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隨著化石資源的日益枯竭和環境問題的日趨嚴重，尋求用于高性能且綠色環保高分子材料設計制備的可再生原料已刻不容緩。生物質高分子是由植物通過光合作用轉化而來，是地球上重要的可再生資源，每年產量約1.5×1012噸。將該類資源在高分子材料技術領域作為原料，可實現材料制作、使用、廢棄全生命周期內的CO2“零排放”，對緩解溫室效應有很好的作用，是原料綠色化的最佳選擇，具有重要意義。纖維素是生物質中最基本、最主要、最重要的組成部分，依據其結構特征，如能運用水解將其轉化為葡萄糖，并以此為基點用于生物基平臺化合物及生物基高分子材料的設計、制備與合成，將為切實實現可再生生物質高分子在材料領域的有效利用提供可行性的技術途徑。
圍繞實用性的纖維素轉化變糖技術研發，中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊在研究員朱錦和副研究員那海寧的帶領下，設計構建了包含“去結晶、再水解”的兩步法纖維素水解策略，并通過在該策略中融入微波，在相對溫和條件下成功實現了纖維素的快速高效水解變糖。纖維素水解轉化率超過90%，葡萄糖產率最高達到76.5%。相比于傳統的一步法同類技術，葡萄糖的轉化效率得到了明顯提升（如圖1所示）。
立足于“兩步法”水解纖維素技術策略展現出的技術能力與實效，生物基高分子材料技術團隊開始在纖維素水解技術領域組建并試點小型工程化技術。在技術實施過程中，對纖維素化學分子結構水解響應性的深入研究，進一步明確證實了有效打破纖維素高度有序的結晶結構對促進其實現快速高效水解的巨大作用。不僅如此，還發現盡管在“去結晶”步驟中明顯降低纖維素的結晶度，但將所得低結晶度再生纖維素繼續水解時，其非晶部分卻極易在水解過程中發生再次結晶，這一現象會極大地阻礙水解的繼續進行（見圖2&圖3）。
針對這一問題，生物基高分子材料技術團隊在近期致力于利用微波和助催化劑環丁砜的協同作用，在水解過程中成功實現了對低結晶度再生纖維素再次結晶的引導調控，由此實現了再生纖維素的快速高效水解。詳細的研究表明，再生纖維素的再次結晶在水解過程中得到了充分調控，纖維素I型結晶結構得到明顯抑制。隨著微波輔助水解體系中環丁砜含量的增加，I型結構纖維素的比例逐漸減少，再生纖維素再次結晶的抑制程度與纖維素的水解效率也逐漸增強。當環丁砜用量達到80wt%時，完全抑制了纖維素I型結晶結構的形成，促使再生纖維素的水解轉化率達到98.0%，還原糖產率高達71.9%。該項研究的深入開展，不僅證實了調控再生纖維素再次結晶對促進其水解的關鍵作用，同時為再生纖維素的快速有效水解提供了可行性的技術思路和技術方法。
這項研究的逐步推進，不僅豐富了纖維素快速水解變糖關鍵的科學理論與技術，更是為全面構建行之有效的纖維素水解變糖工程化技術奠定重要的基礎。
該項工作得到了國家自然科學基金（21274160和21304104）、寧波自然科學基金（2015A610054）、寧波高分子材料重點實驗室（2010A22001）和寧波創新團隊（2015B11003）的支持，相關研究成果發表在美國化學會雜志ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2016, 4(3): 1507-1511及Bioresource Technology, 2015, 19: 229-233 & 2014, 167: 69-73 & 2013, 137: 106-110。 |
