随着化石资源的枯竭及环境污染的加剧,以绿色、可再生的生物燃料替代化石能源的研究已倍受关注。其中,以资源丰富、价格低廉、可再生的木质纤维素生物质为原料生产燃料、化学产品和新材料的研究已成为研究的热点。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成。但因其天然复杂的结构特性、超强的化学或生物降解抗性,要实现木质纤维素的全面利用与转化,首先必须对其进行预处理和组分分离。近年来,离子液体因其优异的理化性能尤其是其较强的溶解纤维素、木质素的能力,在生物质预处理中表现出广阔的应用前景。近期本课题组合成了一系列低毒、易生物降解、可再生的胆碱离子液体,且该离子液体能从木质纤维素中选择性萃取木质素,是一类高效的预处理溶剂。然而,迄今,基于该类离子液体的木质纤维素预处理、酶解的相关机制及组分分离的研究尚未见报道。因此,本论文首先根据构效关系选用几种典型的[胆碱][氨基酸盐]([Ch][AA])和[胆碱][羧酸盐]([Ch][CA])离子液体作为预处理溶剂,研究其对模型木质素Kraft木质素的预处理机制,阐明了该类离子液体对Kraft木质素结构及性质的影响;在此基础上,首次探讨了该类离子液体预处理水稻秸秆后进行组分分离的可能性,并对离子液体的重复利用进行了研究;随后,对比研究了不同预处理方法(球磨法、碱法、[胆碱][乙酸盐]([Ch][AcO])及[胆碱][精氨酸盐]([Ch][Arg])预处理)萃取的木质素结构和性质,从分子水平上阐明了胆碱离子液体选择性萃取木质素的分子机制;最后从该类离子液体预处理水稻秸秆后的残渣中分离出残余木质素,并对其进行了结构表征,研究了残余木质素对酶的非特异性吸附及纤维素和纤维二糖水解的影响,首次结合残余木质素的结构,阐明了残余木质素对纤维素酶解的影响机制。同时,建立了绿色、经济、高效的木质纤维素预处理及组分分离的新工艺。研究结果表明,经胆碱离子液体预处理后Kraft木质素的骨架结构几乎未发生变化,侧链中的基团发生了部分断裂、脱落或缩合,分子量和多分散性系数有所降低,热特性发生了一定的变化。红外光谱(FTIR)、氢谱(1H NMR)及二维异核单量子碳氢相关谱(2D HSQC NMR)分析一致表明所选用的Kraft木质素来源于软木。在预处理过程中,Kraft木质素的芳环骨架结构几乎未发生变化,仅部分酯键发生断裂。核磁分析、凝胶渗透色谱(GPC)和元素分析表明说明在预处理过程中解聚和缩合反应同时发生,然而解聚反应占主导地位。β-O-4′键发生了断裂,同时发生了脱水和脱甲基化反应,并有新的β-β′和β-5键形成。再生后的Kraft木质素样品分子量和多分散性系数均有所降低。不饱和度数值由未处理时的224升高到324~349。热重分析(tg)和差示扫描(dsc)分析表明kraft木质素样品再生后其分解温度及玻璃态转化温度均有所提高。经胆碱离子液体预处理后,水稻秸秆可进行组分分离,得到富含碳水化合物(crm)和富含木质素(lrm)两大组分,且离子液体具有优异的可重复利用性。胆碱离子液体萃取木质素的能力及lrm的回收率顺序为[ch][arg]>[ch][lys]≈[ch][gly]>[ch][aco]>[ch][glc],上述各种离子液体的回收率>91%。[ch][arg]是草本类木质纤维素如小麦秸秆、甘蔗渣、玉米芯等的高效预处理溶剂;并且,首次发现该离子液体对硬木(桉木)具有良好的预处理效果。该离子液体可以高效地去除木质素组分,且以上crm后续酶解其糖收率可以达到58-75%,然而,[ch][arg]对软木(松木)预处理效果不理想。[ch][arg]具有优异的重复利用性能,每批次预处理后,均对lrm进行回收,使用8批次后,离子液体的回收率为初次使用时的75%,且各批次所得的crm均具有较好的可降解性、较高的葡萄糖收率(63-75%)和木糖收率(25%)。在木质素萃取机制上,胆碱离子液体与碱预处理具有相似之处,也存在显著的差异。ftir、1hnmr、2dnmr分析表明,各种木质素样品均属于sgh型,且在预处理过程中芳环骨架未受破坏。2dnmr图谱的侧链区均有典型的β-o-4′结构信号,其含量由磨木木质素(mwl)的78%,分别下降到27.6%(al)、31.8%(acol)和32.1%(argl);芳环区s、g、h信号较易区分,且有麦黄酮信号出现,木质素结构中s/g比例分别为0.50(mwl)、1.01(al)、0.91(acol)和1.06(argl)。上述结果表明胆碱离子液体预处理与碱预处理过程中,木质素中β-o-4′键均发生了大量的断裂,且s型结构较易被提取。不同之处表现在,1hnmr分析表明碱预处理过程中产生了明显的缩合结构(β-βˊ),而离子液体木质素则未检测到该结构,这可能是由于前者的预处理强度远高于后者。gpc分析表明,al的分子量最大,两种离子液体木质素与mwl的分子量相对较小,这正是由于碱预处理过程中,缩合结构的形成导致al的分子量更高。元素分析表明mwl的不饱和度最低(272),而al的不饱和度则最高(323)。不同胆碱离子液体预处理后crm的消解率有明显的差异。酶解除了受残余木质素(rl)的含量、比表面积及孔体积影响外,rl的化学组成和结构对其消解率也有一定的影响。rl的来源及含量均对纤维素的酶解有一定的负面影响,但对纤维二糖的酶解几乎没有影响,其原因可能是在纤维素酶解过程中,纤维素酶催化纤维素降解为纤维二糖为限速步骤,而β-葡萄糖苷酶催化纤维二糖水解成葡萄糖为快速反应步骤(非限速步骤)。同种RL对纤维素酶和葡萄糖苷酶的吸附趋势相似。各种RL对酶的吸附强度依次为Glc-RL>AcO-RL>Gly-RL。RL对纤维素酶的非特异性吸附导致酶活的降低是纤维素消解率降低的主要原因。各种RL对酶蛋白的非特异性吸附和酶活抑制程度的不同归因于其结构的差异。木质素中的羧基含量越高越有利于降低木质素对酶的非特异性吸附,而酚羟基则对酶活具有较强的抑制作用。本研究不仅初步阐明了基于胆碱离子液体的木质纤维素预处理及酶解的相关机制,还建立了绿色、经济、高效的木质纤维素预处理及组分分离的新工艺,为实现生物质全组分的高值化利用奠定理论基础,并为促进化石经济向碳水化合物经济转型提供新的思路。