本研究由东京大学农业与生命科学研究科生物材料科学系木材化学实验室的Zhiguo Wang、Tomoya Yokoyama和Yuji Matsumoto共同完成，于2010年发表在《Journal of Wood Chemistry and Technology》第30卷第3期（第219-229页）。该研究首次成功实现了未经衍生化处理且具有高木质素含量（最高约10.5%）的化学纸浆在氯化锂/二甲基亚砜（lithium chloride/dimethyl sulfoxide，LiCl/DMSO）溶剂体系中的完全溶解，且整个过程无需对样品进行研磨预处理。
木材作为一种重要的可再生天然复合材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。在木材化学和制浆化学领域，评价这些高分子聚合物之间的相互作用一直是一个核心课题。阐明这些聚合物之间在天然木材及相应纸浆中是否存在化学键至关重要，因为脱木质素后期阶段遇到的困难通常被归因于木质素与碳水化合物之间的化学键。尽管已有大量间接观察性研究探讨了这些相互作用，但至今尚未明确这些相互作用究竟是源于化学连接还是物理吸附。检验这些相互作用的一种有前景的方法是通过纸浆溶解来实现，然而，在此之前尚无可用于溶解具有较高木质素含量的未经衍生化纸浆的溶剂体系。
过去几十年中，许多溶剂体系被报道能够溶解化学纸浆的主要成分——纤维素。例如，氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺（lithium chloride/N,N-dimethylacetamide，LiCl/DMAc）被提出作为纤维素的良好溶剂体系，但在应用于纸浆溶解时存在诸多问题：针叶木漂白硫酸盐浆溶解不完全，且通过加热促进溶解会导致纤维素发生不利降解。氯化锂/1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（LiCl/DMI）是另一种已知的纤维素溶剂体系，但即使对于木质素含量约2%的针叶木硫酸盐浆，也需要两周以上才能完全溶解。此外，虽然Berthold等人报道了未漂白针叶木硫酸盐浆经异氰酸乙酯衍生化后可溶解于8% LiCl/DMAc，但此类方法需要对纸浆进行衍生化处理。因此，开发一种能够溶解高木质素含量纸浆且无需衍生化的溶剂体系，不仅对于检验纸浆组分之间的相互作用具有重要意义，而且对于将此类纸浆作为新型纤维材料来源加以利用也至关重要。
Wang等人在前期研究中发现，LiCl/DMSO可以溶解经行星式球磨机精细研磨2小时的木粉，但研磨过程会使木粉的纤维素结晶度急剧下降。因此，迫切需要开发一种替代研磨或再生处理的预处理方法，以溶解高结晶度纤维素或纸浆，从而实现对包括纤维素在内的完整植物细胞壁组分的分析。
当纤维素经乙二胺（ethylenediamine，EDA）处理后，会形成“纤维素-EDA复合物”。Loeb等人、Lee等人以及Wada等人已对该复合物的结构和特性进行了深入研究。Gagnaire等人报道经75% EDA处理的细菌纤维素可溶于N-甲基吗啉-N-氧化物/DMSO（NMMO/DMSO），但未涉及含木质素纸浆的溶解。另有研究发现，EDA预处理后的全纤维素经DMI溶剂交换后，在LiCl/DMI中的溶解度得到改善，同时保持了原有的晶体结构（尽管结晶度有所降低）。本研究旨在将LiCl/DMSO溶剂体系应用于经EDA预处理的高木质素含量纸浆的溶解，并探究预处理和溶解过程中的行为变化。
研究采用了多种具有不同卡伯值的未漂白和漂白硫酸盐浆作为纸浆样品。阔叶木未漂白硫酸盐浆（hardwood unbleached kraft pulps，HUKP）由泡桐木片制备，通过不同的蒸煮条件获得了具有不同木质素含量的纸浆。纸浆的木质素含量通过卡伯值法（TAPPI测试方法T 236 om-99）测定，所得卡伯值乘以0.15换算为木质素含量。阔叶木漂白（脱木质素）硫酸盐浆（HBKP）样品通过向含有HUKPp3的水中加入亚氯酸钠和乙酸，在75°C水浴中处理1小时，并重复添加试剂三次而制备。针叶木未漂白和漂白硫酸盐浆（SUKP和SBKP）由王子制纸工业株式会社提供。此外，还制备了阔叶木（山毛榉）粗木粉样品，通过Wiley研磨并使用40-80目筛分部分作为溶解实验样品。
