王霞，吳玉娥，顏潔，陳仕學(xué)

（銅仁學(xué)院生物與化學(xué)工程系&應(yīng)用化學(xué)研究所，貴州 銅仁 554300）

纖維素是地球上最豐富的多糖。據(jù)科學(xué)組織測(cè)算，全世界秸桿或木質(zhì)纖維類生物質(zhì)能約相當(dāng)于640億噸石油[1]，是目前世界上唯一可預(yù)測(cè)的為人類持續(xù)提供能源的資源[2-3]。利用纖維素水解產(chǎn)物經(jīng)發(fā)酵途徑轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇[4-6]為纖維素資源化利用提供了很好的途徑。

纖維素是β-D-葡萄糖單元通過(guò)β-1,4糖苷鍵連接而成的長(zhǎng)鏈分子，長(zhǎng)鏈分子進(jìn)一步形成具有高度結(jié)晶區(qū)的高分子聚合物，這種聚合物具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得纖維素很難水解。目前纖維素水解主要有酸水解和酶水解兩種途徑[7-9]。Demirbas[10]研究發(fā)現(xiàn)，酶水解條件溫和、糖轉(zhuǎn)換率高、無(wú)腐蝕、無(wú)污染。但酶的高成本、長(zhǎng)水解周期及較慢的反應(yīng)速率等問(wèn)題的存在使其尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。酸水解可分為無(wú)機(jī)酸水解和有機(jī)酸水解。無(wú)機(jī)酸水解又可分為濃酸水解和稀酸水解，Balat[11]及Hamelinck[12]等的研究發(fā)現(xiàn)，濃酸可將結(jié)晶纖維溶解，約有90%的纖維素水解成糖并被回收，且反應(yīng)相對(duì)迅速，極少降解；但濃酸的腐蝕性極高，對(duì)設(shè)備的要求也較高，分離和回收的難度也較大。安宏[13]通過(guò)纖維素稀酸水解制取酒精燃料中發(fā)現(xiàn)，稀酸[14]可以將無(wú)定形纖維素溶解，原料處理時(shí)間也較短，但是水解生成的糖會(huì)進(jìn)一步發(fā)生降解，產(chǎn)生大量副產(chǎn)物[15]。目前，已有人對(duì)乙酸和丙酸等[16-17]有機(jī)酸為催化劑水解纖維素，其水解的處理過(guò)程和無(wú)機(jī)酸一樣，但是由于有機(jī)酸對(duì)還原糖降解速率低于無(wú)機(jī)酸，因此，可獲得較高的還原糖產(chǎn)率。本文采用檸檬酸作為催化劑對(duì)稻草纖維素進(jìn)行水解，探討檸檬酸濃度對(duì)纖維素水解的影響。

另外，由于超聲輻照波的分子諧振效應(yīng)能夠以較低的能量破壞稻草纖維素結(jié)晶構(gòu)造，增大纖維素的可及度；微波加熱作為一種內(nèi)加熱法，能在極短的時(shí)間內(nèi)迅速加熱反應(yīng)底物，從而使一些在常規(guī)條件下不能被活化而無(wú)法進(jìn)行或難以進(jìn)行的反應(yīng)得以發(fā)生。本文將上述兩種輔助方法相結(jié)合，先利用超聲波的分子諧振效應(yīng)將纖維素的結(jié)晶區(qū)破壞掉，再在微波加熱的條件下以較短的時(shí)間將纖維素進(jìn)行水解，從而提高纖維素的水解效率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)室自制稻草纖維素（纖維素 71.952%，酸不溶木質(zhì)素 0.598%，酸溶木質(zhì)素 2.605%，灰分3.075%）；檸檬酸（A.R.），成都金山化學(xué)試劑有限公司；3,5-二硝基水楊酸（A.R.），上海強(qiáng)順化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉（A.R.），天津市石英鐘廠霸州市化工廠；丙三醇（A.R.），江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司；葡萄糖；蒸餾水（自制）。

