用于玉米秸秆生物质预处理的酸性深共晶溶剂：对纤维素和木质素结构及提取效率的影响

《Carbohydrate Research》：Acidic Deep Eutectic Solvents for Pretreatment of Corn Stalk Biomass: Effects on Cellulose and Lignin Structure and Extraction Efficiency

利用酸性深熔盐溶剂预处理玉米秸秆，制备纤维素富集固体残渣，并通过FTIR和1H NMR证实溶剂形成氢键。研究探讨了不同共溶剂对电导率和表面张力的影响，发现1:2摩尔比的溶剂在100℃预处理1小时时， lignin去除率低于5%，纳米孔结构和表面粗糙度分析显示溶剂更有效作为有机物提取剂而非脱 lignin剂，适用于预处理前段。

　　

Viktoria Vorobyova | Vita Halysh | Inna Trus | Margarita Skiba | Oleksiy Myronyuk | Mykhaylo Byk | Georgii Vasyliev

乌克兰国立技术大学“伊戈尔·西科尔斯基基辅理工学院”化学技术系，基辅 03056，乌克兰

摘要

现代科学的成就使得木质纤维素生物质能够被加工成多功能产品，以满足各种需求。在植物聚合物加工领域进一步发展化学技术时，应考虑绿色化学、可持续发展和循环经济的原则。使用酸性共晶溶剂（DES）作为有前景且环保的溶剂尤其受到关注。在本研究中，以醋酸作为氢键供体，氯化胆碱或1,2-丙二醇作为氢键受体，制备了酸性共晶溶剂，用于预处理玉米秸秆以获得富含纤维素的固体残渣。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和¹H核磁共振（¹H NMR）光谱证实了两种DES成分之间形成了新的氢键，并证明了其合成的成功。所研究的DES具有导电性，pH值为酸性（2.65-2.62），表面张力较低（35-38×10^-3 J/m²）。讨论了共溶剂（水和1,4-丁二醇）对导电性和表面张力的影响。结果表明，在100°C下预处理1小时后，摩尔比为1:2的DES对木质素的去除率低于5%。通过扫描电子显微镜（SEM）研究了基于DES的预处理后生物质纳米孔结构和表面粗糙度的变化。因此，可以确定所研究的DES主要作为有机物质的萃取剂，用于原材料的高效预处理过程，而非脱木质素剂，在玉米秸秆脱木质素之前作为预处理步骤将更为有用。

工作创新点

本工作的创新之处在于使用了简单、低毒性的DES，并通过结构分析验证了它们在联合预处理策略中的作用，证实了纤维素的保留以及非晶相的逐步去除/重组。

材料

本研究使用的玉米秸秆采集自乌克兰基辅地区。将玉米秸秆与叶子分离后切成1×1厘米的块，然后在球磨机中研磨。研磨参数如下：原料170克；陶瓷球750克；转速65转/分钟（临界速度的70%）；时间24小时。原始生物质的纤维素含量为43.1%，木质素含量为19.7%，灰分含量为4.7%。其他成分主要为低分子物质。

DES的表征及预处理效果评估

提供的¹H NMR光谱显示，该DES由氯化胆碱（ChCl）和醋酸（AcA）以及醋酸与1,2-丙二醇以1:2的摩尔比组成（图2）。光谱中在11.76 ppm处出现一个宽的单峰，这可能对应于醋酸中的羧基质子（-COOH）。峰宽和向低场方向的位移是由于醋酸分子与氯化胆碱之间的强氢键作用所致，证实了DES的形成。

结论

成功制备并表征了以醋酸作为氢键供体、氯化胆碱或1,2-丙二醇作为氢键受体的酸性共晶溶剂。FTIR和¹H NMR光谱证实了各成分之间形成了新的氢键。所合成的DES具有良好的物理化学性质，包括导电性、酸性pH值（2.65-2.62）和相对较低的表面张力（35-38 × 10^-3 J/m²）。

作者贡献声明

Georgii Vasyliev：撰写初稿、实验研究、数据分析。 Mykhaylo Byk：实验研究。 Oleksiy Myronyuk：数据可视化、概念设计。 Margarita Skiba：数据可视化、数据分析。 Vita Halysh：数据可视化、实验研究、数据分析。 Inna Trus：数据可视化、实验研究。 Viktoria Vorobyova：撰写稿件、审稿与编辑、方法设计、实验研究、数据分析、概念设计。

未引用参考文献

[42]。

利益冲突/竞争利益

作者不存在利益冲突。

数据和材料的可用性

数据可应合理要求提供。

参与同意书（包含相关声明）

作者同意作为本文的作者参与研究。

伦理声明

作者同意遵守伦理标准。

资助信息 科研项目编号：РН53-2024。“利用离子液体生产生物基涂料的新技术”，国家注册编号：0124U004361。

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。