直接脱木质素法提取素和半纤维素中提取物

文|贾文彬的史书编辑|贾文彬的史书

木质纤维素生物量是植物细胞壁中发现的复杂基质，主要由纤维素、半纤维素和木质素以及少量其他化合物组成，如提取物和灰分。

纤维素、半纤维素和木质素，通过复杂基质中的共价和氢键连接在木质纤维素生物质中，导致难以水解的结构。

从木质纤维素基质中获得的纤维素可及性及其进一步转化为葡萄糖单体，被认为是第二代生物乙醇生产和商业化的一个主要技术瓶颈，所以第二代生物乙醇的成本仍然是其全球商业化的一个重大缺陷。

评估以两种不同的方式处理巨型芒草对纤维素纯化以进一步转化为葡萄糖的影响，在第一个提出的路线中，MxG直接脱木质素法提取木质素和半纤维素，在第二种方法中，MxG进行3步提取。

直接脱木质素

在这项工作中，MxG的脱木素，称为直接脱木素，采用改良的有机溶法，在他的工作中，Roque优化了在亚临界条件下使用水/乙醇从MxG中提取木质素，并应用二氧化碳作为修饰剂使介质酸化。

该过程提取木质素和半纤维素，并从木质纤维素基质中提取提取物，留下一种富含纤维素的固体纤维。

制备250 mL 50%乙醇和蒸馏水，并预热至50℃，然后将5gMxG浸泡在溶液中浸泡20 min，由于生物质不溶于水，因此在反应前进行浸泡阶段是为了提高润湿性，即促进水与生物质之间的相互作用，将生物质和溶液混合物在搅拌机中研磨3 分钟。

用于反应的钻机由一个500 mL高压反应器、一个加热护套、一个自动搅拌器、进口和出口阀、一个冷却回路和一个控制器组成。

地面生物质悬浮液被放置在反应器内，反应器被密封，蒸汽提取二氧化碳用于净化反应堆内的空气，并将反应堆加压至~50。

然后打开反应器加热夹套，并将温度设置为200℃，在温度达到设定值后，反应持续了1h。在反应期间，温度保持不变，再通过将反应器插入冰浴并打开冷却线，降低反应器温度。

当温度冷却到值为60℃时，反应器被减压并打开，冷却时间通常为5-10分钟，固体部分用瓷烧结盘真空过滤，用50 mL水/乙醇溶液加热至约50℃。

液体馏分保存在冰箱中，用于高性能阴离子交换色谱的分析，纤维在65℃下完全干燥，然后放入干燥器中直到室温。

其中，木质素/f为初始/最终木质素的数量，以克为单位，用mi和mf乘以木质素的百分比计算，在脱木素中，直接脱木素残留的纤维被命名为“DEL”纤维。

采用改进的有机溶脱木质素法，通过降低液体馏分的乙醇浓度，然后离心，可以从液体馏分中回收木质素，然而，在这项工作中并没有执行这一步骤。

循序提取

无界化合物的提取，将200 mL蒸馏水在50℃下预热，浸泡分钟，然后将悬浮液放在搅拌机中研磨3 min，用于直接脱木质素的相同反应器装置用于所有3个步骤的顺序萃取。

地面生物质被转移到反应堆中，密封反应器后，空气被净化，并使用氮气将反应器加压至~50，温度设置为120℃，一旦达到这个温度，反应在恒温条件下持续30 分钟。

在30 min结束时，将反应器插入一个冰浴中，并打开冷却管路，当温度为~值为60℃时，反应器被减压并打开。

固体部分在45目筛子中筛分，并在室温下干燥48小时，在整个工作过程中，这些纤维被命名为“120℃”纤维，液体组分存储在-20℃下，直到HPAEC进行分析。

半纤维素的提取，在第一步去除生物质提取物后，进行半纤维素提取，将10g的120℃的纤维浸泡在200 mL的蒸馏水中20 分钟，然后转移到反应器中。

在密封和吹扫反应器后，使用氮气将压力增加到~50，温度设置为180℃，恒温下反应持续30 min，反应时间结束后，用冰浴和冷却管路将反应器冷却到~值60℃，然后打开。

再次用45目筛子筛分纤维，并在室温下干燥48小时，这些纤维被命名为“180℃”纤维，液体组分保存在-20℃内，直到用HPAEC进行分析。

其中carbi/f为碳水化合物的初始/最终质量，碳水化合物的初始/最终质量是通过使用HPAEC在初始/最终纤维中的百分比乘以初始/最终质量。

木质素提取，这一步采用了完全相同的直接提取方法，然而，在第三步中使用了180℃的原始MxG，而没有进行额外的研磨，在脱木质素化后，这些纤维被命名为“SEQ”纤维，液体馏分保持在-20℃，直到HPAEC分析。

