開發(fā)綠色高效的預(yù)處理技術(shù)來打破纖維素天然的抗降解屏障，對纖維素資源的有效利用頗為重要，并可助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員崔球帶領(lǐng)的代謝物組學(xué)研究組，與浙江理工大學(xué)教授唐艷軍合作，創(chuàng)新性地建立了低能耗、綠色高效的熔鹽水合物非溶解預(yù)處理纖維素技術(shù)。該技術(shù)可在室溫下高效解纖，為纖維素的進(jìn)一步糖化和功能性利用奠定基礎(chǔ)。
綠色植物光合作用產(chǎn)生的纖維素可被轉(zhuǎn)化為生物燃料、生物基材料或生物基化學(xué)品。作為天然可再生的碳負(fù)資源，纖維素的應(yīng)用前景廣闊。而天然纖維素具有高結(jié)晶的超分子結(jié)構(gòu)，其高比例的有序且致密的纖維素I型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其水解和功能性改性的效率較低，限制了纖維素的有效利用。為此，需要開發(fā)清潔性、低能耗的高效預(yù)處理技術(shù)來打破纖維素的致密結(jié)構(gòu)，增加其轉(zhuǎn)化和利用效率。相比于高能耗的物理法預(yù)處理和時效性相對較低的生物法預(yù)處理，化學(xué)法預(yù)處理更加高效，特別是可循環(huán)利用的綠色溶劑體系的使用。
熔鹽水合物（MSH）是一種綠色高效的纖維素溶劑，已用于纖維素的溶解、催化糖化和轉(zhuǎn)化等。其中，三水合溴化鋰（LBTH）溶解纖維素往往需要較高的溫度（>100 oC），且溫度越高越容易導(dǎo)致纖維素的降解，這會增加LBTH的回收和提純成本，增加工藝過程的復(fù)雜性。若能在避免纖維素降解和溶解的情況下實現(xiàn)對纖維素的高效解構(gòu)，將更利于固液分離和溶劑的回收與回用。然而，LBTH是否能在溫和的條件下解離纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及解離到什么程度，以往文獻(xiàn)未有報道。研究發(fā)現(xiàn)，LBTH室溫處理微晶纖維素5分鐘，即可使其原來致密的纖維素I型結(jié)晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)較為松散無序的無定形結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度降低為原來的1/4。室溫處理30分鐘，可完全解離微晶纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其BET比表面積增加了60倍。LBTH預(yù)處理后纖維素的可及性用酶水解動力學(xué)做了詳細(xì)評估。實驗發(fā)現(xiàn)，在酶用量僅為2.5 毫克蛋白/克纖維素、酶水解24小時的條件下，LBTH處理30分鐘后的纖維素酶水解轉(zhuǎn)化率接近100%，而相同條件下未經(jīng)預(yù)處理的纖維素酶解轉(zhuǎn)化率僅為16.7%。此外，系統(tǒng)表征證實，LBTH可在室溫下快速高效的解離微晶纖維素結(jié)構(gòu)，且不溶解纖維素，這利于預(yù)處理后的固液分離和溶劑的回收與回用。研究也證實了LBTH幾乎可以完全回收，且由于沒有纖維素的降解，溶劑回用無需復(fù)雜的提純，回用效果也不受回用次數(shù)的影響，整體工藝過程清潔、高效。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《碳水化合物聚合物》（Carbohydrate Polymers）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、山東省自然科學(xué)杰出青年基金和青島能源所自主部署基金等的支持。
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