利用荧光追踪技术研究深共晶溶剂的渗透行为及官能团调控，以实现大型毛白杨（Populus tomentosa）木片的高效分离

《Separation and Purification Technology》：Fluorescence-traced permeation behavior and functional group tuning of deep eutectic solvents for efficient fractionation of large-sized Populus tomentosa chips

本研究采用荧光追踪技术系统探究了三种功能基团调控的深共熔溶剂（DES）在杨木片中的渗透行为，发现高温（>100℃）可显著加速溶剂渗透并扩大浸润区域，其中[ChCl][LA]因2:3羧基/羟基比例和强氢键能力，在4小时内实现完全渗透并有效溶解木质素。同时提出两阶段分馏策略，显著提升木质素回收率（72%）和DES可循环性（>85%），为解决大规模生物质处理中溶剂渗透不均的技术瓶颈提供了新思路。

　　

周世乐|刘继芳|吴淑斌

华南理工大学轻工与工程学院，造纸工程国家重点实验室，中国广州510640

摘要

深共晶溶剂（DESs）是用于木质纤维素生物质清洁分馏的有前景的绿色介质；然而，它们在处理大尺寸原料时的效率往往受到溶剂渗透不足的限制。在这项研究中，我们使用视觉和显微荧光技术系统地研究了三种具有特定官能团修饰的DESs（[ChCl][LA]、[ChCl][AA]和[ChCl][EG]）在Populus tomentosa木片中的渗透行为，这些DESs被标记了一种荧光示踪剂（中性吖啶黄）。高温（>100?°C）显著加速了渗透过程并扩大了渗透区域。在90?°C以下，DESs主要从木片边缘渗透，而中心区域则难以被触及。在100?°C时，Fluo-[ChCl][LA]有效地分解了木片边缘，从而促进了溶剂快速渗透到中心区域，并在4?小时内实现了完全渗透——这比Fluo-[ChCl][AA]和Fluo-[ChCl][EG]具有显著优势。官能团组成，特别是羧基/羟基比例和氢键能力，显著影响了木质素的溶解和碳水化合物的保留。我们的结果表明，官能团组成，尤其是羧基/羟基比例和氢键能力，对木质素的溶解和碳水化合物的保留有重要影响。具体而言，2(-COOH)/3(-OH)的比例对于从植物细胞壁中有效溶解木质素特别有效。此外，我们开发了一种针对大尺寸原料的多阶段分馏策略，显著提高了木质素的回收率和DES的可回收性。这些发现强调了缓慢且不均匀的溶剂渗透严重限制了分馏效率，并为基于可调DESs设计高效的生物质处理系统提供了基础。

引言

生物精炼是一种可持续且综合的处理概念，旨在将木质纤维素生物质转化为一系列高附加值产品，如生物燃料、生物化学品和生物材料，从而为循环生物经济做出贡献，并减少对化石资源的依赖[1]、[2]、[3]。将生物质高效地分馏为其主要成分（纤维素、半纤维素和木质素）是实现这一价值化潜力的关键步骤。然而，由于木质素和多糖的交联基质，木质纤维素结构本身的顽固性要求进行有效的预处理以增强可及性并进行后续转化。随着全球对环境保护的日益重视，开发和使用绿色溶剂进行此类预处理引起了广泛的研究兴趣。其中，深共晶溶剂（DESs）作为一种新型溶剂脱颖而出，其特点是合成简便、挥发性低、不易燃、可生物降解且毒性低[4]、[5]。这些特性，加上其可调的物理化学性质，使DESs非常适合用于木质纤维素生物质的清洁高效分馏，从而实现其后续的价值化[6]、[7]、[8]。

化学机械制浆（CMP）是主要的工业纤维处理技术之一，包括初始的化学预处理以有效软化木质纤维素结构，然后通过机械精炼释放纤维[9]。该过程通常可产生70–90?wt%的浆纤维，特别适合大尺寸原料的预处理。传统方法在实现清洁高效的木质素分离和纤维细胞壁解纤方面仍面临重大挑战。具有可调性质的DESs、环境友好性和优异的溶解能力，在木质纤维素组分的分馏中显示出巨大潜力[10]、[11]、[12]。研究工作集中在调节DESs的官能团特性和氢键供体/受体（HBD/HBA）比例上，以及调整操作参数，如反应时间、温度和生物质颗粒大小[13]、[14]。例如，使用由乳酸和氯化胆碱（2,1）组成的典型DES在90?°C下处理杨木粉6?小时后，可去除25%的半纤维素和23%的木质素。将温度提高到120?°C并处理3?小时后，去除效率分别提高到63%和72%[15]。然而，在工业规模的处理中，使用大尺寸原料（如整块木片或粗块）通常是不可避免的，主要是为了最小化与大规模尺寸减小相关的能量和成本投入。对于这种大尺寸原料，有效的溶剂渗透至关重要，因为渗透不足会导致组分分离不完全、反应效率低下以及能源和化学物质消耗增加。例如，Zhang等人[16]报告称，在极端条件下（130?°C，2?小时），杨木片的木质素去除率仅为8%，将这种低效率归因于在庞大基质内的质量传递受限。同样，Smink等人[17]观察到在90?°C以下木片的脱木质化程度很小，进一步突显了溶剂可及性不足是一个关键瓶颈。改进分馏的其他策略包括减小颗粒大小[18]、[19]、[20]、[21]，或调节DES粘度[6]、[22]，或增强溶剂-生物质相互作用[23]、[24]、[25]、[26]。尽管付出了这些努力，大尺寸原料的分馏效率仍远低于粉末材料，主要是由于质量传递的限制。因此，系统研究DESs在大量生物质中的渗透和质量传递行为是必要的。然而，DESs在大尺寸生物质中的渗透行为及其对分离效率的影响尚未得到充分理解，这阻碍了它们的工业应用。

