鞏桂芬，吳諳宇，朱麗娜，王曉惠

（哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

微波處理對(duì)纖維素產(chǎn)糖能力的影響

鞏桂芬，吳諳宇，朱麗娜，王曉惠

（哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

采用纖維素為原料，以離子液體為溶劑，在微波輻射下進(jìn)行纖維素的預(yù)處理。預(yù)處理完成后進(jìn)行再生纖維素的酶解產(chǎn)糖，并采用DNS分光光度計(jì)法進(jìn)行還原糖產(chǎn)率的測(cè)定，進(jìn)而分析微波功率與時(shí)間對(duì)再生纖維素還原糖產(chǎn)率的影響。還原糖轉(zhuǎn)化率最佳值（96.21%）出現(xiàn)在微波功率為230W處理5min時(shí)；稻桿產(chǎn)糖量隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；在較強(qiáng)的功率539W條件下，延長(zhǎng)作用時(shí)間則會(huì)引起還原糖轉(zhuǎn)化率的上升，但繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，溶劑完全噴濺，難以繼續(xù)進(jìn)行處理。

材料學(xué)；纖維素；微波

前言

有限的石化燃料儲(chǔ)備和全球氣候的變化使得人們?nèi)找骊P(guān)注利用可再生生物原料進(jìn)行能源生產(chǎn)。纖維素為可生物降解的天然生物質(zhì)原料，分布廣泛且來(lái)源豐富。它有著合適的C，H，O比例，其水解產(chǎn)物主要是葡萄糖和木糖，通過(guò)糖類(lèi)可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙醇等重要能源。離子液體，是在綠色化學(xué)的框架下發(fā)展起來(lái)的全新液態(tài)介質(zhì)和“軟”功能材料，因其具有不揮發(fā)、不氧化、高穩(wěn)定性、易回收和設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。采用離子液體溶脹破壞纖維素晶區(qū)結(jié)構(gòu)，將纖維素處理又再生，增大其與纖維素酶的接觸可及性，提高還原糖產(chǎn)率。

微波加熱技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域，形成了一門(mén)新的學(xué)科-微波化學(xué)，指同一反應(yīng)在不同的微波加熱條件下進(jìn)行，具有反應(yīng)速度快、產(chǎn)率高、價(jià)格低廉及對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)。我國(guó)在利用微波預(yù)處理纖維素原料領(lǐng)域中已進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室階段研究。朱圣東[1～2]等比較不同微波預(yù)處理方式對(duì)稻草糖化過(guò)程影響，研究發(fā)現(xiàn)：微波/堿預(yù)處理可以提高稻草糖化初始速度；2010年，Gong Guifen等[3]通過(guò)正交試驗(yàn)，采用微波/有機(jī)酸法對(duì)稻稈進(jìn)行預(yù)處理，有效提高還原糖產(chǎn)糖率，結(jié)果表明在固液比為1∶15、酸濃度為25%、微波時(shí)間為5min及微波功率為230W條件下，微波/乙酸和微波/丙酸法處理后所得稻稈還原糖產(chǎn)率分別達(dá)71.41%和80.08%。丁長(zhǎng)河[4]等通過(guò)微波法處理玉米芯制備低聚木糖產(chǎn)物較單一，玉米芯經(jīng)稀堿液浸泡后微波處理，木聚糖提取率和水解液還原糖含量均升高，且其主要成分是木二糖，糠醛含量少。

研究人員采用微波法合成離子液體[5～6]，用微波加熱替代傳統(tǒng)加熱合成離子液體，提高反應(yīng)速率，得到的離子液體對(duì)不同種類(lèi)纖維素物質(zhì)均具有較強(qiáng)的溶解力。于穎敏[7]以咪唑類(lèi)離子液體為研究對(duì)象，以氯代正丁烷與1-甲基咪唑?yàn)樵显谖⒉ǚ磻?yīng)儀中合成1-丁基-3-甲基咪唑氯（[BMIM]Cl），并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究各種因素對(duì)合成過(guò)程的影響。王廣征[8]在微波加熱條件下在磷酸中處理纖維素得到葡萄糖，節(jié)省反應(yīng)時(shí)間、縮短了反應(yīng)周期。

