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PNAS：木质素分离新策略，兼顾高产率和高质量，已申请临时专利

来源：生辉

木质素是地球上最丰富的可再生芳香族化合物，这种材料作为生物基材料和燃料的前体具有广阔的前景。然而，由于木质素大分子的复杂性和异质性，其一直难以用作有价值的材料。

木质素通常在造纸和生物精炼过程中被分离出来，这些过程会显著改变其化学和物理特性，从而降低其价值。大多数木质素要么燃烧来生产燃料和电力，要么用于低价值产品，例如水泥添加剂或动物饲料中的粘合剂。

可以说，生产更均质的木质素是其成为高价值材料的基础。同时也是久未攻克的难点。


(相关资料图)

首先，提取困难。木质素存在于所有维管植物中，形成细胞壁并为植物提供刚性。木质素使树木能够站立，使蔬菜坚固，约占木材重量的20%~35%。然而，植物细胞壁的紧密性和细胞壁大分子（即纤维素、半纤维素和木质素）之间错综复杂的相互作用使得实现木质素的清洁高产提取成为一项艰巨的挑战。

其次，木质素的高产率与高质量相冲突。为了实现高木质素产率，木质素提取技术过程通常会严重改变和浓缩木质素的天然结构，这是其在转化过程中利用的一个关键缺点。此外，没有能够以受控结构特性从植物生物质中分离木质素的方法。

近日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）报道了一项研究，华盛顿州立大学的研究人员从麦秆中提取了高达93%的木质素，纯度高达98%。实现了以高产率从植物材料中提取天然形式的木质素，并且可以制造相当多的材料来评估其应用。

（来源：PNAS）

兼顾高产率和高质量

许多技术性木质素分离方法，包括弱酸研磨工艺和纤维素酶水解法，都被用于研究获取原生木质素或天然木质素，但这些方法都难以兼顾高产率和高质量。所谓的高质量是指最大限度地减少木质素结构的改变。

据推测，木材中的原生木质素可能具有一致的特性，而在木质素产品中观察到的显著变化是在分离过程中引入的。

举例来说，物理分离方法往往会从复合中层或次生细胞壁中提取比例失调的木质素，而众所周知，这两种木质素具有截然不同的结构特征。轻微的研磨条件通常会导致木质素分离率较低（低于 50%），而严重的研磨条件则会导致木质素结构发生变化。

目前，亟需找到一种木质素分离方法，既能获得较高的木质素产量，又能对木质素产品的特定结构特性（如分子量范围、官能团含量）进行有效控制。

这项研究展示了一种使用乳酸和吡唑低共熔溶剂（La-Py DES）提取木质素的方法。由于木质素是一种富电子化合物，因此对溶剂具有很强的亲和力，电子相互作用使研究人员能够以最少的化学反应提取木质素，从而保护了其在化学分离中经常容易损坏的天然分子结构。

具体来说，吡唑中的 -C-NH 和 -C=N 在与乳酸形成的 DES 中提供了独特的氢键网络，对木质素具有高亲和力。在 90°C~145°C 的不同条件下，从麦秆生物质中提取了高达 93.7% 的木质素。通过调整处理条件以及乳酸与吡唑的比例，可以获得具有目标醚键水平、酚羟基含量和平均分子量的木质素。

▲图丨La-Py DES 的氢键相互作用示意图（来源：PNAS）

研究人员测定了三种木质素样品的热稳定性，结果显示，与原生木质素或工业木质素相比，其选择的无醚键的木质素样品可能具有更高的聚合物合成热稳定性。这一特性更能满足大多数聚合物加工的需要。

在这项研究中，在温和的提取条件下（90°C~120°C），可以以高达 80% 的收率生产浅色的类天然木质素，而在 145°C 下可以获得多分散性低的无醚键木质素。

▲图丨La-Py DES 处理小麦秸秆后固体残留物、可溶部分、木质素提取率和提取木质素颜色的化学成分（来源：PNAS）

总的来说，La–Py DES 提取为从植物生物质中大量生产具有高纯度和受控结构特性的木质素提供了突破。

已申请临时专利

此前，尽管经过数十年的努力，仍然没有一种方法能够从任何生物质中产生具有一致结构特性的木质素。这项研究中使用新方法生产的木质素颜色中性、无味且均质。这一进步可以使这种碳中性材料成为开发高价值产品的更可行的候选者，更适用于工业。

国外媒体在报道中评价道：“这种提取木质素的新方法可以帮助将麦秆变成黄金。”

这项工作的参与者包括PNNL的计算科学家EdoardoApra和田纳西大学诺克斯维尔分校的Art Ragauskas教授。Arthur Ragauskas 是替代能源领域的首位富布赖特教席教授，也是美国科学促进会、国际木材科学院和 TAPPI 的研究员。他曾获得 2014 年 TAPPI Gunnar Nicholson 金奖、ACS Affordable Green Chemistry 奖、RSC Environment, Sustainability and Energy Division 公开奖。

（来源：田纳西大学诺克斯维尔分校官网）

这项研究得到了美国国家科学基金会和美国农业部国家食品和农业研究所以及华盛顿州立大学商业化差距基金的支持。

（来源：PNAS）

华盛顿州立大学商业化办公室已申请临时专利，并将协助研究人员扩大该技术的规模并最终商业化。为了使其更适合工业应用，研究团队正在努力减少冗长的处理时间和所需的纯化化学品的数量。

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