共溶剂对木质素和纤维素的作用示意图。
农业和林业废料中的木质纤维素可用于制造生物质燃料。这类燃料对减少化石燃料的使用非常有意义。然而，植物细胞壁具有的天生防御能力，使分解过程比想象中更加困难和昂贵。sciencedaily.com网站8月1日报道，美国加州大学河滨分校（简称UCR）、橡树岭国家实验室（简称ORNL）和中佛罗里达大学（简称UCF）的研究人员在突破植物细胞壁的“铜墙铁壁”方面取得了重大进展。他们在《美国化学会期刊》杂志发布了相关成果。
为了获取植物细胞壁中的高能量糖分，研究人员重新聚焦了木质素的溶解性。木质素是一种复杂的聚合物，在植物细胞壁中起屏障作用，可以保护植物免受伤害。其中，木质素对商业化酶对纤维素的“消化”有很强的抑制作用。此前，研究人员尝试了大量专用化学品和预处理方法来改善酶对纤维素的作用性能，但效果不佳——强酸、离子液体和亚硫酸盐等虽然可以在一定程度上提高纤维素的消化率，但残留的木质素会使纤维素的回收成本变得更加昂贵。采用乙醇-丙酮等共溶剂除去木质素的效果较好，但需要的反应温度非常高，这又会导致糖分降解。因此，经济可行的生物质转化为生物燃料的方案尚悬而未决。
UCR环境研究与技术中心助理研究工程师Charles Cai和化学与环境工程博士生Abhishek S. Patri等，决定开辟一条解决木质素问题的新路。他们决定从新的共溶剂着手，以增强木质素溶剂的溶解性，并使木质素从植物细胞壁的解离过程更加温和。Cai等称该方法为“木质素优先”法。Cai等在ORNL分子生物学中心研究人员Jeremy Smith等人的帮助下，构建了大约150万个分子模型，以揭示共溶剂四氢呋喃（THF）-水对木质素、纤维素的相互作用。这对推动生物质分解的机制研究非常关键。
研究人员发现，THF-水预处理植物生物质可使纤维素表面的木质素球状体膨胀，并从纤维表面分离出来。膨胀后的木质素也更容易在稀酸作用下分解。由此，研究人员就能在比较温和的处理条件下，更有效地实现木质素的解聚、溶解和分离过程。在接近完全去除木质素后，酶对纤维素的作用效果可显著增强。此外，酶在完成使命后也完全转化为了葡萄糖。UCF的研究人员Laurene Tetard等利用激光、纳米红外成像技术追踪了木质素的重排和分离过程，验证了分子模拟和酶实验的结果。最后，ORNL的研究人员Yunqiao Pu和Arthur Ragauskas证实，用THF-水共溶剂预处理硬木中提取的木质素后，解聚效果明显，并且比其他酸性预处理方法的不良反应更少。
通过“木质素优先”，高性能的共溶剂可以使生物质材料的加工步骤有机整合，使木质素和糖分都可以作为有价值的化学物质轻松回收，从而使可再生燃料的生产更加容易，成本更低廉。研究人员希望通过揭示THF-水共溶剂对生物质分解的协同机制，对其他研究人员开发更多的功能化共溶剂有启发作用。
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编译：雷鑫宇 审稿：阿淼 责编：唐林芳
期刊来源：《美国化学会期刊》 期刊编号：0002-7863
原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190801180924.htm
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