本文以木質(zhì)纖維素為原料，研究離子液體預(yù)處理過(guò)程中微波輻射對(duì)纖維素產(chǎn)糖能力的影響，并進(jìn)行性能測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和試劑

稻桿纖維素、AgNO3溶液、檸檬酸、纖維素酶、3, 5-二硝基水楊酸（DNS）、葡萄糖、乙酸乙酯、N-甲基咪唑、氯丙烯。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

微波爐:750W,功率可調(diào),廣東順德格蘭仕電器有限公司生產(chǎn)；721型分光光度計(jì)，上海精密儀器有限責(zé)任公司；FEI SIRIONW掃描電子顯微鏡，荷蘭飛利浦公司；Nicolet-Nexus670型紅外光譜儀，美國(guó)Nicolet公司。

1.3 [AMIM]Cl的合成

N-甲基咪唑與氯丙烯體積比為5∶8，加入100mL三口瓶中于80℃水浴加熱7h，蒸發(fā)多余氯丙烯后冷卻至室溫，用乙酸乙酯洗滌三次，除去未反應(yīng)的N-甲基咪唑和氯丙烯，于50℃烘干后得到金黃色黏稠液體。

1.4 纖維素的微波處理

將 1.5g干燥稻桿纖維素與 18g離子液體[AMIM]Cl混合于50mL錐形瓶中，放入微波爐中，設(shè)定微波時(shí)間及微波功率進(jìn)行加熱；反應(yīng)結(jié)束后，取出錐形瓶于室溫下靜置16h，得到纖維素溶解液，待用。

1.5 纖維素的再生

將纖維素溶解液倒入500mL燒杯并置于磁力攪拌器上，緩慢加入去離子水重新析出纖維素，用蒸餾水充分浸泡洗滌。用AgNO3溶液對(duì)浸泡上清液進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)不出Cl-時(shí)，表明離子液體已完全除盡，抽濾后將濾渣于60℃下烘干10h，得到再生纖維素。

1.6 纖維素的酶解

稱(chēng)取經(jīng)離子液體預(yù)處理后得到的再生纖維素1g裝入50mL錐形瓶中，用少量蒸餾水潤(rùn)濕，測(cè)定其pH值后滴入少量檸檬酸緩沖溶液，將混合液的pH值調(diào)至5。加入活性為10000U/mL的纖維素酶4mL，繼續(xù)滴加蒸餾水定容至20mL。將上述混合物搖勻后，放入50℃恒溫水浴鍋中攪拌反應(yīng)，反應(yīng)30h后經(jīng)真空抽濾得到棕色固體酶解殘?jiān)妥厣吻迕附庖海梅止夤舛扔?jì)測(cè)定酶解糖液中還原糖含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 [AMIM]Cl表征及分析

圖1 離子液體[AMIM]Cl紅外光譜圖Fig.1 The IR spectra of[AMIM]Cl ionic liquid

分析圖1所得數(shù)據(jù)如下：

伸縮振動(dòng)：3150cm-1（=C-H），3110cm-1（飽和-C-H）1650 cm-1（烯丙基中C=C），1570cm-1（C-N），1430cm-1（C=C），621 cm-1（C-Cl）。

彎曲振動(dòng)：1170cm-1（C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)），2360cm-1、955cm-1、837cm-1（烯烴-CH=CH-H鍵的平面外搖擺彎曲振動(dòng)），760 cm-1（咪唑環(huán)上的C-H，面外彎曲振動(dòng)）。

