木質素是地球上最豐富的可再生芳香族化合物，這種材料作為生物基材料和燃料的前體具有廣闊的前景。然而，由于木質素大分子的復雜性和異質性，其一直難以用作有價值的材料。

木質素通常在造紙和生物精煉過程中被分離出來，這些過程會顯著改變其化學和物理特性，從而降低其價值。大多數木質素要么燃燒來生產燃料和電力，要么用于低價值產品，例如水泥添加劑或動物飼料中的粘合劑。

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可以說，生產更均質的木質素是其成為高價值材料的基礎。同時也是久未攻克的難點。

首先，提取困難。木質素存在于所有維管植物中，形成細胞壁并為植物提供剛性。木質素使樹木能夠站立，使蔬菜堅固，約占木材重量的20%~35%。然而，植物細胞壁的緊密性和細胞壁大分子（即纖維素、半纖維素和木質素）之間錯綜復雜的相互作用使得實現木質素的清潔高產提取成為一項艱巨的挑戰。

其次，木質素的高產率與高質量相沖突。為了實現高木質素產率，木質素提取技術過程通常會嚴重改變和濃縮木質素的天然結構，這是其在轉化過程中利用的一個關鍵缺點。此外，沒有能夠以受控結構特性從植物生物質中分離木質素的方法。

近日，《美國國家科學院院刊》（PNAS）報道了一項研究，華盛頓州立大學的研究人員從麥稈中提取了高達93%的木質素，純度高達98%。實現了以高產率從植物材料中提取天然形式的木質素，并且可以制造相當多的材料來評估其應用。

（來源：PNAS）

兼顧高產率和高質量

許多技術性木質素分離方法，包括弱酸研磨工藝和纖維素酶水解法，都被用于研究獲取原生木質素或天然木質素，但這些方法都難以兼顧高產率和高質量。所謂的高質量是指最大限度地減少木質素結構的改變。

據推測，木材中的原生木質素可能具有一致的特性，而在木質素產品中觀察到的顯著變化是在分離過程中引入的。

舉例來說，物理分離方法往往會從復合中層或次生細胞壁中提取比例失調的木質素，而眾所周知，這兩種木質素具有截然不同的結構特征。輕微的研磨條件通常會導致木質素分離率較低（低于 50%），而嚴重的研磨條件則會導致木質素結構發生變化。

目前，亟需找到一種木質素分離方法，既能獲得較高的木質素產量，又能對木質素產品的特定結構特性（如分子量范圍、官能團含量）進行有效控制。

這項研究展示了一種使用乳酸和吡唑低共熔溶劑（La-Py DES）提取木質素的方法。由于木質素是一種富電子化合物，因此對溶劑具有很強的親和力，電子相互作用使研究人員能夠以最少的化學反應提取木質素，從而保護了其在化學分離中經常容易損壞的天然分子結構。

具體來說，吡唑中的 -C-NH 和 -C=N 在與乳酸形成的 DES 中提供了獨特的氫鍵網絡，對木質素具有高親和力。在 90°C~145°C 的不同條件下，從麥稈生物質中提取了高達 93.7% 的木質素。通過調整處理條件以及乳酸與吡唑的比例，可以獲得具有目標醚鍵水平、酚羥基含量和平均分子量的木質素。

▲圖丨La-Py DES 的氫鍵相互作用示意圖（來源：PNAS）

研究人員測定了三種木質素樣品的熱穩定性，結果顯示，與原生木質素或工業木質素相比，其選擇的無醚鍵的木質素樣品可能具有更高的聚合物合成熱穩定性。這一特性更能滿足大多數聚合物加工的需要。

在這項研究中，在溫和的提取條件下（90°C~120°C），可以以高達 80% 的收率生產淺色的類天然木質素，而在 145°C 下可以獲得多分散性低的無醚鍵木質素。

▲圖丨La-Py DES 處理小麥秸稈后固體殘留物、可溶部分、木質素提取率和提取木質素顏色的化學成分（來源：PNAS）

總的來說，La–Py DES 提取為從植物生物質中大量生產具有高純度和受控結構特性的木質素提供了突破。

已申請臨時專利

此前，盡管經過數十年的努力，仍然沒有一種方法能夠從任何生物質中產生具有一致結構特性的木質素。這項研究中使用新方法生產的木質素顏色中性、無味且均質。這一進步可以使這種碳中性材料成為開發高價值產品的更可行的候選者，更適用于工業。

國外媒體在報道中評價道：“這種提取木質素的新方法可以幫助將麥稈變成黃金。”

這項工作的參與者包括PNNL的計算科學家EdoardoApra和田納西大學諾克斯維爾分校的Art Ragauskas教授。Arthur Ragauskas 是替代能源領域的首位富布賴特教席教授，也是美國科學促進會、國際木材科學院和 TAPPI 的研究員。他曾獲得 2014 年 TAPPI Gunnar Nicholson 金獎、ACS Affordable Green Chemistry 獎、RSC Environment, Sustainability and Energy Division 公開獎。

（來源：田納西大學諾克斯維爾分校官網）

這項研究得到了美國國家科學基金會和美國農業部國家食品和農業研究所以及華盛頓州立大學商業化差距基金的支持。

（來源：PNAS）

華盛頓州立大學商業化辦公室已申請臨時專利，并將協助研究人員擴大該技術的規模并最終商業化。為了使其更適合工業應用，研究團隊正在努力減少冗長的處理時間和所需的純化化學品的數量。

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