科技日報記者 王健高 通訊員 劉佳
4月11日，記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所崔球研究員帶領的代謝物組學研究組與浙江理工大學唐艷軍教授合作，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處理纖維素技術。該技術可在室溫下高效解纖，為纖維素的進一步糖化和功能性利用奠定基礎。相關研究結果發(fā)表在《碳水化合物聚合物》上。
李濱 黃仲雷/圖
“開發(fā)綠色高效的預處理技術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十分重要，也可助力‘雙碳’目標的實現。”崔球表示，由綠色植物光合作用產生的纖維素可被轉化為生物燃料、生物基材料、或生物基化學品，所以，作為天然可再生的碳負資源，纖維素的利用前景廣闊。但天然纖維素具有高結晶的超分子結構，其高比例的有序且致密的纖維素I型結晶結構，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、低能耗的高效預處理技術來打破纖維素的致密結構，增加其轉化和利用效率。
熔鹽水合物（MSH）是一種綠色高效的纖維素溶劑，已被用于纖維素的溶解、催化糖化和轉化等。其中，三水合溴化鋰（LBTH）溶解纖維素往往需要較高的溫度（>100°C），且溫度越高越容易導致纖維素的降解，這會增加LBTH的回收和提純成本，增加工藝過程的復雜性。如果能在避免纖維素降解和溶解的情況下實現對纖維素的高效解構，會更加有利于固液分離和溶劑的回收與回用。但LBTH是否能在溫和的條件下解離纖維素的結晶結構，以及解離到什么程度，之前的文獻中尚未有報道。
為此，該團隊研究人員通過系統(tǒng)的研究發(fā)現，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型結晶結構轉變?yōu)榻Y構較為松散無序的無定形結構，結晶度降低為原來的1/4。室溫處理30分鐘，可以完全解離微晶纖維素的結晶結構，其BET比表面積增加了60倍。隨后，LBTH預處理后纖維素的可及性用酶水解動力學做了詳細評估。
實驗發(fā)現，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化率接近100%，而相同條件下未經預處理的纖維素酶解轉化率僅為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構，且不溶解纖維素，這有利于預處理后的固液分離和溶劑的回收與回用。研究人員也證實了LBTH幾乎可以完全回收，而且由于沒有纖維素的降解，溶劑回用無需復雜的提純，回用效果也不受回用次數的影響，整體工藝過程清潔、高效。
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