液体组分的定性分析

使用HPAEC碳水化合物定量分析连续提取的液体分数和直接碳水化素，HPAEC方法详见第2.6节，在分析之前，样品使用木质素的两步酸水解程序进行水解，以获得单糖，这更容易通过HPAEC定量。

提取完成后，使用SEM和FTIR分析得到的纤维，并通过PCA进行评估，对于FTIR和PCA分析，商业纤维素也与从MxG获得的纤维进行了比较。

MxG和各纤维后的木质素含量按照木质素程序进行定量，半纤维素组分，经两步酸水解后用HPAEC定量。

纤维素纤维的扫描电镜观察

扫描电子显微镜是一种工具，可以用来生成木质纤维素生物质表面的图像，并帮助了解生物质的物理特性。

为了进行比较的原因，我们将商业纤维素作为一种标准的纤维素纤维进行了分析，并与DEL和SEQ纤维进行了比较。。

另一方面，DEL纤维和SEQ纤维的纤维直径则显著增大，分别为约150m和100m，我们还拍摄了其他一些图像，以确保图像具有代表性，但是它们没有显示出来。

将与DEL和SEQ纤维进行比较，可以发现的表面更光滑，在SEQ和DEL中观察到的纤维水平模式在纤维中没有检测到，这表明纯纤维素与木质纤维素生物质中的纤维素有结构差异。

很明显，这两种纤维之间的木质素颗粒有本质上的不同，在表面方面，SEQ纤维中的木质素液滴比DEL纤维中的更光滑，似乎DEL纤维中的木质素是，由几个小颗粒以细长的形状聚集在一起而产生的结果。

另一方面，SEQ纤维中的木质素液滴看起来就像一个单一的球形粒子。

这些木质素液滴在大小上也有显著的不同：DEL纤维中的木质素液滴的长度至少是SEQ纤维的3倍，除了形状和大小的差异外，SEQ纤维的液滴的数量似乎比DEL纤维要高得多。

140-200℃木材SBW处理后产生的木质素滴，观察到木质素滴在纤维素纤维表面的密度随着温度的升高而增加。

这一结果与芒草纤维观察到的结果相似，因为SEQ纤维在连续处理的条件下进行处理，这导致木质素液滴密度高于DEL纤维。

用稀酸在150℃下处理玉米秸秆20 min后产生的木质素液滴，在他们的SEM图像中显示的结构类似于SEQ纤维的木质素，因为大多数液滴呈球形，并呈现出平坦的表面和较大的尺寸变异性，注意到箭头所示的小液滴的“融合”，这也可能是液滴破碎的结果。

因此，尽管SEQ纤维存在更多的木质素液滴，但它们的形状和大小可能表明，与DEL纤维中存在的木质素相比，木质素的碎片化更广泛，理论上，SEQ纤维中的纤维素可能比DEL纤维暴露得更多。

结尾

利用生物炼制方法，从MxG中通过两种途径成功获得了富含纤维素的纤维：直接脱木质素；顺序提取后脱木质素。

与预期不同的是，经过改良的有机溶解法步骤后，DEL纤维的木质素百分比低于SEQ纤维，这表明脱木质素过程比顺序提取路线更有效。

这可能是由于一些非目标反应，由于在顺序提取过程中应用的过程严重程度增加的结果，此外，与顺序路线相比，直接路线导致纤维的半纤维素含量更高。两种纤维中的纤维素含量非常相似。

然而，与连续提取过程中产生的纯化液体流不同，直接脱木质素产生的是含有多种成分混合物的液体流，这种复杂的混合物减少了进一步加工的潜在用途，特别是对于在该流中高度可溶性且难以回收的半纤维素组分。

虽然由于使用液体流产生高价值产品的潜力，顺序提取仍然是首选，但这两种途径获得的纤维组成非常相似。

为了解所生产的纤维的结构特征，我们使用SEM、FTIR和PCA进行了物理评价，扫描电镜检测结果显示，生物量表面存在显著差异，PCA被证明是FTIR数据分析的有力工具。

虽然FTIR光谱和红外结晶度指数值，只提供了关于纤维结构和样品之间差异的有限信息，但PCA能够提供关于纤维结构差异的更明确的结果。

PCA效率被证明密切依赖于数据操作，因此对几种数据操作进行了评估，以确定哪一种最适合这项工作的特定样本集，数据归一化被证明对数据分析有显著影响。

使用数据二阶导数本身并没有显示出明显的改善，然而，二阶导数和归一化的联合效应获得了最佳的数据分辨率，提供了关于样本的有用信息。

因此，PCA成功地定性地证明了不同的处理导致产生两种不同的纤维素纤维： DEL和SEQ，这些纤维被用作起始材料，以评估使用SBW作为介质/催化剂，按照生物炼制方法将纤维素纤维转化为葡萄糖单体的效率。