金属盐离子选择性定向解聚半纤维素的机理研究

Hemicellulose is the second major component of lignocellulosic biomass. It is crucial for large-scale biorefinery process to separate hemicellulose from lignocellulose and convert it into value-added products by the efficient and eco-friendly pretreatment technology. This project proposed here is going to solve three key scientific problems concerning the relationship between metal salt ions catalytic properties and hemicellulose depolymerization, product directional control mechanism, and influence of lignocellulose ultra microstructure on hemicellulose degradation, which challenge hemicellulose-based economy. Previous studies have showed that hemicellulose degradation could be enhanced by the addition of metal salt ions during pretreatment, however, the mechanism remains unknown. Therefore we propose to clarify the reaction mechanisms of hemicellulose depolymerization by applying pure hemicellulose in the metal ions solution using modern analytical and structural chemistry instruments. The directional depolymerization module of hemicellulose correlated to the metal salt ions will be intensively investigated in order to provide a novel arsenal to increase the yields of target products released from lignocellulosic biomass, which will provide further support for the integrated lignocellulose biorefinery.

半纤维素是木质纤维素中的第二大组分，通过高效率、低成本、绿色环保的预处理技术实现半纤维素的分离与转化，是木质纤维素生物炼制规模化开发的关键。本项目在客观分析金属盐离子催化降解及木质纤维素分离转化所蕴含的科学关系基础上，凝练出离子特性与半纤维素降解内在关系、目标产物定向调控机制、超微分子结构影响三个方面的关键科学问题开展研究。以金属盐离子促进半纤维素降解为突破口，分别选择半纤维素模式底物和木质纤维素复杂底物为研究对象，借助分析化学、结构化学手段解析半纤维素降解产物图谱和不同反应节点金属盐离子的存在状态及反应特性，揭示金属盐离子催化半纤维素连续解聚的反应机理。结合木质纤维素超微结构对半纤维素解聚的影响规律以及半纤维素降解的反应动力学研究，建立金属盐离子选择性定向解聚半纤维素为目标产物的调控方法，实现木质纤维素中半纤维素单一组分分离与转化利用，为木质纤维素综合生物炼制技术研发提供理论支持。

将木质纤维素中的三大组分纤维素、半纤维素和木质素高效率、低成本地分离并转化为生物能源、化工原料或可利用糖，是其规模化开发利用的关键。木质纤维素在长期的自然演变过程中进化出复杂的化学组成和超分子结构，以抵制微生物和化学试剂对其结构多糖的攻击和降解。从破坏木质纤维素抗降解屏障的角度出发，寻找高效率、低成本且绿色环保的预处理技术，是实现木质纤维素高效转化的基础。本项目在系统分析了金属盐离子对半纤维素的降解规律的基础上，详细开展了FeCl3以及酸性电解水（AEW）促进半纤维素降解的研究，提出了FeCl3辅助AEW预处理分离木质纤维素中半纤维素的方法，并深入探讨了该方法对木质纤维素的结构特性及酶解规律的影响。应用该方法，可使半纤维素的去除率达到93.4%，回收率达到93.0%，无降解副产物糠醛生成，预处理后秸秆的酶解得率为96.0%。本研究实现了木质纤维素中半纤维素的高效、单一组分分离，为半纤维素转化高附加值产品提供一种新型的预处理技术。