基于氯化胆碱的新型深度共熔溶剂选择性萃取木质素机制的研究

This project is aimed to choose the choline chloride-based deep eutectic solvents (DES) as the pretreatment solvents based on the structure-function relationship, which having green，renewability, cellulase-biocompatibility and high solubility toward lignin. By comparing the effects of different hydrogen-bond donors of DES on the pretreatment of wheat straw，cellulose enzymatic hydrolysis and deep eutectic solvents lignins (DESL) and residue lignins (RL) isolated from the native and pretreated rice straw respectively, we can elucidate the effect of DES characters on the extractability and recovery of lignin, chemical structure and physico-chemical properties of wheat straw residues, efficiency of cellulose enzymatic hydrolysis and the fractionations. Furthermore, by exploring the changes of the content and distribution of the lignin components together with the chemical structures and linkages representative of the lignin-hemicellulose compounds in the cell wall of wheat straw and the structure and properties of DESLs and RLs, the underlying molecular mechanism of choline chloride-DES mediated selective lignin extraction and the interaction mechanism of DESs on cellulose and hemicellulose during the pretreatment will be illustrated on the micro perspective and molecular level. The study will establish a simple，green, economic and efficient process for pretreatment and fractionation of lignocellulose biomass. It will lay a theoretical foundation for the value-added utilization of all fractions of biomass and promote the transformation of the fossil economy to the carbohydrate economy.

本项目拟根据构效关系选用基于氯化胆碱的、绿色、可再生、与纤维素酶相容且对木质素具有较强溶解性能的深度共熔溶剂（DES）作为预处理溶剂。对比研究不同DES介导的小麦秸秆预处理、纤维素酶解过程特性、分离出的深度共溶剂木质素及从预处理后残渣中分离出的残余木质素，阐明DES的结构及其理化性质对小麦秸秆木质素的萃取率和物理化学特性、纤维素酶解效率及组分分离的影响规律，进一步探讨小麦秸秆预处理前后细胞壁中木质素组分的含量变化及分布规律、化学结构和典型化学连接键的变化，并结合深度共熔溶剂木质素及残余木质素的结构和性质，从微观角度和分子水平上揭示这类DES选择性萃取木质素的分子机制、预处理过程中DES与纤维素和半纤维素之间的相互作用机制。在此基础上，建立简单、绿色、经济、高效的木质纤维素预处理及组分分离的新工艺，为实现生物质全组分的高值化利用奠定理论基础，并为促进化石经济向碳水化合物经济转型提供新的思路。

以资源丰富、价格低廉、可再生的木质纤维素生物质为原料生产燃料、化学产品的研究已成为研究的热点。本项目据构效关系选用基于氯化胆碱的、绿色、可再生且对木质素有较强溶解性的深度共熔溶剂（DES）作为预处理溶剂。对比研究不同DES介导的小麦秸秆预处理、酶解特性、分离出的深度共溶剂木质素（DES-L），阐明DES的结构及理化性质对纤维素酶解效率及组分分离的影响规律，探讨小麦秸秆预处理前后木质素组分的含量变化及分布规律、化学结构的变化，从微观角度和分子水平揭示这类DES选择性萃取木质素的分子机制。此外还拓展该类DES在豆渣中的应用。. 对比研究以乙醇胺的化合物为氢键供体的 DES的理化特 对小麦秸秆预处理的影响。结果表明：30℃下，DES 的粘度0.04~1.37 Pa·s，导电率 0.29~3.57 ms/cm，5 mM DES 的 pH 7.41-11.02；90℃对木质素和木聚糖的溶解度为 425 mg/g和 523 mg/g，对纤维素几乎不溶；预处理后小麦秸秆中的多糖酶解率得到了显著提高，预处理效果依赖于pH，其中[氯化胆碱]:[乙二胺]为最适溶剂，木质素去除率达 83.14%，还原糖收率为93.88%。该类 DES 可选择性地除去木质素和木聚糖，而未改变纤维素的结构，发现对禾本科植物和桉木有良好的预处理效果，但对松木效果不佳。.红外光谱、凝胶渗透色谱（GPC）和元素分析表明预处理后Kraft木质素的骨架结构几乎未变化，分子量和多分散性系数有降低，热重分析和差示扫描表明其分解温度及玻璃态转化温度均有提高，不饱和度值由未处理时的233升高到326~340，有解聚和缩合反应发生。基于乙醇胺的DES与碱预处理萃取木质素的机制上具有相似之处，也存在一定的差异。1H NMR分析表明碱处理过程中有缩合结构（β-βˊ），而DES处理时则未检测到该结构，可能是因碱预处理强度高于后者。GPC分析表明DES-L的分子量介于碱木质素与磨木木质素之间。. 本研究初步阐明了基于DES的生物质预处理及酶解的相关机制，还建立简单、绿色、经济、高效的生物质预处理及组分分离的新工艺，为实现生物质全组分的高值化利用奠定理论基础，并为促进化石经济向碳水化合物经济转型提供新的思路。