KQ2200B型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；AL204型電子天平[梅特勒托利多儀器（上海）有限公司]；DHC-9053A型電熱恒溫鼓用干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；微波爐（美的MM823ES）；紅外分光光度計(jì)（E721型）。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 稻草纖維素的降解

稱取2 g稻草纖維素，按10∶1的液固比[18]溶于不同濃度的檸檬酸中，先后放置在微波和超聲波反應(yīng)器中，按設(shè)定的時(shí)間和功率進(jìn)行降解反應(yīng)，經(jīng)離心分離后得還原糖溶液，備用。

1.2.2 還原糖含量的測(cè)定

采用文獻(xiàn)[19]給出的DNS法測(cè)定還原糖含量，首先繪制葡萄糖含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，再取適量制得的還原糖溶液，經(jīng)NaOH溶液中和至中性后，稀釋適當(dāng)倍數(shù)，進(jìn)行測(cè)定。還原糖收率（以葡萄糖計(jì)）按如下公式計(jì)算。

式中，0.9為矯正系數(shù)；C為溶液濃度，mg/mL；V為溶液體積，mL；m為水解纖維素的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 檸檬酸濃度對(duì)纖維素水解效果的影響

在保持微波500 W加熱20 min條件下，不同濃度檸檬酸對(duì)纖維素水解趨勢(shì)圖如圖1所示。隨著酸濃度的增大，纖維素的水解效果越來(lái)越好。但是，濃度過(guò)大對(duì)儀器要求高、分離的難度也隨之增大，且濃度從20%增大到25%水解效率提高幅度不大。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇20%的檸檬酸對(duì)稻草纖維素進(jìn)行水解。

2.1.2 微波加熱時(shí)間對(duì)纖維素水解效果的影響

在保持檸檬酸濃度20%、微波加熱功率為500 W的條件下，改變微波加熱時(shí)間，纖維素水解結(jié)果如圖2所示。還原糖產(chǎn)率隨微波加熱時(shí)間的增長(zhǎng)先升高后降低。分析其原因，可能是隨著加熱時(shí)間增長(zhǎng)，微波內(nèi)加熱方式對(duì)纖維素的水解起到了促進(jìn)作用，但隨著加熱時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量增多，反應(yīng)體系溫度逐漸升高，使得生成的糖被碳化，從而導(dǎo)致產(chǎn)率降低。所以，選擇微波加熱時(shí)間為30 min為最佳條件。

2.1.3 超聲波處理時(shí)間對(duì)纖維素水解效果的影響

圖1 檸檬酸濃度對(duì)產(chǎn)率的影響

圖2 微波加熱時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

圖3 超聲波處理時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

在保持檸檬酸濃度20%的條件下，改變超聲波處理時(shí)間，纖維素水解趨勢(shì)如圖3所示。隨著時(shí)間的增加，還原糖產(chǎn)率也逐漸增大。但是，當(dāng)用超聲波振蕩到一定時(shí)間時(shí)，還原糖產(chǎn)率開(kāi)始有下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的超聲波振蕩會(huì)使檸檬酸與已生成的還原糖發(fā)生反應(yīng)，生成醛酮等其他產(chǎn)物。從表1～表2中也可以看出，超聲波單獨(dú)處理還原糖產(chǎn)率并不理想，這是因?yàn)殡m然超聲波的輻照因子能破壞纖維素的晶形區(qū)，但常溫下的反應(yīng)不足以使纖維素徹底水解，因此需將微波加熱和超聲波處理結(jié)合起來(lái)，提高纖維素的水解效率。

2.2 纖維素水解最佳反應(yīng)條件的選擇

在單因素試驗(yàn)確定了各因素的水平項(xiàng)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)表 L9(34)，考察檸檬酸濃度、微波500 W加熱時(shí)間以及超聲波處理時(shí)間對(duì)還原糖產(chǎn)率的影響，反應(yīng)的因素和水平見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

