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基于生物炼制木质素新型分离方法构建及其结构解析

陈天影  
【摘要】:化石基产品的过度使用日益加剧了环境污染,因此生产和利用生物基产品替代石油基产品已经成为全球研究的热点。来源丰富且可再生的木质纤维素,是极具潜力的前体原料,受到了人们的广泛关注。木质纤维生物质中的主要组成成分木质素,因其具有天然的芳环结构,在替代石油资源生产生物基酚类化工产品方面有很大的应用前景。然而,细胞壁结构的“天然复杂性”使生物炼制过程存在许多障碍,而木质素结构的复杂性及其与多糖分子间键合机制的不明确性是阻碍生物炼制的主要原因之一。因此,构建木质素大分子的新型分离方法,探索原本木质素的化学组成和结构特征,并对分离木质素的结构进行全面解析是解决该障碍的重要手段。本研究系统地构建了木质素的新型分离方法并对分离得到的木质素大分子结构进行解析,为生物质高值化利用奠定理论基础。(1)采用二甲基亚砜/1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(DMSO/[Emim]OAc)溶剂润胀和低浓度二氧六环分离相结合的工艺,在温和条件下分离得到高得率、结构完整的木质素组分,并对润胀前后木质素的结构变化进行了研究。在DMSO/[Emim]OAc体系下植物细胞壁中的组分发生重排,打破其致密结构,使基质的酶水解效率达到88.7%,促进后续木质素的分离。在80%二氧六环水溶液下提取得到的木质素得率可高达85.3%,且木质素结构受溶解再生过程的影响较小,其结构具有代表性。(2)创建了双重球磨酶水解分离木质素的方法。该方法简单,所得木质素得率较高,可用来解析不同生长年龄杨木中木质素的结构特点。经两次球磨处理,可以增加纤维素酶的可及性,从而除去大部分的碳水化合物,得到的木质素具有优异的溶解性能,展示了植物细胞壁中不同区域木质素大分子的结构特征,与传统的酶解木质素相比,除对羟基苯甲酸酯(PB)和S/G值外,结构上无明显差异。此外,除1年生杨木PB含量较高外,1-5年生杨木中木质素的结构无明显变化。(3)利用低成本且环保的水热预处理协同各种化学处理工艺实现竹材和南荻原料中木质素的高效分离,并通过对其结构研究明确各方法对木质素结构的影响。结果表明,水热预处理过程可以脱除大部分的半纤维素,且水热预处理的效果与原料自身致密性结构有关。水热预处理协同化学预处理可以实现木质素高效分离,其中,有机碱-正丙胺及蒽醌(AQ)辅助的木质素分离过程,可以有效保护木质素结构。为后续差异化利用木质素奠定理论基础。(4)采用氯化锌和乳酸络合的溶剂体系,在温和条件下一步实现木质素组分的高效分离,而乳酸可由残渣高效催化转化而得,溶剂体系的循环再利用实现了整个过程的闭环循环。结果表明,这一溶剂体系对细胞壁有很好的润胀效果,在90°C下木质素脱除效果可达79.7%,脱木质素后的纤维素组分可高效转化为乳酸(得率84.6%),木质素结构受处理温度的影响较大,可根据处理条件得到特定结构的木质素,而溶剂在整个体系中的循环效果稳定,形成闭合循环。(5)生物质组分分离过程中添加甲醛/乙醛溶剂辅助分离得到高得率、高β-O-4含量的木质素组分,并对其降解性能进行了研究。结果表明,甲醛辅助可得到高β-O-4含量的木质素,但残渣经酸水解后的酶解糖化效率仅有30.38%。乙醛辅助分离的木质素得率可高达85.1%,残渣的直接酶解效率高达75.12%,且木质素降解所得单体产物的选择性可高达46.61%。


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