将各种纸浆样品（0.5克）浸泡于30毫升EDA中，在室温下搅拌1天。处理后的纸浆经冷冻干燥，所得样品称为“纸浆-EDA复合物”（pulp–EDA complex）。纸浆-EDA复合物中的EDA含量通过重量增加量进行重量法定量测定。
将纸浆-EDA复合物（20毫克）悬浮于2毫升8% LiCl/DMSO溶液中，室温搅拌24小时，随后加热至75°C并在此温度下继续搅拌1小时，获得透明溶液。此外，为考察LiCl浓度对溶解度的影响，还分别使用了2%、4%和6%等不同浓度的LiCl/DMSO溶液，在相同条件下对来自HUKPp1的纸浆-EDA复合物进行溶解实验。
对原始纸浆和纸浆-EDA复合物样品，使用红外测量用圆盘装置将其转化为片状样品，采用反射法在Rigaku RINT 2000衍射仪上进行X射线衍射分析，衍射角2θ范围为4°至30°，使用Ni过滤的Cu Kα辐射（λ = 0.15418 nm），操作条件为40 kV和40 mA。
将HUKPp1-EDA复合物溶解于8% LiCl/DMSO-d6中，浓度为2%。使用JEOL Alpha 500波谱仪进行13C-NMR分析。
将各纸浆-EDA复合物的LiCl/DMSO溶液（基于纸浆重量浓度为0.2%）注入1厘米宽比色皿中，在400至700 nm范围内使用紫外-可见分光光度计测量透过率，以8% LiCl/DMSO作为参比样品。同时，测定纸浆-EDA复合物溶液在280 nm处的紫外吸光度。
研究发现，各种纸浆经EDA浸泡搅拌1天并冷冻干燥后，EDA并未被完全去除，所得纸浆-EDA复合物中含有约20%的EDA，这与Loeb等人的研究结果一致。X射线衍射图谱分析表明，HUKPp1经EDA处理后，纤维素晶体结构发生了变化，但纸浆-EDA复合物的结晶度似乎仍与原始纸浆HUKPp1保持同样高的水平。这一发现具有重要意义，表明EDA预处理不会导致纤维素结晶度的显著损失，而在研磨预处理中结晶度的急剧下降是不可避免的。
实验结果显示，除HUKPp6的纸浆-EDA复合物外，表1中所列的所有纸浆-EDA复合物均能在前述条件下完全溶解，获得透明溶液。值得特别关注的是，即使是木质素含量高达10.5%的HUKPp5所制备的纸浆-EDA复合物，也能在该溶剂体系中完全溶解。考虑到前述X射线衍射结果所揭示的纸浆-EDA复合物结晶度维持在与原始纸浆相当的水平，LiCl/DMSO溶剂体系对于溶解EDA预处理后的高木质素含量纸浆表现出极为优异的效能。
此外，其他纤维素材料也可通过该溶剂体系溶解。研究发现，经EDA处理的微晶纤维素、棉花、纤维素I、纤维素II、纤维素III以及全纤维素的纤维素-EDA复合物均能完全溶解于LiCl/DMSO体系。尤为引人注目的是，对于粗木粉（40-80目）样品，通过重复EDA预处理和LiCl/DMSO溶解两次后，约70%的样品能够被溶解——第一次溶解后残留约60%，对残留物再次进行EDA处理和溶解后，最终仅剩约30%的原始木材重量作为残留物。相比之下，未经过EDA处理的木粉或纸浆除非经过精细研磨，否则无法溶于LiCl/DMSO。而对于木质素含量极高的纸浆如HUKPp6（木质素含量约14.6%），单次EDA处理无法实现完全溶解，仅能获得低透明度的悬浮液。这些结果表明，木质素含量和EDA复合物的形成对于在LiCl/DMSO中的溶解均至关重要。此外，对LiCl浓度的考察发现，当LiCl浓度低于6%时，体系无法溶解HUKPp1-EDA复合物。