經(jīng)表2極差分析可知，超聲波-微波輔助檸檬酸水解的最佳試驗(yàn)組合為A3B2C2，即：檸檬酸濃度為20%、微波500 W加熱30 min、超聲波處理90 min，此時(shí)稻草纖維轉(zhuǎn)化最高。由極差值R的大小可知，因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響顯著程度為A>C>B，與表3方差分析結(jié)果一致。由表3結(jié)果可知，檸檬酸濃度和微波加熱時(shí)間影響顯著，超聲波處理時(shí)間影響不顯著，誤差影響極不顯著，因此由誤差引起的指標(biāo)變化可以忽略不計(jì)。表4列出了兩兩因素間的交互作用結(jié)果，從表4可知，檸檬酸濃度為20%、微波500 W加熱30 min效果最佳，但超聲波處理時(shí)間與正交試驗(yàn)結(jié)果不一致。考慮超聲波處理時(shí)間對(duì)指標(biāo)的影響不顯著，又在A3B3C2條件下平行試驗(yàn)兩次，得到還原糖產(chǎn)率分別為 63.14%和63.86%，結(jié)合正交試驗(yàn)結(jié)果，最終確定超聲波-微波輔助檸檬酸水解的最佳水平組合為A3B2C2。

在A3B2C2組合下進(jìn)一步做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)3次，得到還原糖的產(chǎn)率分別為63.97%、64.51%、64.90%，平均值為64.46%，高于正交試驗(yàn)中的任何一次試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明該組合是最佳組合，且實(shí)驗(yàn)條件重現(xiàn)性較好。

表1 正交試驗(yàn)的因素水平表

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及極差分析結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

表4 兩兩因素間交互作用結(jié)果

2.3 反應(yīng)殘?jiān)募t外光譜分析

由圖4分析可知，經(jīng)過(guò)檸檬酸水解后的纖維素殘?jiān)窘Y(jié)構(gòu)與稻草纖維素相比并未發(fā)生大的改變，3429 cm?1、1438 cm?1、1167 cm?1、900 cm?1處的纖維素特征吸收峰[20]依然存在，1641 cm?1處C=C伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度增大，表明C=C在殘?jiān)械谋壤仙?，纖維素間醚鍵斷裂，從而使更多的C=C暴露出來(lái)，使得再次酸水解變得更加容易。

圖4 稻草纖維素及檸檬酸水解殘?jiān)募t外光譜

所以，經(jīng)檸檬酸水解后的殘?jiān)梢岳^續(xù)放入適當(dāng)?shù)乃嶂羞M(jìn)行后續(xù)反應(yīng)，以提高原料的利用率。

3 結(jié) 論

檸檬酸作為一種溫和的有機(jī)酸催化劑，在催化降解纖維素的同時(shí)對(duì)還原糖的水解速率低，可獲得較高的還原糖產(chǎn)率。以檸檬酸為催化劑，超聲波-微波輔助，使纖維素的水解程度大大提高，反應(yīng)時(shí)間大大縮短。經(jīng)正交試驗(yàn)得，檸檬酸濃度為20%、微波500 W加熱30 min、超聲波處理90 min時(shí)，稻草纖維素轉(zhuǎn)化率最高為64.46%。水解后的殘?jiān)廊槐３掷w維素的基本結(jié)構(gòu)，可繼續(xù)水解，提高原料利用率。檸檬酸水解較無(wú)機(jī)稀酸水解效率高且比無(wú)機(jī)濃酸水解對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的腐蝕性小。

但上述方法尚存在以下缺陷：由于檸檬酸價(jià)格較硫酸等無(wú)機(jī)酸高，且用量稍大，本方法尚未考慮檸檬酸回收利用，成本較高，需在后續(xù)研究中著重考慮催化劑的回收利用。

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