松果）以及多年生木质纤维素草本植物（Stipa tenacissima）中进行生物质分级分离并回收木质素。进一步分析了回收木质素的得率、纯度及分子量分布。此外，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测定DES对提取木质素中化学官能团的影响。结果表明，ChCl-草酸混合体系可获得最高的木质素纯度但得率最低。本研究表明，DES-微波法是一种超快速、高效且具有成本竞争力的木质纤维素生物质分级分离技术。
引言
可持续的生物炼制工艺集成了生物质加工、将其分离为目标分子以及转化为高附加值产品的过程1。在第二代生物炼制中，预处理被认为是将生物质分离为其主要组分的关键步骤2。传统的预处理方法采用化学、物理或生物策略，已被广泛应用3。然而，此类预处理被认为是生物炼制过程中成本最高的步骤，且存在其他缺点，如处理时间长、能耗和热耗高以及溶剂杂质等问题4。近年来，低共熔溶剂（DESs）因其性质与离子液体相似3，且具有可生物降解、环境友好、易于合成以及处理后易于回收等优势，被视为绿色溶剂而受到关注5。
DES 是至少一种氢键供体（HBD，例如乳酸、苹果酸或草酸）与一种氢键受体（HBA，例如甜菜碱或氯化胆碱（ChCl））组成的混合物6。HBA与HBD之间的相互作用能够实现一种催化机制，促使化学键断裂，从而导致生物质分级和木质素分离。许多研究人员已报道了基于DES的木质纤维素原料预处理方法，例如采用ChCl-甘油处理玉米芯和玉米秸秆7,8，ChCl-尿素和C....
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方案
1. 生物质的制备
- 生物质干燥
- 将从地中海海滩采集的大叶藻（Posidonia oceanica）叶片和海草球放入烘箱中，在 40 °C 下干燥 72 小时。
- 将食品工业产生的杏仁壳（Prunus dulcis）以及橄榄油厂获得的橄榄果渣（Olea europaea L.）放入烘箱中，在 40 °C 下干燥 72 小时。
- 将从森林中采集的松果（Pinus halepensis）以及从地中海南部流域采集的阿尔法草叶片（Stipa tenacissima）放入烘箱中，在 40 °C 下干燥 72 小时。
注意：如果生物质中含有沙子，需在放入烘箱前用蒸馏水冲洗。各种生物质如图 1A-F所示。
- 生物质研磨
- 取每种生物质各 20 g，放入配备 1 mm 筛网的锤式切割机中。将所得粉末收集至一个 0.25 L 烧杯中，再转移至配备 0.5 mm 筛网的锤式切割机中进一步研磨。将最终粉末收集至另一个 0.25 L 烧杯中。
2. 微波辅助的超快速木质素提取
- 深共熔溶剂（....
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结果
图2A-C 显示六种原料提取的木质素产率 图1A-F，经过微波-低共熔溶剂联合预处理后. 结果表明，使用DES1（ChCl-草酸）获得的木质素产率（图2A）低于使用DES2（ChCl-乳酸）和DES3（ChCl-尿素）所获得的产率（图2B, C）。此外，松果（PC）和橄榄果渣（OP）在DES1处理下的木质素得率分别为32.31%和26.04%，在DES3处理下分别为48.72%和43.76%。阿尔法草叶片（A）在DES2处理下的木质素得率显著高于其他所有原料经DES2提取的木质素得率。 图3A-
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讨论
本研究具有多个目标：首要目标是制备并使用兼具离子液体和有机溶剂特性的低成本绿色溶剂。第二个目标是在无需预处理步骤（例如使用索氏提取法提取可溶物，或使用碱性溶剂、碱性条件或热物理技术提取半纤维素）的情况下，一步完成生物质的分级和木质素的提取。第三个目标是在处理后通过简单过滤回收木质素，无需调节pH值，仅需加入蒸馏水即可。采用三种不同深共熔溶剂（DES）在微波辅助下对六种不同来源的生物质进行超快速木质素提取的结果表明，提取产率因生物质种类和所用DES的性质而异。例如，在三种DES中，橄榄果渣的木质素提取产率最高，其次是阿尔法草叶片、松果和杏仁壳。而大洋海神草（Posidonia oceanica）的叶片和球状结构的提取产率较低。
采用Klason法、凯氏定氮法（氮含量）、碳水化合物（气相色谱法）和灰分法评估木质素的纯度。如图3和图5A-C所示，由于氮、碳水化合物和灰分组分与木质素共沉.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
MK 和 TB 感谢 Haitham Ayeb 在统计分析和图表制作方面的帮助，感谢瓦隆地区（欧洲区域发展基金-VERDIR）以及高等教育与科学研究部长（Taoufik Bettaieb）提供的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高效液相凝胶渗透色谱 | Agilent 1200 系列 | ||
| 1-甲基咪唑 | Acros organics | ||
| 2-脱氧-D-葡萄糖（内标） | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 乙酸 | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 乙酸酐 | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 可调移液器 | |||
| 碱 | 碱提取木质素 | ||
| 阿拉伯糖（99%） | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 高压灭菌器 | CERTO CLAV (型号 CV-22-VAC-Pro) | ||
| 70 °C 水浴 | |||
| 硼酸 | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 溴甲酚绿 | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 催化剂 | CTQ（编码 A22）（1.5 g K2SO4 + 0.045 g CuSO4·5 H2O + 0.045 g TiO2) | Merck | |