此前Yanagisawa等人的研究显示，聚合度（degree of polymerization，DP）为200-300的微晶纤维素溶解于8% LiCl/DMAc或8% LiCl/DMI时，其13C-NMR谱图中未观察到清晰信号，因此他们不得不使用DP为15的纤维素来获得清晰的NMR谱图。而在本研究中，HUKPp1-EDA复合物溶解于8% LiCl/DMSO-d6后的13C-NMR谱图表现出良好的分辨率，在约101 ppm（C-1）、80 ppm（C-4）、74-75 ppm（C-5，C-3）、73 ppm（C-2）和60 ppm（C-6）处显示了清晰的信号。EDA的峰出现在约44 ppm处。由于HUKPp1中木质素含量仅约1.8%，未观察到清晰的木质素峰。这一结果具有重要意义，表明即使纸浆中纤维素的DP非常高，在该溶剂体系中仍可获得分辨率良好的NMR谱图，为纸浆的结构分析提供了有力工具。
在0.2%浓度下对纸浆-EDA复合物溶液的可见光透过率进行测定发现，当纸浆-EDA复合物可溶时，溶液在可见光区域的透过率相对较高。HBKPp0和SBKPm0溶液的透过率在可见光区分别超过92.4%和93%。而溶解不完全的溶液在整个波长范围内的透过率均相当低。所有溶液在短波长区域的透过率均相对较低，且原始纸浆的木质素含量越高，溶液透过率越低。已知在制浆反应过程中，木质素中会引入醌型结构等新结构，这些结构以及木质素与金属的络合会强烈影响纸浆的颜色，即使天然木质素本身并不吸收可见光。因此，观察到的透过率变化现象可归因于纸浆中木质素的存在。
对含有一定量木质素的HUKP-EDA复合物溶液在280 nm处的紫外吸光度进行分析，获得了意想不到的结果。研究发现，溶液在280 nm处的紫外吸光度与相应HUKP的卡伯值（即木质素含量）之间存在显著的线性相关性。这一相关性之所以出乎意料，是因为残留木质素的结构会因脱木质素阶段的不同而存在差异，所以不同木质素含量的纸浆中木质素的吸收系数理应有所不同。此外，卡伯值法不仅检测木质素，还检测其他共轭结构（包括非木质素化合物如己烯糖醛酸，其在280 nm处并无最大吸收）。尽管如此，纸浆溶液在280 nm处的吸光度仍与相应纸浆的卡伯值表现出极好的相关性。研究者指出，尽管目前还无法解释这一结果，但它为理解消耗高锰酸盐的物质（即卡伯值所代表的物质）的结构提供了重要信息。
本研究成功建立了一种优异的溶剂体系——氯化锂/二甲基亚砜（LiCl/DMSO），用于在乙二胺（EDA）预处理后溶解木质纤维素材料。这是首次报道将未经衍生化处理的高木质素含量纸浆在任何溶剂体系中成功溶解，具有重要的科学价值和应用前景。
从科学价值而言，该溶剂体系为研究纸浆组分之间的相互作用——特别是检验木质素与碳水化合物之间是否存在化学键——开辟了新的分析途径。通过获得透明的纸浆溶液，研究者得以利用NMR等分析技术对纸浆中纤维素及其他组分的结构进行深入表征，且由于无需研磨预处理，避免了研磨过程中细胞壁组分的降解，从而能够更真实地反映纸浆的原始化学结构。这对阐明天然木材及纸浆中聚合物之间相互作用的本质具有重要的基础研究意义。
从应用价值而言，高木质素含量纸浆的成功溶解使其有望作为新型纤维材料来源加以利用，拓展了纸浆的应用领域。此外，该溶剂体系操作简便，溶解条件温和（室温搅拌结合75°C加热），且能够在保持纤维素高聚合度的同时获得良好的NMR分辨率，为纤维素和纸浆的分析表征提供了实用工具。
本研究的亮点主要体现在以下方面：第一，首次成功实现了未经衍生化高木质素含量纸浆（最高达10.5%）在有机溶剂体系中的完全溶解，填补了相关领域的技术空白；第二，预处理方法新颖有效，通过EDA预处理形成纸浆-EDA复合物而无需研磨，既保护了细胞壁组分的结构完整性，又保持了纤维素的高结晶度；第三，发现纸浆溶液在280 nm处的紫外吸光度与卡伯值之间的显著线性相关性，这一非预期的发现为理解卡伯值的化学本质提供了线索；第四，即使在纤维素聚合度很高的情况下，仍能获得分辨率良好的NMR谱图，克服了以往溶剂体系在高聚合度纤维素NMR分析方面的局限性。