深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）因其低毒性、可生物降解、易于制备和结构可调等优势，近年来成为替代传统有机溶剂和离子液体的理想候选。南京林业大学王志国团队本研究开发了一种基于乳酸/氯化胆碱深共熔溶剂（LA/ChCl DES）的绿色分离工艺，用于木质纤维素生物质的处理，并通过酸水解预处理有效减少半纤维素杂质在DES循环中的积累。
南京林业大学王志国团队本研究开发了一种基于乳酸/氯化胆碱深共熔溶剂（LA/ChCl DES）的绿色分离工艺，用于木质纤维素生物质的处理，并通过酸水解预处理有效减少半纤维素杂质在DES循环中的积累。经过五次循环后DES回收率超过90%，虽脱木质素效率从90%降至76%，但通过补充新鲜DES和活性炭净化可恢复至88%。所得木质素纯度高于85%，分子量稳定（约7000 g/mol）、分散性低（PDI≈1.70）且富含酚羟基；纤维素组分结晶度高（CrI≈80%），纤维结构完整。该策略为可持续DES生物质精炼提供了技术支撑与理论依据。
相关成果该工作以“Deep Eutectic Solvents Recycling for Efficient and Sustainable Lignocellulosic Biomass Processing and the Impact of Recycling on Resultant Lignin and Cellulose Products” 为题发表在《ACS Sustainable Chem. Eng.》上。
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背景介绍
木质纤维素生物质作为地球上最丰富的可再生资源之一，具有巨大的潜力用于生物燃料、生物基化学品和功能性材料的可持续生产。然而，其复杂的结构组成——由纤维素、半纤维素和木质素紧密交织形成的刚性三维网络——赋予其天然的抗降解性（biomass recalcitrance），严重阻碍了其在生物炼制过程中的高效转化。因此，开发绿色、高效、可规模化的预处理技术以实现木质纤维素组分的高效分离与高值化利用，是当前生物质精炼领域的核心挑战之一。
深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）因其低毒性、可生物降解、易于制备和结构可调等优势，近年来成为替代传统有机溶剂和离子液体的理想候选。特别是以乳酸/氯化胆碱（LA/ChCl）为代表的羧酸类DES体系，在温和条件下可选择性溶解木质素，保留纤维素晶体结构，展现出优异的分离选择性和可循环性。然而，DES在多次循环使用过程中，因半纤维素及其降解产物（如乙酸、糠醛等）的积累，会导致其理化性质变化，进而降低脱木质素效率与产物一致性。因此，如何通过前处理与后处理手段提升DES的循环稳定性与分离性能，成为推动其工业化应用的关键科学问题。
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文章摘要
本研究提出了一种基于乳酸/氯化胆碱（LA/ChCl）深共熔溶剂的木质纤维素生物质绿色分离策略，并通过酸水解预处理去除半纤维素，显著降低了DES循环过程中杂质积累对其性能的负面影响。在五次循环使用过程中，DES的回收率保持在90%以上，但脱木质素效率由初始的90%下降至76%。通过补充新鲜DES及采用活性炭吸附净化处理，可将脱木质素效率恢复至88%，接近新鲜DES水平。结构表征结果表明，DES在循环过程中结构稳定，分离得到的木质素（DES-L）纯度高于85%，分子量稳定（约7000 g/mol），分散性低（PDI ≈ 1.70），且富含酚羟基结构；纤维素组分（DES-C）保持高结晶度（CrI ≈ 80%）与良好的纤维结构完整性。该研究为构建高效、可持续的DES基木质纤维素精炼工艺提供了理论依据与技术路径。03
文章内容
3.1 酸水解预处理
为提高DES分离效率并减少杂质干扰，研究首先采用稀酸水解（0.7 wt% H₂SO₄，160 °C，80 min）对杨木片进行预处理。结果表明，该条件下可有效去除约96%的半纤维素，固体残渣中纤维素与木质素含量分别提升至62.37%与31.45%，为后续高效分离奠定基础。
图1 (a) 使用乳酸/氯化胆碱（LA/ChCl）低共熔溶剂（DES）分级木质纤维素生物质的示意图，说明了DES-纤维素和DES-木质素的分离、DES回收及通过活性炭纯化。(b) 使用LA/ChCl DES分级木质纤维素生物质的过程，提取纤维素、木质素并回收DES。(c) 使用新鲜DES、回收DES和纯化DES分级木质纤维素生物质后的木质素含量和脱木质效率。新鲜DES获得最低的木质素含量（3.15%），而使用回收DES时木质素含量为6.92%。通过活性炭吸附纯化回收的DES恢复了脱木质效率，残留木质素含量为3.86%，与使用新鲜DES时相当。(d) LA/ChCl DES在五个循环中的回收质量比。3.2 DES分离条件优化
以LA/ChCl DES为分离介质，系统考察了不同反应温度（80–160 °C）对脱木质素效率的影响。结果显示，在140 °C下反应2小时，DES可实现90%的脱木质素率，残余木质素含量降至3.15%，且纤维素结构保持完整，确定为最佳分离条件。
图2 (a) 使用回收的LA/ChCl DES分级木质纤维素生物质后的木质素含量，无新鲜DES。(b) 使用回收的LA/ChCl DES分级木质纤维素生物质后的木质素含量，加入新鲜DES。(c) 各循环的脱木质度，显示加入新鲜DES后效率有所提高。(d) 回收DES的颜色变化： (d1) 无新鲜DES，(d2) 有新鲜DES，突出显示杂质积累和颜色稳定化。3.3 循环使用性能评估
