超聲波-微波輔助檸檬酸催化纖維素水解條件

王霞，吳玉娥，顏潔，陳仕學

（銅仁學院生物與化學工程系&應用化學研究所，貴州 銅仁 554300）

纖維素是地球上最豐富的多糖。據(jù)科學組織測算，全世界秸桿或木質纖維類生物質能約相當于640億噸石油[1]，是目前世界上唯一可預測的為人類持續(xù)提供能源的資源[2-3]。利用纖維素水解產物經(jīng)發(fā)酵途徑轉化生產乙醇[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β-1,4糖苷鍵連接而成的長鏈分子，長鏈分子進一步形成具有高度結晶區(qū)的高分子聚合物，這種聚合物具有穩(wěn)定的結構，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、糖轉換率高、無腐蝕、無污染。但酶的高成本、長水解周期及較慢的反應速率等問題的存在使其尚處于實驗室研究階段。酸水解可分為無機酸水解和有機酸水解。無機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)，濃酸可將結晶纖維溶解，約有90%的纖維素水解成糖并被回收，且反應相對迅速，極少降解；但濃酸的腐蝕性極高，對設備的要求也較高，分離和回收的難度也較大。安宏[13]通過纖維素稀酸水解制取酒精燃料中發(fā)現(xiàn)，稀酸[14]可以將無定形纖維素溶解，原料處理時間也較短，但是水解生成的糖會進一步發(fā)生降解，產生大量副產物[15]。目前，已有人對乙酸和丙酸等[16-17]有機酸為催化劑水解纖維素，其水解的處理過程和無機酸一樣，但是由于有機酸對還原糖降解速率低于無機酸，因此，可獲得較高的還原糖產率。本文采用檸檬酸作為催化劑對稻草纖維素進行水解，探討檸檬酸濃度對纖維素水解的影響。

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

1 實 驗

1.1 原料、試劑和儀器

實驗室自制稻草纖維素（纖維素 71.952%，酸不溶木質素 0.598%，酸溶木質素 2.605%，灰分3.075%）；檸檬酸（A.R.），成都金山化學試劑有限公司；3,5-二硝基水楊酸（A.R.），上海強順化學試劑有限公司；氫氧化鈉（A.R.），天津市石英鐘廠霸州市化工廠；丙三醇（A.R.），江蘇強盛功能化學股份有限公司；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（上海精宏實驗設備有限公司）；微波爐（美的MM823ES）；紅外分光光度計（E721型）。

1.2 實驗步驟

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器中，按設定的時間和功率進行降解反應，經(jīng)離心分離后得還原糖溶液，備用。

1.2.2 還原糖含量的測定

采用文獻[19]給出的DNS法測定還原糖含量，首先繪制葡萄糖含量的標準曲線，再取適量制得的還原糖溶液，經(jīng)NaOH溶液中和至中性后，稀釋適當倍數(shù)，進行測定。還原糖收率（以葡萄糖計）按如下公式計算。

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為水解纖維素的質量，g。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 檸檬酸濃度對纖維素水解效果的影響

在保持微波500 W加熱20 min條件下，不同濃度檸檬酸對纖維素水解趨勢圖如圖1所示。隨著酸濃度的增大，纖維素的水解效果越來越好。但是，濃度過大對儀器要求高、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)濟角度考慮，選擇20%的檸檬酸對稻草纖維素進行水解。

2.1.2 微波加熱時間對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，改變微波加熱時間，纖維素水解結果如圖2所示。還原糖產率隨微波加熱時間的增長先升高后降低。分析其原因，可能是隨著加熱時間增長，微波內加熱方式對纖維素的水解起到了促進作用，但隨著加熱時間的繼續(xù)增長，產生的熱量增多，反應體系溫度逐漸升高，使得生成的糖被碳化，從而導致產率降低。所以，選擇微波加熱時間為30 min為最佳條件。

2.1.3 超聲波處理時間對纖維素水解效果的影響

圖1 檸檬酸濃度對產率的影響

圖2 微波加熱時間對產率的影響

圖3 超聲波處理時間對產率的影響

在保持檸檬酸濃度20%的條件下，改變超聲波處理時間，纖維素水解趨勢如圖3所示。隨著時間的增加，還原糖產率也逐漸增大。但是，當用超聲波振蕩到一定時間時，還原糖產率開始有下降的趨勢，這是因為長時間的超聲波振蕩會使檸檬酸與已生成的還原糖發(fā)生反應，生成醛酮等其他產物。從表1～表2中也可以看出，超聲波單獨處理還原糖產率并不理想，這是因為雖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合起來，提高纖維素的水解效率。

2.2 纖維素水解最佳反應條件的選擇

在單因素試驗確定了各因素的水平項的基礎上，采用正交試驗表 L9(34)，考察檸檬酸濃度、微波500 W加熱時間以及超聲波處理時間對還原糖產率的影響，反應的因素和水平見表1，正交試驗設計及結果見表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，此時稻草纖維轉化最高。由極差值R的大小可知，因素對試驗指標的影響顯著程度為A>C>B，與表3方差分析結果一致。由表3結果可知，檸檬酸濃度和微波加熱時間影響顯著，超聲波處理時間影響不顯著，誤差影響極不顯著，因此由誤差引起的指標變化可以忽略不計。表4列出了兩兩因素間的交互作用結果，從表4可知，檸檬酸濃度為20%、微波500 W加熱30 min效果最佳，但超聲波處理時間與正交試驗結果不一致。考慮超聲波處理時間對指標的影響不顯著，又在A3B3C2條件下平行試驗兩次，得到還原糖產率分別為 63.14%和63.86%，結合正交試驗結果，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組合下進一步做驗證實驗3次，得到還原糖的產率分別為63.97%、64.51%、64.90%，平均值為64.46%，高于正交試驗中的任何一次試驗結果，說明該組合是最佳組合，且實驗條件重現(xiàn)性較好。

表1 正交試驗的因素水平表

表2 正交試驗設計及極差分析結果

表3 正交試驗結果的方差分析

表4 兩兩因素間交互作用結果

2.3 反應殘渣的紅外光譜分析

由圖4分析可知，經(jīng)過檸檬酸水解后的纖維素殘渣基本結構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伸縮振動峰強度增大，表明C=C在殘渣中的比例上升，纖維素間醚鍵斷裂，從而使更多的C=C暴露出來，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渣的紅外光譜

所以，經(jīng)檸檬酸水解后的殘渣可以繼續(xù)放入適當?shù)乃嶂羞M行后續(xù)反應，以提高原料的利用率。

3 結 論

檸檬酸作為一種溫和的有機酸催化劑，在催化降解纖維素的同時對還原糖的水解速率低，可獲得較高的還原糖產率。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，反應時間大大縮短。經(jīng)正交試驗得，檸檬酸濃度為20%、微波500 W加熱30 min、超聲波處理90 min時，稻草纖維素轉化率最高為64.46%。水解后的殘渣依然保持纖維素的基本結構，可繼續(xù)水解，提高原料利用率。檸檬酸水解較無機稀酸水解效率高且比無機濃酸水解對實驗設備的腐蝕性小。

但上述方法尚存在以下缺陷：由于檸檬酸價格較硫酸等無機酸高，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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