来自农作物秸秆的木质生物质是一种丰富且廉价的可再生资源，可以转化为高价值的平台化学品。木质生物质拥有复杂的三维结构，其主要组分纤维素、半纤维素和木质素之间通过氢键和共价键牢固地相互结合，因此木质生物质通常都不容易被降解，需要一系列有针对性的预处理。质子型离子液体是一种结构稳定、酸性可调且可循环使用的新型催化剂，具有优异的溶解纤维素的能力，通过降低纤维素的结晶度，进一步增强其水解/醇解性。
当前，木质生物质组分催化液化技术研究中面临着木质素资源尚未被完全有效的开发利用、目标产物选择性低及催化回收工艺复杂等问题。针对该领域的问题，生物工程学院张芹芹副教授在离子液体预处理生物质并协助其全组分转化领域取得了一定进展。以玉米秸秆为原料，质子型离子液体[B2-HEA][OAc]为预处理剂，采用“木质素优先”策略脱除木质素，随后利用醇解液化技术定向强化木质生物质转化为乙酰丙酸乙酯。在最佳预处理条件下，纤维素和半纤维素的回收率分别为83.78%和67.20%。同时脱木质素率可达到70%。并将预处理后玉米秸秆液化转化为乙酰丙酸乙酯，最大产率可达48.97%。
此外，提出了玉米秸秆在催化过程中可能发生的反应机制。离子液体作为有效的催化剂可以将几个过程整合到一个步骤中，包括木质生物质的组分分离和糖类的水解转化。玉米秸秆在离子液体的作用下首先发生组分的分离，离子液体提供的氢质子促使纤维素和半纤维素发生水解，生成单糖，并进一步发生开环脱水生成乙酰丙酸，最后和乙醇酯化生成乙酰丙酸乙酯。降解的木质素溶解于乙醇中，这些降解的小分子木素由于被氢质子攻击形成一个阳离子中间体，与催化体系中的糖类及其衍生物或自身发生缩聚反应。
图1.木质生物质的离子液体预处理以及液化转化的反应流程
该成果以“Total component transformation of corn stalk to ethyl levulinate assisted by ionic liquid pretreatment”为题发表在国际知名期刊Cellulose（IF=5.7）上。青岛科技大学为第一通讯单位，文章的第一作者是青岛科技大学生物工程学院硕士研究生王义翔，通讯作者为张芹芹副教授。论文链接为https://doi.org/10.1007/s10570-024-05818-8。本课题研究得到了国家自然科学基金青年基金项目[51803107]和山东省自然科学基金面上项目[ZR2022MB019]的支持。
