Influence Mechanism of Carboxylic Acid Hydrogen Bond Donors on 2-Methylimidazole-Based Deep Eutectic Solvent Pretreatment of Glycyrrhiza Residue

Resumen Técnico: Mecanismo de Influencia de los Donadores de Enlaces de Hidrógeno de Ácido Carboxílico en el Pretratamiento de Residuos de Glycyrrhiza Basado en Solventes Eutécticos Profundos

Planteamiento del Problema
La biomasa lignocelulósica, como el residuo de Glycyrrhiza (GR), posee una estructura altamente recalcitrante debido al intrincado entrecruzamiento de celulosa, hemicelulosa y lignina mediante enlaces éster, éter e hidrógeno. Esta estructura limita severamente la accesibilidad enzimática, obstaculizando la conversión eficiente de la biomasa. Si bien los Solventes Eutécticos Profundos (DES, por sus siglas en inglés) han surgido como solventes verdes prometedores para el pretratamiento de la biomasa debido a su capacidad de sintonización y biocompatibilidad, la comprensión sistemática de cómo la estructura molecular de los Donadores de Enlaces de Hidrógeno (HBD) influye en el rendimiento y la selectividad de los DES sigue siendo esquiva. Específicamente, se requiere una investigación más profunda sobre los mecanismos por los cuales los grupos funcionales (p. ej., metilo, hidroxilo), la longitud de la cadena de carbono y el número de grupos carboxilo afectan la eliminación de la lignina y la preservación de los carbohidratos en el pretratamiento de GR.

Metodología
El estudio empleó un enfoque sistemático para evaluar la influencia de la estructura del HBD en la eficiencia del pretratamiento con DES:

• Síntesis de DES: Se utilizaron diez ácidos carboxílicos diferentes (ácidos fórmico, acético, propiónico, glicólico, láctico, malónico, oxálico, málico, benzoico y p-tolúico) como HBD para construir DES con 2-metilimidazol (MI) como Aceptor de Enlaces de Hidrógeno (HBA). La síntesis se llevó a cabo en proporciones molares de 0.5:1, 1:1 y 2:1 (HBD:HBA) a 80 °C.
• Pretratamiento: El GR fue pretratado con los DES sintetizados a 80 °C durante 1 hora. La recuperación de sólidos, la recuperación de glucano y la eliminación de lignina se cuantificaron utilizando los procedimientos estándar de NREL.
• Caracterización Microscópica: Se determinaron los parámetros solvatocrómicos de Kamlet-Taft (K-T) ($\alpha$, $\beta$, $\pi^*$) para cuantificar las propiedades microscópicas del solvente (acidez de enlace de hidrógeno, basicidad y dipolaridad/polarizabilidad).
• Análisis Estructural: Los cambios estructurales tanto en el residuo sólido pretratado como en la lignina recuperada se analizaron mediante Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FT-IR), Difracción de Rayos X (XRD), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Resonancia Nuclear 2D (2D-NMR HSQC).
• Evaluación de la Bioconversión: Se realizaron ensayos de hidrólisis enzimática para evaluar la accesibilidad de la celulosa a las celulasas tras el pretratamiento.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio identificó que las características estructurales del HBD determinan críticamente la selectividad y la eficiencia del pretratamiento con DES:

1. Rendimiento Óptimo: El DES compuesto por Ácido Láctico (LA) y MI en una proporción molar de 2:1 (LA-DES) demostró el mayor rendimiento, logrando una eliminación de lignina del 61.59% mientras mantenía una recuperación de glucano del 90.89%.
2. Influencia Estructural de los HBDs:
   • Grupos Hidroxilo: La introducción de un grupo hidroxilo (como en el LA y el Ácido Glicólico) mejoró significativamente la eficiencia de la delignificación. El grupo hidroxilo actúa como un sitio adicional de enlace de hidrógeno y aumenta la acidez mediante el efecto inductivo, facilitando la ruptura de los complejos lignina-carbohidrato.
   • Grupos Metilo: Para los ácidos alifáticos, los grupos metilo (p. ej., Acético vs. Fórmico) redujeron la acidez, protegiendo así la celulosa de la hidrólisis ácida. Para los ácidos aromáticos, los grupos metilo (p. ej., p-Toluico vs. Benzoico) introdujeron impedimento estérico que redujo la eficiencia de penetración y la delignificación.
   • Longitud de la Cadena de Carbono: Las longitudes de cadena media (C2, p. ej., Ácido Acético) ofrecieron el mejor equilibrio entre hidrofobicidad (para la interacción con la lignina) y polaridad (para la penetración en la biomasa). Las cadenas más largas redujeron la eficiencia de penetración.
   • Grupos Carboxilo: Los ácidos dicarboxílicos generalmente aumentaron la acidez y la eliminación de lignina, pero a menudo a expensas de la retención de carbohidratos debido a la hidrólisis no selectiva.
3. Correlación de Parámetros Kamlet-Taft: El estudio estableció que la acidez neta de enlace de hidrógeno ($\alpha - \beta$) es un indicador predictivo clave para la selectividad del pretratamiento. Los DES con valores bajos de $\alpha - \beta$ (p. ej., LA-DES de 0.038, Ácido Acético-DES de 0.041) lograron una separación altamente selectiva. Estos sistemas poseen una capacidad de enlace de hidrógeno equilibrada donde el componente HBA ($\beta$) protege la celulosa al formar una capa estabilizadora, mientras que el componente HBD ($\alpha$) interrumpe selectivamente las estructuras de la lignina.
4. Transformaciones Estructurales:
   • Residuo Sólido: El pretratamiento con LA-DES aumentó la cristalinidad de la celulosa (de 48.41% a 55.62%) e indujo una transformación parcial de Celulosa I a Celulosa II. El análisis SEM reveló una morfología superficial suelta y porosa, lo que se correlacionó con un aumento significativo en el rendimiento de la hidrólisis enzimática (de 42.38% a 80.80%).
   • Lignina Recuperada: El pretratamiento indujo cambios estructurales específicos en la lignina recuperada. Eliminó preferentemente las unidades de Siringilo (S), dejando una lignina enriquecida en unidades de Guaiacilo (G). Además, los enlaces éter $\beta-O-4$, que son lábiles, se convirtieron parcialmente en enlaces $\beta-\beta$ (resinol) más estables, lo que indica un proceso de recondensación.

Significado
Esta investigación proporciona una base teórica para el diseño racional de DES altamente selectivos para el pretratamiento de biomasa. Al elucidar la relación estructura-actividad entre las características moleculares del HBD y los resultados macroscópicos del pretratamiento, el estudio demuestra que optimizar la acidez neta de enlace de hidrógeno ($\alpha - \beta$) es crucial para lograr una delignificación eficiente sin comprometer la integridad de los carbohidratos. Además, la caracterización detallada de la lignina recuperada destaca las transformaciones moleculares específicas (eliminación de unidades S y conversión de $\beta-O-4$ a $\beta-\beta$) que ocurren durante el proceso, ofreciendo conocimientos esenciales para la posterior valorización de la lignina. Los hallazgos ofrecen orientación práctica para el desarrollo de tecnologías de pretratamiento verdes y eficientes para el residuo de Glycyrrhiza y materias primas lignocelulósicas similares.