本研究由南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室的张浩楠、赵辉、杨艳、任浩和翟华敏共同完成。该研究成果于2022年发表在《Green Chemistry》期刊上。

本研究的学术背景源于木质纤维素生物质中木质素定量分析所面临的挑战。木质素作为木质纤维素生物质细胞壁的主要组成部分，是自然界中储量仅次于纤维素和甲壳素的第三大天然有机物。木质素的准确定量对于生物质的评估、转化和利用至关重要。然而，目前广泛使用的克拉森法（Klason method）等传统定量方法存在诸多弊端，例如需要使用危险试剂（如72%的浓硫酸）、操作步骤繁琐费时、需要加热、可能因碳水化合物不完全水解和生成糠醛及胡敏素而高估木质素含量，并且灵敏度较低。其他物理或化学方法，如紫外光谱法（UV spectroscopy）、乙酰溴法（AcBr method）等，虽然各有优点，但也普遍存在需要对原料进行复杂化学预处理、破坏木质素结构或引入干扰物质等问题。因此，开发一种绿色、高效、准确且不需要复杂预处理的木质素定量新方法具有重要的科学价值和应用前景。基于此，研究团队探索了一种基于氯化锂/二甲基亚砜（LiCl/DMSO）溶剂体系完全溶解生物质并结合紫外分光光度法进行木质素定量的新策略。

该研究的详细工作流程涉及多个步骤。首先是制备了一系列具有不同木质素含量的木质纤维素生物质样品。研究选用了五种不同种类的代表性生物质：草本植物（小麦秸秆）、硬木（黑杨）、软木（红木）以及树皮（桉树皮和红木树皮）。为了扩展方法的适用范围并验证其灵敏度，研究者对这些原料采用了不同的化学脱木素方法，如NaOH法（AP）、NaOH-AQ法（AP-AQ）、硫酸盐法（KP）、碱性亚硫酸盐法（ASP）和甲酸/乙酸法（Formacell），并通过调整工艺条件或进一步进行氧脱木素处理，获得了一系列木质素含量从极低到原始水平的样品。所有样品的精确木质素含量都严格依据TAPPI标准方法进行测定，作为对照基准。其次，核心工作是样品的溶解。为了提升溶解性，所有样品都首先在行星式微型球磨机中以600转/分钟的转速进行短时间球磨（3小时）预处理。研究发现，对于未经化学处理的原始生物质，球磨3小时后的样品可以在室温（25°C）和常压下完全溶解于质量分数为8%的LiCl/DMSO溶剂体系中。而对于经过化学脱木素处理、木质素含量较低的样品，其溶解能力有所下降，室温下溶解后溶液浑浊，需要将混合液加热至60°C并搅拌2小时才能获得完全溶解的澄清透明溶液。研究者通过目视比浊法和浊度计测量对溶解效果进行了双重评估。再次，验证溶解过程对木质素结构的影响至关重要。研究团队采用全细胞壁二维核磁共振（2D-NMR）技术对球磨后的小麦秸秆原样和经过LiCl/DMSO溶解-再生过程的小麦秸秆样品进行了结构对比分析。通过分析木质素的侧链区（如β-O-4、β-β、β-5键）和芳香环区的信号及其定量计算结果，发现溶解过程并未显著破坏木质素单元间的连接键，G、S、H型木质素单元及阿魏酸（ferulate）、对香豆酸（p-coumarate）等重要结构均得到良好保留。这证实了该温和溶解方法不会引入影响紫外定量的结构变化。然后，是紫外光谱特性和定量分析方法的建立。将各种生物质样品的LiCl/DMSO完全溶解液（CDS）适当稀释后，在200-800纳米波长范围内进行紫外可见光谱（UV-vis spectra）扫描。研究发现，尽管不同种类的生物质以及经过不同物理和化学处理的同种生物质，其在280纳米附近的特征吸收峰位置和强度有差异，但每种材料在特定波长处都具有稳定且不受处理方式显著影响的特征吸收。据此确定了各类生物质的紫外定量特征吸收波长，例如小麦秸秆为282纳米，黑杨为276纳米，红木为282纳米，桉树皮和红木树皮分别为278纳米和280纳米。

这项研究产生的主要结果证实了新方法的可行性、准确性和优越性。关键数据显示，对于同种生物质的一系列样品，其溶液在特征吸收波长处的吸光度与木质素浓度之间存在着极好的单变量线性正比关系，拟合优度（R²）均接近0.99，严格遵循朗伯-比尔定律（Lambert-Beer law）。即使将所有经过不同化学脱木素处理的小麦秸秆样品的数据进行综合拟合，吸光度与浓度的关系仍然呈现出高度一致的线性趋势（R²=0.9342）。值得注意的是，即便是经过氧脱木素处理、木质素紫外特征吸收峰已经变得不明显的极低木质素含量样品（最低为0.6%），其吸光度与浓度依然保持良好的线性关系，没有发生偏离，证明该方法对微量木质素的检测具有高灵敏度。此外，溶液稳定性实验表明，LiCl/DMSO完全溶解液在密封放置12小时、36小时甚至一周后，其紫外吸收光谱和吸光度值均无显著变化，说明该体系具有足够的光谱稳定性以满足准确定量分析的要求。在方法验证中，以小麦秸秆为对象，将该新方法（LiCl/DMSO CDS-UV法）的测定结果与TAPPI标准方法的结果进行了比较，六次平行测定结果显示，新方法不仅具有良好的平行性，其平均值（25.6%）与标准方法平均值（25.1%）之间具有良好的一致性。

基于以上结果，本研究得出了一项重要的结论，即成功开发了一种新型的绿色木质素定量方法——LiCl/DMSO完全溶解-紫外分光光度法（LiCl/DMSO CDS-UV method）。该方法的科学价值在于，它克服了传统方法破坏木质素结构、操作危险且繁琐等根本性问题，通过一种仅破坏氢键等次价键的温和物理化学过程实现生物质的完全溶解，从而能够在几乎不改变木质素天然结构的状态下对其进行直接定量，为木质素化学和木质纤维素生物质研究提供了一种更为精准的分析工具。其显著的应用价值体现在：第一，方法极为简便、快速、安全，全程无需使用72%硫酸、乙酰溴等危险化学试剂，不产生干扰物质，是一种环境友好的方法；第二，检测灵敏度极高，仅需微量样品（0.1克）即可实现精确测定，尤其适用于珍贵样品或经高程度脱木素处理的样品（如漂白化学浆）的分析；第三，适用范围广，研究表明该方法可适用于包括草本、硬木、软木和树皮在内的多种不同物种的木质纤维素生物质，且定量结果不受样品中灰分、蛋白质等杂质的干扰。

该研究的亮点十分突出。首先，其创新性地利用LiCl/DMSO溶剂体系构建了一个无需分离木质素即可直接进行光谱定量的平台。其次，该方法流程的绿色化是其最大特色，完全符合绿色化学的原则。最后，该研究通过系统性地考察不同种类原料、不同球磨时间以及多种化学脱木素处理对溶解行为和光谱响应的影响，并利用2D-NMR技术对溶解过程的机理进行了深入验证，从而建立了一个数据详实、理论基础扎实且应用范围广泛的定量方法，其研究范式对于后续基于全溶体系的分析方法开发具有重要的借鉴意义。