在五次连续使用过程中，DES回收率均高于90%，但其脱木质素效率由初始的90%逐步下降至76%。分析表明，循环过程中溶解性杂质（如酸溶性木质素、糖类降解产物等）在DES中积累，导致其理化性质变化，进而影响分离性能。
图3(a1–a5) 使用LA/ChCl DES在140°C下分级木质纤维素纤维的显微形态，无新鲜DES，五个循环后纤维分离减少，碎裂增加，表明杂质积累。(b2–b5) 使用LA/ChCl DES在140°C下分级木质纤维素纤维的显微形态，有新鲜DES，显示出更好的纤维分离和较少的碎裂，突出了加入新鲜DES的积极影响。3.4 性能恢复策略
为恢复DES性能，研究采用两种策略：补充新鲜DES与活性炭吸附净化。结果显示，补充新鲜DES可将脱木质素效率恢复至80%，而经活性炭处理后，效率进一步提升至88%，接近新鲜DES水平，表明净化处理可有效去除杂质，延长DES使用寿命。
图4 (a) 回收DES分级五个循环中纤维素和木质素的含量（%）：(a1) 无新鲜DES，(a2) 有新鲜DES。纤维素产量保持稳定，而木质素产量最小。(b) DES-C的FT-IR光谱：(b1) 无新鲜DES，(b2) 有新鲜DES，显示出跨循环一致的化学结构。(c) DES-C的XRD光谱：(c1) 无新鲜DES，(c2) 有新鲜DES，突出显示了高纤维素结晶度的保持，加入新鲜DES时保存效果略好。3.5 木质素产物表征
分离所得木质素（DES-L）纯度高于85%，分子量约为7000 g/mol，分散性指数（PDI）约为1.70，富含酚羟基与羧基，具备良好的热稳定性与结构均一性。2D HSQC NMR分析表明，β-O-4连接键部分断裂，S/G比略有下降，但整体结构保持完整，适用于高值化利用。
图5 使用LA/ChCl DES分级木质素（DES-L）五个循环的FT-IR光谱：(a) 无新鲜DES，(b) 有新鲜DES，显示跨循环一致的化学结构。DES-L的热稳定性由TG曲线表示：(c1) 无新鲜DES，(c2) 有新鲜DES。DTG曲线：(d1) 无新鲜DES，(d2) 有新鲜DES，显示无论是否加入新鲜DES，降解阶段和热行为均相似。
3.6 纤维素产物特性
纤维素组分（DES-C）结晶度指数（CrI）约为80%，纤维分散良好，结构完整，适合用于纳米纤维制备与复合材料增强。XRD与FTIR分析均表明，DES处理对纤维素晶体结构影响较小，保留了其天然特性。
图6 使用2D HSQC NMR光谱分析DES-L的芳香区（a1–c1）和侧链区（a2–c2），跨第1、3、5个循环无加入新鲜DES。芳香区显示了辛基（S）和愈创木（G）单元的稳定信号，而侧链区揭示了随着循环次数增加，β-O-4和其他单元间联结的轻微降解，表明木质素结构发生了轻微变化。
3.7 综合工艺构建
本研究构建了一种“酸水解预处理 + DES绿色分离 + 活性炭净化”的集成工艺路线，有效提升了DES的循环稳定性与分离效率，同时保证了木质素与纤维素产物的高纯度与结构稳定性，为木质纤维素生物质的高效精炼提供了理论依据与技术路径。
图7 (a) 简要示意图，说明使用活性炭吸附去除溶剂中的杂质，以恢复回收DES的分级特性。(b) 通过预处理减少木质素含量的木质纤维素生物质，使用新鲜、回收（五次）和纯化DES分级后的木质素含量和脱木质度。
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总结展望
本研究系统评估了LA/ChCl深共熔溶剂在木质纤维素生物质分离中的循环使用性能，提出并验证了“酸水解预处理 + DES分离 + 活性炭净化”的集成工艺路线。该策略不仅有效提升了DES的循环稳定性与分离效率，同时确保了木质素与纤维素产物的高纯度与结构完整性，为实现绿色、高效、可持续的木质纤维素生物精炼提供了理论支撑与技术路径。未来工作应进一步优化溶剂净化工艺、评估其经济性与环境足迹，并拓展DES-木质素在功能材料、能源存储与生物基聚合物等领域的高值化应用。05
会议介绍
一带一路国际先进材料大会（BRCAM）绿色可持续论坛，聚焦生物质高效预处理与增值转化，突破绿色复合材料改性及应用瓶颈，升级绿色农业材料与技术，以及废弃高分子绿色回收四大主题论坛。将通过汇聚全球国内外顶尖学者、产业领袖，旨在搭建“产学研用”融合平台，通过国际合作，共享技术成果、共建联合实验室与技术转移中心、优化产业链布局，共同推动全球生物基增值转化与循环、绿色农用材料的高质量发展。组委会联系人
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Qing Zhang, Enging Zhu, Chi Zhang, et al. Deep Eutectic Solvents Recycling for Efficient and Sustainable Lignocellulosic Biomass Processing and the Impact of Recycling on Resultant Lignin and Cellulose Products,ACS Sustainable Chem. Eng. 2025, 13, 14400−14410.
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c04396
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封面：文章插图
来源：ACS Sustainable Chem. Eng.
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