近日，西南林业大学材料与化学工程学院木质纤维生物质绿色分离及全值化利用创新团队（第一作者为2022级化学专业盛宇同学）在《Chemical Engineering Journal》发表一项创新性研究，成功利用五种氯化胆碱（ChCl）基低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）对竹材细胞壁组分进行分离，结合实验表征与理论计算方法从分子层面揭示了ChCl基 DES 预处理竹材的机制；还构建了一套完整的生物质预处理评估框架，为滇产竹材生物精炼产业化提供了理论支持和技术路径，对推动生物质能源发展与实现“双碳”目标具有重要意义。

低共熔溶剂（DESs）由一种或多种氢键受体（HBA）与氢键供体（HBD）按不同摩尔比例组成，具有可调控性、低毒性和环境友好等优势。由于其制备简便且在生物质分馏和木质素溶解方面表现优异，正逐渐成为传统有机溶剂的理想替代品。以氯化胆碱（ChCl）为HBA的DES体系在生物质预处理中被广泛研究，因ChCl无毒、可生物降解性强，并能与多种HBD形成DES。氢键作为溶液体系中普遍存在的弱相互作用，对溶质在溶剂中的溶解行为具有重要影响。DES预处理效果不仅取决于HBD与HBA的摩尔比、温度和时间等处理条件，还与生物质类型及DES自身与生物质间氢键和范德华力的参与程度密切相关。通过理论计算可在分子动力学层面研究溶剂分子与原始纤维素-半纤维素-木质素结构间氢键的变化，从而深入揭示木质素和半纤维素在DES体系中的溶解机制。采用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）辅助研究DES预处理性能已被证明能有效解释分子水平的机制，将有助于解释生物质细胞壁组分在DES中的溶解机制并筛选合适的DES组分。因此，将实验研究与理论计算相结合探索DES预处理过程及其潜在机制，既可促进竹材细胞壁组分分离方法的理性设计，也为优化竹生物精炼提供关键见解。

研究团队采用甲酸（FA）、乳酸（LA）、乙酸（AA）、甘油（GLY）和乙二醇（EG）作为氢键供体（HBD），与氯化胆碱构成五种DES体系，在120°C下微波处理20分钟。结果表明，ChCl/FA体系表现最佳，木质素去除率达86.14%，木聚糖去除率达95.82%，纤维素保留率超过70%。经其预处理后的竹材，葡萄糖产率从原始竹材的9.46%提升至76.23%，乙醇产量从1.28 g/L提高至13.4 g/L。通过结合密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟，研究首次发现DES体系中分子间氢键强度与木质素和木聚糖的去除率呈显著正相关（R² = 0.97–0.98）。ChCl/FA体系中较弱的分子间氢键（-25.3 kJ/mol）更有利于破坏竹材中纤维素-木聚糖-木质素之间的氢键网络，从而促进组分分离。从分子机理层面明确了氢键能量是调控预处理效率的关键因素。

图1 ChCl基DES的结构特性：(a)黏度；(b)IGMH分析；(c)分子间氢键作用力；(e)Kmalet-Taft溶剂化参数；(d)FTIR光谱；(f)1H NMR谱图

图2. 不同DES体系预处理后竹残渣化学成分变化(a和b)；(c)木质素和木聚糖去除率与分子内氢键能量的相关性

图3. ChCl基DES预处理竹残渣的结构特性：(a)FT-IR光谱；(b)XRD谱图；(c)疏水性与酶可及性性能；(d)BET比表面积；(e-f)XPS分析

图4. DES预处理竹材的酶解糖化与发酵(a)；不同ChCl基DES对CLE/VG、CLE/AXYL和CLE/GYYL模型以及AXYL/VG和GXYL/VG模型中分子间作用力(b)和氢键数量(c)的影响；(d)CLE-VG模型中酶解效率与相互作用能的相关性

图5. 竹材特性与酶解效率间关系的皮尔逊相关矩阵

图6. DES再生木质素的特性

图7. ChCl基DES回收木质素的2D-HSQC谱图及主要结构

图8. 不同ChCl基DES预处理过程中木质素的反应路径

图9. 竹材ChCl/FA预处理、酶解糖化与微生物发酵的质量平衡