荧光示踪技术提供了一种非侵入性和实时的方法，用于可视化和追踪复杂有机系统中的分子和结构动态，在生物学、医学和材料科学中有广泛应用[27]、[28]。该技术允许从宏观到微观观察荧光信号，实现局部传输现象和化学变化的实时分析。研究人员结合了一些显微技术来研究木质纤维素中局部材料迁移和化学变化的行为[29]、[30]。例如，一项使用相关成像的研究监测了预处理过程中细胞壁结构的纳米级变化[31]；另一项使用共聚焦拉曼显微镜（CRM）跟踪了DES预处理过程中木质素在细胞壁内的空间分布和迁移，并揭示了溶解-迁移-再分布动态[32]。这些可视化方法为绿色溶剂系统中化学组分的分布和溶解行为提供了关键见解。因此，本研究旨在结合荧光追踪方法和多阶段处理策略，阐明DESs在木质纤维素生物质中的渗透模式，并明确DESs的官能团特性与木质素溶解之间的关系，从而为纤维细胞的高效定向分离提供理论基础和技术支持。

在这项工作中，我们系统地研究了具有特定官能团修饰的DESs在大尺寸杨木片中的渗透行为和分馏效率。我们的研究涵盖了28种具有定制羧基/羟基比例的脂肪族DESs的广泛筛选，以建立结构-性能关系。对于关键的荧光追踪渗透研究，选择了三种代表性的DESs（[ChCl][LA]、[ChCl][AA]和[ChCl][EG]。这种选择基于它们不同的官能团组成（羧酸与二醇）、氢键能力，以及它们在文献中作为模型系统的普遍性，分别代表酸性、弱酸性和非酸性DES类型。虽然这些DESs在粉末生物质中已被广泛研究，但它们在大尺寸原料中的渗透行为仍知之甚少。这些DESs被标记了一种荧光探针，以监测在不同温度和持续时间下的溶剂渗透情况。定量评估了DES官能团组成，特别是羧基/羟基比例和氢键能力对木质素溶解和碳水化合物保留的影响。此外，还开发了一种针对大尺寸原料的两阶段分馏方法，以提高木质素的回收率和DES的可回收性。这项研究为DESs在大量生物质中的质量传递限制提供了基本见解，并提出了一种优化溶剂系统以实现高效可持续木质纤维素生物精炼的实际策略。

材料

Populus tomentosa木片来自中国湖南和河北省份。空气干燥样品的含水量确定为10–11%。使用的是工业级氯化胆碱（ChCl，99%， Zhengxing Food Additive Co., Ltd.，中国）。分析级试剂包括乳酸（LA）、乙二醇（EG）、乙酸（AA）、马来酸（MA）、草酸（OA）、羟基乙酸（GlyA）、1,4-丁二醇（1,4-BDO）、1,3-丙二醇（1,3-PDO）、丁酸（BA）、丙酸（PA）

将DES官能团组成与木质素溶解和生物质分解相关联

为了研究DES官能团特性对杨木处理和木质素溶解的影响，将28种DESs应用于Populus tomentosa（图1）。具有相似官能团比例的DESs被系统分类，以识别共同趋势，并评估了未受调控的官能团分布对细胞壁分解的影响。DES配方根据它们的羧基与羟基摩尔比（–COOH:–OH）进行分类（表示为

结论

本研究使用荧光追踪方法系统研究了具有特定官能团修饰的DESs在大尺寸杨木片中的渗透和分馏行为。我们的发现表明，缓慢且不均匀的溶剂渗透是处理大量生物质的主要瓶颈，而在高温（>100?°C）下可以显著缓解这一问题。在筛选的溶剂中，基于乳酸的DES（[ChCl][LA]表现出优越的渗透能力，实现了完全

CRediT作者贡献声明

周世乐：撰写——原始草稿、方法论、概念化。刘继芳：监督、正式分析。吴淑斌：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。