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木质纤维素类生物质组分分离研究进展

摘要：木质纤维素类生物质是地球上最丰富的可再生资源，不仅可以转化为能源燃料及高附加值化学品，而且可以通过生物、物理或化学方法获得各种可再生的生物基材料，而将生物质组分分离是将其充分利用的重要前提。本文在介绍木质纤维素类生物质结构组成和特点的基础上，综述了木质纤维素类生物质组分分离的方法，并主要对高温液态水法、有机溶剂法和深度共熔溶剂法的应用进行了评述，提出了高温液态水耦合深度共熔溶剂的高效、绿色分离思路。

前言

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的生物质资源，包括木材（如桉木、榉木、杨木等）和农林废弃物（如玉米杆、小麦秆、高粱杆等），具有来源广泛、普遍性和易取性等特点。然而，据估算，全球每年可产生约10000亿吨木质生物质资源，但其中89%尚未被充分利用[1]，主要原因之一就是不能有效地将木质纤维素类生物质中的各组分分离出来，造成了资源的浪费，所以生物质组分分离已成为国内外生物质资源研究领域的重点。

木质纤维素类生物质由多种组分组成，主要包括纤维素、半纤维和木质素等，应用范围非常广泛。但是，由于木质纤维素类生物质结构紧密复杂，且具有很强的生物抗降解能力，因此分离难度较大，这一直是制约其发展的技术瓶颈。近年来，国内外众多学者为攻克这一难题进行了大量研究，传统的分离方式如酸处理、碱处理和离子液体处理等方法分离效果较好，但是存在污染严重、毒性大等缺点[2]抑制了这些方法的发展。高温液态水法和深度共熔溶剂法作为新兴的木质纤维素类生物质组分的分离方法，分离效果好且绿色环保，符合现代工业发展的需要，具有较好的应用前景。

1木质纤维素类生物质的结构组成及特点

木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成，三者结构各不相同，纤维素和半纤维素是由糖单元通过糖苷键连接而成的高分子聚合物，而木质素则是由大量苯环结构构成的三维立体型结构的生物大分子。半纤维素和木质素通过共价键连接并形成一个网络结构，且纤维素也镶嵌在其中[3]，使得木质纤维素具有很高的抗张和抗机械强度，并具有很强的抗生物降解能力。为能更有效地将生物质转化为可有效利用的能源和各类化工品，需要充分了解木质纤维素类生物质的结构组成及特点。

1.1木质纤维素类生物质的结构组成

纤维素是整个生物质的骨架部分，是由成千上万个D-吡喃式葡萄糖单元以β-1,4糖苷键连接而成的线性聚合物，是世界上含量最丰富的天然有机聚合物，约占木质纤维素含量的40%~50%[4]。半纤维素是一种由多种单糖及糖醛酸单元（如括D-木糖、L-阿拉伯糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸、D-半乳糖醛酸等）通过糖苷键连接而成的多糖大分子[5]。木质素是自然界唯一的天然芳环聚合物，由对羟苯基丙烷（H）、愈创木基丙烷（G）和紫丁香基丙烷（S）通过酶的脱氢聚合及自由基耦合而成，而不是由碳水化合物组成。木质素与半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞壁的微细纤维之间，在细胞壁中起加固作用。

木质纤维素类生物质的种类繁多，不同木质纤维素类生物质中所含纤维素、半纤维素和木质素也有差异，常见木质纤维素类生物质中各组分质量分数如表1所示。

1.2木质纤维素类生物质的结构特点

纤维素、半纤维素和木质素也是植物细胞壁的主要成分。在细胞壁中，半纤维素和木质素相互交联覆盖在纤维素表面，形成了一层致密的保护层，这是生物质具有高拮抗性的原因之一。SANT’ANNA等[8]使用透射电子显微镜（TEM）对甘蔗超薄切片进行成像，可以观察到典型的细胞壁层：胞间层（ML），初生细胞壁（PCW）和次生细胞壁（SCW）（如图1a），其中SCW是最大的细胞壁层，由三个亚层（S1外层、S2中间层和S3内层）组成（图1b）。

SANT’ANNA等[8]用KMnO4对超薄切片进行染色来研究细胞壁中木质素的分布情况。在甘蔗细胞壁中，木质素以无定形电子致密物质插入光亮纤维素微原纤维中（图2a中箭头所示）。在多层SCW（图2b）中发现致密的木质素染色区域，此外，在胞间层中也发现了木质素染色区，这与其他学者的研究结果一致[9-10]。可见，植物细胞壁中各结构的复杂性和细胞壁中各组分的分布不一也是生物质具有高拮抗性的原因。因此，对木质纤维素类生物质进行有效的组分分离需要打破细胞壁原本结构，进而将各组分分离出来，下文将着重阐述目前常用的木质纤维素类生物质组分的分离方法。

2木质纤维素类生物质的组分分离方法

木质纤维素类生物质的各组分之间分别通过共价键和非共价键相互紧密连接，结构抗性大，对其进行组分分离一直是生物质研究领域的一个难点。目前，分离木质纤维素类生物质常用的方法有稀酸处理法、碱处理法、蒸汽爆破法、氨爆破法、高温液态水法