研究人員發現木質素的價值

出處 Biomass magazine 作者 詹明峯 年份 2018/12/04
報告類型 能源新聞 分類 能源新聞 資料時間 2018年12月
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       一個理想的生物精煉工廠 (bio-refinery) 可以將可再生農作物(renewable crops)轉變成各種燃料和產品,而幾乎沒有造成浪費。實現這一願景的重大挑戰是如何處理木質素。木質素屬於一種纖維狀且較難分解的材料,存在於植物細胞壁中,並使植物結構具有堅固性。
木質素約佔植物組成的四分之一,是地球上可再生芳香烴(renewable aromatics)最豐富的來源。芳香烴屬於六碳環的材料,通常來自石油衍生物,是從塑膠到藥品各種產品的基本要素 (building block)。儘管木質素本身的能量密度很高,研究人員仍在努力尋找實現木質素價值的方法,一旦這種天然存在的物質可以被利用,將可以改變農業市場。
        目前,威斯康辛大學麥迪遜分校 (University of Wisconsin–Madison) 和Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC) 的科學家與生物能源創新中心(the Center of Bioenergy Innovation, CBI )的合作夥伴發表一份研究,最近發現的一種物質,稱為catechyl木質素(簡稱C-木質素),它具有的特性非常適合作為一系列生質化學品的起點,他們的研究成果發表於國際期刊 Science Advances。GLBRC研究員約翰-拉爾夫(John Ralph)、美國威斯康辛大學麥迪遜分校生物化學和生物系統工程領域教授,與CBI研究員理查德-迪克森(Richard Dixon)、北德克薩斯大學 (N. Texas Univ.) 生物化學和分子生物學領域傑出研究教授,共同合作研究C-木質素的主要特徵,他們在辦公室仙人掌 (office cactus) 種子中發現了這種物質。拉爾夫實驗室揭示了該物質具有線性 (linear) 和均勻相 (homogeneous) 的性質,對於木質素而言屬於罕見特徵。
        在拉爾夫實驗室內,威斯康辛大學麥迪遜分校生物系統工程研究生 彥丁-李 (Yanding Li) 透過更進一步的檢測,確定在香草種子塗層中發現的C-木質素,能夠代表生質能源精煉工廠的理想木質素。這兩個研究團隊發現該物質僅由一種類型的單體或木質素分子所組成,並且每種單體以相同的方式保持在一起。李和拉爾夫認為它可以被精煉成單一平台分子或一小部分分子陣列,可以構建各種產品。李還發現了一種特別有利的特性:C-木質素在經過化學前處理時,不會損失其結構。
木質素通常含有多種類型的單體,加工時會發生畸形;對於學術研究人員及其工業界同行來說,這是一個難以解決的難題。例如,造紙廠經常將其作為燃料燃燒,而不是嘗試將木質素轉化為商業生質化學品。李從樣品分析結果發現,該樣品僅由C-木質素組成,因為其均勻性允許加工過程更容易。李表示:「生質燃料精煉廠喜歡使用純化合物,而不是由數種化合物混合。我們的產品越不複雜,它的價值就越大」。由於C-木質素單體藉由單一鍵結,即醚鍵 (ether linkage),結合在一起,因此可以透過適合的化學處理方法將它們乾淨地切割成各個單元。 然後依據預期產物標的,以不同的方式轉換這些基本要素。
拉爾夫表示:「這種木質素的規則性和線性特徵,搭配相對簡單的化學解聚方法,使得這簡單單體的產率提昇相當簡單」。當植物被精煉成生質燃料和生質化學品時,木質素首先被剝離,剩下的糖轉化為可銷售的材料。這前處理通常造成木質素成為一團混亂的混合物。然而,C-木質素的結構即使在最嚴峻的前處理方法中也能存活,並且不會扭曲。李表示:「即使最弱的酸或鹼處理也會破壞其他木質素,但每次檢查反應後的C-木質素時,它幾乎都完好無損。創造一個高產量的高品質單體,將可以作為一個常用的平台化學品」。
        拉爾夫和李將C-木質素置於氫解反應 (hydrogenlysis)環境下,這個方法由化學先鋒荷馬·阿德金斯 (Homer Adkins) 於1938年在威斯康辛大學麥迪遜分校開發,用於分解木質素的技術。他們二人懷疑氫解反應將是能夠切割C-木質素單體間醚鍵的要素。在這樣情況下,該方法產生的對型單體,產率約為90%,選擇合適的催化劑可以將其進一步縮小到單一的單體。拉爾夫團隊和CBI合作夥伴,正在解析適合C-木質素大量生產的基因密碼 (genetic code),努力將這些木質素插入到可以大規模種植的生質能源作物中。該團隊目前擁有一個重要的藍圖,將目標放在大部分被鏟入焚燒爐的植物。拉爾夫表示:「更重要的是實現一種新的模式,一種新的木質素型態,以及一種關於完美木質素用於生物精煉工廠的新思維方式」。