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微波辅助选择性水热溶解毛竹中半纤维素及其利用的研究

随着日益严峻的能源危机和环境污染,开发和利用可再生生物质资源得到了世界各国研究者的关注。不同的生物质具有不同的地理位置优势,在西方国家,小麦、芒草和云杉等普遍存在;然而在亚洲,竹子普遍存在,仅在中国就有大约760万公顷的竹林。竹子是一种速生型草本植物,一般生长2到4个月,其高度即可达到15-30 m,3到8年就可以完全成熟。竹子具有快速生长和产量大的优点,可以稳定供应,广泛应用于造纸业、纺织业和家具行业等,但与此同时产生大量的竹子废弃物,因此有必要寻求一种可持续利用这些废弃物的方法实现其资源化利用,变废为宝。


竹子与其他典型的生物质一样,结构十分复杂,主要由半纤维素、纤维素和木质素三大组分组成。有效利用竹子中的三大组分,对发展以竹子为原料的生物炼制产业具有十分重要的意义。目前许多研究者十分关注同时转化竹子中的三大组分,提高其转化率。然而,同时转化竹子中的三大组分获得的是含糖、有机酸、呋喃、酚以及寡聚物等的液体混合物,导致产物的选择性低、分离提纯困难。半纤维素是竹子中一种非常具有潜力的原料,如果能从竹子中提取半纤维素组分而不显著影响纤维素和木质素组分,提高产物的选择性,便可实现三大组分的完全利用,具有十分重要的意义。


近日,四川大学化学学院教育部绿色化学重点实验室英国约克大学卓越绿色化学中心团队提出了一种绿色可持续利用竹子的方法,以毛竹为原料(学名:Phyllostachys heterocycle cv. pubescens, 在四川和浙江分布广泛)、纯水为溶剂,采用微波加热的方式获得了高纯度的半纤维素流体(半纤维素转化率> 95%),同时获得主要含纤维素和木质素组分的残渣。该过程只在水溶剂中进行,无需加入任何酸和其他添加物。研究人员采用一系列的分析手段,如FT-IR、SEM、TG/TGA、Py-GC/MS、TG-IR、13C liquid NMR、2D HSQC NMR和13C CPMAS NMR等,证明该过程实现了毛竹中半纤维素的选择性溶解,而纤维素和木质素没有显著的转化。残渣中的纤维素和木质素可以进一步作为原料用来制备糖和酚等高附加值的化学品。选择性地溶解得到的半纤维素主要得到包含β-D-木糖为结构单元的寡聚物。该方法一方面可以将半纤维素转化的寡聚物进一步解聚,并获得木糖、糠醛和乙酸等小分子产物,另一方面可以直接利用溶解的半纤维素衍生的寡聚物制备厚度大约为40 μm的薄膜材料用于食品包装等领域,为半纤维素的转化利用提供了有用的信息,也预示着微波辅助萃取的半纤维素具有潜在的商业价值。


这一成果近期发表在Green Chemistry 上,文章的第一作者是四川大学的博士研究生罗倚坪,四川大学的胡常伟教授和英国约克大学的James H. Clark教授为共同通讯作者。


该论文作者为:Yiping Luo, Jiajun Fan, Vitaliy L. Budarin, Changwei Hu and James H. Clark

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Microwave-assisted hydrothermal selective dissolution and utilization of hemicellulose in phyllostachys heterocycle cv. Pubescens

Green Chem., 2017, 19, 4889, DOI: 10.1039/C7GC02300F


导师简介


胡常伟,四川大学化学学院教授、博士生导师;2011年获得国家教学名师奖(第六届高等学校教学名师奖),2008年享受国务院特殊津贴,四川省学术和技术带头人;现任中国化学会理事、应用化学和绿色化学学科委员会委员、中国化工学会理事、四川省化学化工学会理事长、绿色化学与技术教育部重点实验室主任、英国皇家学会绿色化学系列丛书顾问(RSC Green Chemistry series Editorial Board,Editorial advisor)等;主要研究领域包括生物质转化、C-H键活化和相关催化反应机理的理论模拟;已发表SCI收录论文270余篇,部分论文发表在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.、Green Chem.、ChemSusChem、Chem. Eur. J.、Appl. Catal. B.等杂志,论文引用约4000次;已获得国家发明专利30余项,10余次获得省部级以上教学科研奖励及荣誉。


http://www.x-mol.com/university/faculty/12775


James Clark,现任英国约克大学化学系教授;1998年起担任国际绿色化学网络中心(Global Green Chemistry Network)主席,2006年起担任英国约克大学绿色化学卓越中心实验室主任,是世界一流杂志Green Chemistry(影响因子9.125)的创刊主编、英国皇家化学会绿色化学系列丛书的总编辑;获得该领域多个奖项,如2011年英国皇家化学会环境奖、2011年科学论文索引化学工业奖、2012年美国化学会-环境改善委员会化学教育可持续合作奖等。Clark教授目前共发表论文450余篇,专利授权25项,编写或编辑书籍20余本,是绿色化学及其应用的国际知名专家。他带领的研究小组超过90人,其在研经费超过1000万欧元,且同时与多家公司具有合作关系;主要从事绿色可持续发展化学,尤其是废弃物转化为产品的研究;目前主要研究项目包括生物质基溶剂的研究及其应用、生物质基聚合物的合成、微波辅助转化生物质、食物废料的利用、生物质基产物的标准以及绿色制药等。


http://www.x-mol.com/university/faculty/44974


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