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纖維素在什么條件下水解 纖維素水解產物

產物纖維素條件下

纖維素水解產物(纖維素在什么條件下水解)
纖維素是一種來源廣泛的可再生生物質資源 。如果能轉化為補充和替代不可再生化石資源的能源和材料，將對未來人類社會的可持續發展產生重要影響 。通過化學手段將纖維素高效水解成糖，是通過分子結構的直接快速拆解獲得生物基小分子平臺化合物的重要途徑，也是突破纖維素轉化為能源和材料技術瓶頸的重要舉措 。但是，由于纖維素分子鏈中含有大量的羥基，分子鏈之間可以生成很強的氫鍵，形成非常頑固的結構，化學反應很低 。另外，纖維素水解物(小分子糖)化學反應性好，容易發生副反應 。因此，在纖維素水解成糖的過程中，水解反應速度慢、糖產物不穩定等問題導致轉化率低、選擇性差 。
中科院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊朱進研究員、那海寧研究員帶領研究團隊通過兩步法、水解響應原理及驅動方法、同步冷卻的微波驅動技術、強羥基吸附催化促進劑四個技術板塊的研究工作，解決了這一難題 。本文詳細揭示了纖維素高度結晶和自發重結晶的本質機理，這是由于分子的自聚性質強烈阻礙了水解 。在此基礎上，構建了含有強羥基吸附催化添加劑的全水相水解體系 。結合同步冷卻的微波驅動技術，有效去除纖維素的初始結晶，有效抑制水解過程中的重結晶，最終在水相、低酸、溫和條件下高效水解纖維素成糖 。

圖1微波驅動同步冷卻抑制纖維素重結晶和強化水解
通過構建包括“去晶化”和“再水解”在內的“兩步水解路線”，團隊成功去除了纖維素分子鏈超自聚集性質導致的初始“頑固”結構，顯著提高了纖維素的水解可及性，促進了糖產物的產率和選擇性，尤其在微波驅動水解(Bioresource Technol 。，2013，137: 100在此基礎上，通過優化水解系統和驅動方式的設計，可以調控纖維素水解的可及性和響應速度 。在富含極性非質子溶劑環丁砜的水解體系中，環丁砜與纖維素分子鏈上羥基之間的吸附成功控制了再生纖維素因分子鏈自聚集而自發重結晶，抑制了晶體結構更加完善的I型晶體的生成，同時引導了相對水解響應能力更高的II型晶體的生成，進一步提高了纖維素水解的可及性和效率(ACS sustain ?；瘜W 。英格 。，2016，4在新型微波驅動方式方面，成功開發了同步冷卻的微波驅動方式，在合適的恒定反應溫度下，有效強化微波非熱效應，從而調節纖維素分子鏈之間的相互作用和重結晶能力，促進水解為糖(碳水化合物聚合物)效率的進一步提高 。，2018，197: 414-421)，如圖1所示 。
【纖維素在什么條件下水解 纖維素水解產物】
圖2-使用含ZrO2的催化體系成功地刺激纖維素在水相、低酸和溫和條件下形成糖的有效水解反應 。

圖3碳基催化促進劑通過破壞纖維素顆粒的結構，在水相、低酸、溫和的條件下能高效地將纖維素顆粒水解成糖 。
此外，為了實現纖維素在水相體系中的高效水解，團隊提出使用氧化鋯(ZrO2)作為催化助劑，構建鋯基催化體系，在微波輻射下可以誘導纖維素高效水解為糖 。如圖2所示，由于ZrO2對纖維素分子鏈的影響，纖維素在水解過程中的重結晶作用明顯減弱，水解活性增加(碳水化合物Polym 。, 2019, 228: 115358).
最近，那海寧和張振宇延續了通過水解過程中的物理作用來調控纖維素的結構，從而提高纖維素化學水解的可及性、響應性和成糖效率(物理驅動化學)的研究思路，通過水熱合成制備了一種富含羥基、與纖維素具有強親和力的碳催化添加劑 。由于碳基催化促進劑與纖維素鏈段之間的相互作用力大于纖維素鏈段之間的相互作用力，因此催化促進劑的加入可以有效地破壞纖維素顆粒在水解過程中的結構 。如圖3所示，預處理后的纖維素顆粒(大小約50μm)被切碎成粒徑約60nm的纖維素碎片，增加了比表面積，暴露出更多的水解活性位點，從而明顯提高了纖維素的水解能力 。在酸濃度僅為0.02mol/L的整個水相體系中，在150℃下，僅用15分鐘即可達到100%的水解轉化率、96%±4%的還原糖產率和73%以上的產物中葡萄糖組分 。通過進一步探索碳基催化添加劑的催化機理，提出了通過界面相互作用提高纖維素反應可達性和水解效率的催化添加劑設計思路，為纖維素水解制糖高效水相催化體系的構建和應用提供了理論指導 。相關工作發表在材料科學領域的權威期刊ACS appl.mater.inter，2020，doi.org/10.1021/ACSami.9b23540 。
以上工作得到了國家自然科學基金面上項目(21978310，51773217)、山東省R&D重點項目(2019JZZY020217)、寧波市自然科學基金(2019A610026)、中科院青年創新促進會(2017339)的支持 。(來源寧波材料學院)

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