隨著石化資源的日益減少和環(huán)境問題不斷惡化，生物質(zhì)因其可再生性、二氧化碳零排放等良好環(huán)境效應(yīng)成為全球關(guān)注的焦點。纖維素作為非糧食作物，廣泛存在于農(nóng)林廢棄物(如玉米秸稈、甘蔗渣以及廢棄木屑等)，是地球上最豐富的生物質(zhì)資源，每年產(chǎn)量超過1000億噸。將纖維素通過化學(xué)或者生物法水解制備葡萄糖，進(jìn)而生產(chǎn)乙醇、糠醛、乙酰丙酸等燃料或者化學(xué)品，從而改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，為人類提供綠色能源與化學(xué)品成為了可能。

　　纖維素是由葡萄糖分子以β-1,4-糖苷鍵連接而成的直鏈大分子，分子鏈內(nèi)、鏈間形成大量氫鍵，使得纖維素性質(zhì)很穩(wěn)定，不熔融并且不溶于普通溶劑。因此，纖維素的水解往往需要高溫高壓的苛刻條件，纖維素水解的同時造成了水解產(chǎn)物葡萄糖的分解，從而造成了葡萄糖的產(chǎn)率低，選擇性差。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊在朱錦研究員和那海寧副研究員的帶領(lǐng)下，運用“去除結(jié)晶-平穩(wěn)水解的兩步法”技術(shù)成功實現(xiàn)了纖維素在溫和條件下的高效、高轉(zhuǎn)化率水解變?yōu)槠咸烟?見圖1)。結(jié)果表明，通過有效控制打破纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)兩步法水解得到葡萄糖的產(chǎn)率是一步法的4倍。并且通過引入微波輻射，進(jìn)一步降低水解條件，160℃下水解5 min即可得到73.3 %葡萄糖，并且全部還原糖中葡萄糖占95.8 %。相關(guān)研究結(jié)果在國際期刊Biresource Technology 發(fā)表研究論文兩篇(Bioresour. Technol. 2013, 137, 106-110. & 2014, 167, 69-73. )。該項技術(shù)先后申請國家發(fā)明專利2項(申請?zhí)枺?01210163175.5, 201310300731.3)，并已獲其中授權(quán)1項。

　　在兩步法水解技術(shù)中，纖維素水解反應(yīng)活性的提高受控于纖維素結(jié)晶度的降低和聚合度的下降。研究團(tuán)隊通過調(diào)控水解條件得到相同聚合度而結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同的再生纖維素RC11-13（見圖2a），利用溫和水解條件下多次循環(huán)水解實驗，詳細(xì)探索了再生纖維素在微波條件下的水解響應(yīng)行為。如圖2所示，再生纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的調(diào)控明顯提升了纖維素的水解響應(yīng)活性，提高起始纖維素的水解速率，最終明顯促進(jìn)了纖維素水解為葡萄糖的效率及產(chǎn)率的提升。 

　　上述研究工作依托研究所“一三五”項目，并得到了國家自然科學(xué)基金(21274160，21304104)的支持。 

圖1：兩步法纖維素水解變糖的過程設(shè)計 

　　圖2：再生纖維素水解轉(zhuǎn)化率實效與糖產(chǎn)率 （水解條件：130℃，微波功率800W，反應(yīng)時間5min，雜多酸催化劑。再生纖維素（RC11-13，RC4）聚合度大�。篟C11=RC12=RC13>RC4；結(jié)晶度大�。篟C11<RC12<RC13<RC14）