來自農(nóng)作物秸稈的木質(zhì)生物質(zhì)是一種豐富且廉價的可再生資源，可以轉化為高價值的平臺化學品。木質(zhì)生物質(zhì)擁有復雜的三維結構，其主要組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間通過氫鍵和共價鍵牢固地相互結合，因此木質(zhì)生物質(zhì)通常都不容易被降解，需要一系列有針對性的預處理。質(zhì)子型離子液體是一種結構穩(wěn)定、酸性可調(diào)且可循環(huán)使用的新型催化劑，具有優(yōu)異的溶解纖維素的能力，通過降低纖維素的結晶度，進一步增強其水解/醇解性。
當前，木質(zhì)生物質(zhì)組分催化液化技術研究中面臨著木質(zhì)素資源尚未被完全有效的開發(fā)利用、目標產(chǎn)物選擇性低及催化回收工藝復雜等問題。針對該領域的問題，生物工程學院張芹芹副教授在離子液體預處理生物質(zhì)并協(xié)助其全組分轉化領域取得了一定進展。以玉米秸稈為原料，質(zhì)子型離子液體[B2-HEA][OAc]為預處理劑，采用“木質(zhì)素優(yōu)先”策略脫除木質(zhì)素，隨后利用醇解液化技術定向強化木質(zhì)生物質(zhì)轉化為乙酰丙酸乙酯。在最佳預處理條件下，纖維素和半纖維素的回收率分別為83.78%和67.20%。同時脫木質(zhì)素率可達到70%。并將預處理后玉米秸稈液化轉化為乙酰丙酸乙酯，最大產(chǎn)率可達48.97%。
此外，提出了玉米秸稈在催化過程中可能發(fā)生的反應機制。離子液體作為有效的催化劑可以將幾個過程整合到一個步驟中，包括木質(zhì)生物質(zhì)的組分分離和糖類的水解轉化。玉米秸稈在離子液體的作用下首先發(fā)生組分的分離，離子液體提供的氫質(zhì)子促使纖維素和半纖維素發(fā)生水解，生成單糖，并進一步發(fā)生開環(huán)脫水生成乙酰丙酸，最后和乙醇酯化生成乙酰丙酸乙酯。降解的木質(zhì)素溶解于乙醇中，這些降解的小分子木素由于被氫質(zhì)子攻擊形成一個陽離子中間體，與催化體系中的糖類及其衍生物或自身發(fā)生縮聚反應。
圖1.木質(zhì)生物質(zhì)的離子液體預處理以及液化轉化的反應流程
該成果以“Total component transformation of corn stalk to ethyl levulinate assisted by ionic liquid pretreatment”為題發(fā)表在國際知名期刊Cellulose（IF=5.7）上。青島科技大學為第一通訊單位，文章的第一作者是青島科技大學生物工程學院碩士研究生王義翔，通訊作者為張芹芹副教授。論文鏈接為https://doi.org/10.1007/s10570-024-05818-8。本課題研究得到了國家自然科學基金青年基金項目[51803107]和山東省自然科學基金面上項目[ZR2022MB019]的支持。