| 离心容器 | |||
| 离心机 | BECKMAN COULTER | Avanti J-E 离心机 | |
| 陶瓷坩埚 | |||
| 氯化胆碱 99% | Acros organics | ||
| 色谱柱 | Agilent PLGel Mixed C (alpha 3,000 (4.6 × 250 mm, 5 µm)，前置保护柱（TSK gel alpha guard column 4.6 mm × 50 mm, 5 µm） | ||
| 色谱柱 | HP1-甲基硅氧烷（30 m, 0.32 mm, 0.25 mm） | ||
| 坩埚孔径 N°4（过滤坩埚） | Shott Duran Germany | boro 3.3 | |
| 去离子水 | |||
| 干燥器 | |||
| 二甲基甲酰胺 | VWR BDH Chemicals | ||
| 二甲基亚砜 | Acros organics | ||
| 锥形瓶 | |||
| 乙醇 | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| 瓷质过滤坩埚 | |||
| 抽滤瓶 | |||
| 傅里叶变换红外光谱 | Vertex 70 Bruker 仪器 配备衰减全反射（ATR）模块。 光谱记录范围为 4,000–400 cm−1，扫描次数 32 次 ，分辨率为 4.0 cm−1 | ||
| 半乳糖（98%） | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 气相色谱 | Agilent (7890 系列) | ||
| 100 mL 玻璃瓶 | |||
| 带聚四氟乙烯盖的 10 mL 玻璃管（硼硅酸盐） | |||
| 葡萄糖（98%） | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 手套 | |||
| 50 mL / 100 mL 量筒 | |||
| H2SO4 Titrisol（0.1 N） | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| H2SO4（95-98%） | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | BUCHI R-114 | |
| 配备 1 mm 和 0.5 mm 筛网的锤式研磨机 | Mill Ttecator (瑞典) | Cyclotec 1093 | |
| Indulin | 原始木质素对照 | ||
| 凯氏定氮蒸馏装置 | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| 凯氏消化管 | FOSS | ||
| 凯氏消化架 | |||
| 凯氏消化炉 | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| 凯氏抽吸系统 | |||
| Lab Chem Station 软件 | GC 数据分析 | ||
| 乳酸 | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| 氯化锂 LiCl | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 甘露糖（98%） | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 甲基红 | |||
| 微波消解系统 | START SYNTH MILESTONE 微波实验室系统 | ||
| 微波温度探头 | |||
| 微波容器 | |||
| 马弗炉 | |||
| NaOH | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| 无氮滤纸 | |||
| Opus | 光谱分析软件 | ||
| 烘箱 | GmbH Memmert SNB100 | Memmert SNB100 | |
| 草酸 | VWR BDH Chemicals | ||
| P 1000 | 碱处理木质素 | ||
| pH 试纸 | |||
| 精密天平 | |||
| 红外光谱 | |||
| 石英比色皿 | |||
| 鼠李糖（98%） | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| 旋转蒸发仪 | Bucher | ||
| 500 mL 圆底烧瓶 | |||
| 硼氢化钠 NaBH4 | |||
| 肖特瓶 | 玻璃瓶 | ||
| Sovirel 管 | sovirel | 硼硅酸盐玻璃管 | |
| 刮勺 | |||
| 专用管 | |||
| 分光光度计 | UV-1800 Shimadzu | ||
| 灭菌指示胶带 | |||
| 聚四氟乙烯包裹的搅拌子 | |||
| 磁力搅拌器 | |||
| 注射器 | |||
| 硼氢化钠 | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Titrisol | Merck | Merck 109984 | 0.1 N H2SO4 |
| 尿素 | VWR BDH Chemicals | ||
| 小瓶 | |||
| 2.5 L / 5 L 容量瓶 | Bucher | ||
| 涡旋振荡器 | |||
| 木糖（98%） | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) |
参考文献
- Kammoun, M., et al. Hydrothermal dehydration of monosaccharides promoted by seawater fundamentals on the catalytic role of inorganic salts. Frontiers in Chemistry. 7, 132(2019).
- Kammoun, M., Ayeb, H., Bettaieb, T., Richel, A.
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