开发绿色高效的预处理技术来打破纤维素天然的抗降解屏障，对纤维素资源的有效利用十分重要，也可助力“双碳”目标的实现。青岛能源所崔球研究员带领的代谢物组学研究组与浙江理工大学唐艳军教授合作，创新性的建立了低能耗、绿色高效的熔盐水合物非溶解预处理纤维素技术（中国发明专利202010818370.1、202010818371.6），相关研究结果发表在Carbohydr. Polym《碳水化合物聚合物》上，该技术可在室温下高效解纤，为纤维素的进一步糖化和功能性利用奠定基础。
由绿色植物光合作用产生的纤维素可被转化为生物燃料、生物基材料、或生物基化学品。所以，作为天然可再生的碳负资源，纤维素的利用前景广阔。但天然纤维素具有高结晶的超分子结构，其高比例的有序且致密的纤维素I型结晶结构，使其水解和功能性改性的效率较低，限制了纤维素的有效利用。为此，需要开发清洁性、低能耗的高效预处理技术来打破纤维素的致密结构，增加其转化和利用效率。相比于高能耗的物理法预处理和时效性相对较低的生物法预处理，化学法预处理更加高效，特别是可循环利用的绿色溶剂体系的使用。
熔盐水合物（MSH）是 一种绿色高效的纤维素溶剂，已被用于纤维素的溶解、催化糖化和转化等。其中，三水合溴化锂（LBTH）溶解纤维素往往需要较高的温度（>100°C），且温度越高越容易导致纤维素的降解，这会增加LBTH的回收和提纯成本，增加工艺过程的复杂性。如果能在避免纤维素降解和溶解的情况下实现对纤维素的高效解构，会更加有利于固液分离和溶剂的回收与回用。但LBTH是否能在温和的条件下解离纤维素的结晶结构，以及解离到什么程度，之前的文献中尚未有报道。为此，研究人员通过系统的研究发现，LBTH室温处理微晶纤维素5分钟，即可使其原来致密的纤维素I型结晶结构转变为结构较为松散无序的无定形结构，结晶度降低为原来的1/4。室温处理30分钟，可以完全解离微晶纤维素的结晶结构，其BET比表面积增加了60倍。随后，LBTH预处理后纤维素的可及性用酶水解动力学做了详细评估。实验发现，在酶用量仅为2.5 毫克蛋白/克纤维素、酶水解24小时的条件下，LBTH处理30分钟后的纤维素酶水解转化率接近100%，而相同条件下未经预处理的纤维素酶解转化率仅为16.7%。此外，系统表征证实，LBTH可在室温下快速高效的解离微晶纤维素结构，且不溶解纤维素，这有利于预处理后的固液分离和溶剂的回收与回用。研究人员也证实了LBTH几乎可以完全回收，而且由于没有纤维素的降解，溶剂回用无需复杂的提纯，回用效果也不受回用次数的影响，整体工艺过程清洁、高效。
论文第一作者是联合培养研究生黄仲雷，通讯作者是青岛能源所李滨研究员和浙江理工大学唐艳军教授。相关系列研究得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导专项、山东省自然科学杰出青年基金和研究所自主部署基金等项目的支持。（文/图 李滨 黄仲雷）
Zhonglei Huang, Guang Yu, Chao Liu, Meiyan Wu, Yanjun Tang*, Bin Li*, Hui Peng. Ultrafast improvement of cellulose accessibility via non-dissolving pretreatment with LiBr·3H2O under room temperature. Carbohydrate Polymers, 2022, 284, 119180.