3400cm-1處有很強(qiáng)的吸收峰，原因可能為樣品暴露空氣中吸入少量水分。

根據(jù)以上分析確定所制得溶液為離子液體[AMIM]Cl。

2.2 微波處理對(duì)纖維素表面結(jié)構(gòu)的影響

微波功率保持118W不變，輻射時(shí)間為5min，處理前與處理后的纖維素電鏡圖見(jiàn)圖2。

由圖2可知，與未處理稻稈（圖a）其平整飽滿致密的表面結(jié)構(gòu)相比，經(jīng)在微波作用下溶解預(yù)處理后再生稻稈表面（圖b）變得松散且有不規(guī)則孔洞和凹槽，表面產(chǎn)生少量絮狀纏繞。這是由于微波輻射促進(jìn)離子液體中陰陽(yáng)離子運(yùn)動(dòng)，使其不斷地從纖維素包裹結(jié)構(gòu)中脫除半纖維素、木質(zhì)素等成分，導(dǎo)致稻桿結(jié)構(gòu)的深度解離，出現(xiàn)層片結(jié)構(gòu)和深度溝壑。這種形貌上的變化增加了纖維素酶與底物纖維素的接觸位點(diǎn)，使兩者反應(yīng)更充分。

圖2 [AMIM]Cl處理前后稻桿的SEM圖Fig.2 The SEM images of untreated and regenerated rice straw by [AMIM]Cl

2.3 微波處理對(duì)纖維素酶解產(chǎn)糖量和還原糖轉(zhuǎn)化率的影響

在固液比為稻桿:[AMIM]Cl=1.5g∶18g條件下，考察微波 [AMIM]Cl法中微波功率和微波時(shí)間對(duì)酶解產(chǎn)糖量和還原糖轉(zhuǎn)化率的影響，如表1所示。

表1 微波－[AMIM]Cl處理稻桿制備還原糖數(shù)據(jù)表Table 1 The data of reducing sugar produced from rice straw treated by microwave－[AMIM]Cl

2.3.1 微波功率的影響

從表1中可以看出，還原糖轉(zhuǎn)化率最佳值（96.21%）出現(xiàn)在微波功率為230W時(shí)，而功率過(guò)高或過(guò)低均不利于稻桿產(chǎn)糖。增大微波功率，使得咪唑陰離子Cl-、陽(yáng)離子[AMIM]+及各區(qū)域內(nèi)分子鏈段受熱無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)加劇，因而更易進(jìn)入稻桿纖維素晶區(qū)和非晶區(qū)，增強(qiáng)了與纖維素分子內(nèi)部的相互作用，繼而增加纖維素分子結(jié)構(gòu)中氫鍵解締的數(shù)目。但當(dāng)微波功率過(guò)高時(shí)，短時(shí)間的加熱處理會(huì)對(duì)纖維素內(nèi)部產(chǎn)生較大破壞，而且溫度達(dá)到150℃以上，纖維素?zé)嵝阅芡瑯邮艿接绊?，?huì)削弱纖維素產(chǎn)糖能力。

2.3.2 微波時(shí)間的影響

由表1中數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)亦可以考察微波處理時(shí)間對(duì)稻桿產(chǎn)糖能力的影響。稻桿產(chǎn)糖量隨著微波處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；微波功率為230W處理1.5min后纖維素還原糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值，為96.21%。在較強(qiáng)的功率539W條件下，延長(zhǎng)30s的作用時(shí)間會(huì)引起還原糖轉(zhuǎn)化率的大幅上升，而繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致溶劑完全噴濺，阻礙了預(yù)處理過(guò)程的進(jìn)行。

3 結(jié) 論

將離子液體與微波技術(shù)結(jié)合對(duì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行預(yù)處理技術(shù)對(duì)纖維素產(chǎn)糖能力影響的研究；還原糖轉(zhuǎn)化率最大值（96.21%）出現(xiàn)在微波功率為230W處理1.5min時(shí)，為96.21%。微波功率過(guò)高或過(guò)低均削弱稻桿產(chǎn)糖能力；稻桿產(chǎn)糖量隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在較強(qiáng)功率539W條件下，延長(zhǎng)30s的作用時(shí)間則會(huì)引起還原糖轉(zhuǎn)化率的大幅上升，但繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致溶劑完全噴濺，阻礙了溶解過(guò)程的進(jìn)行。

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［3］GONG G F,LIU D Y,HUANG Y D.Microwave－assisted organic acid pretreatment for enzymatic hydrolysis of rice straw［J］. biosystems engineering,2010,93（107）:67～73.

［4］丁長(zhǎng)河,宋娜,李里特.高溫蒸煮法與微波法處理玉米芯制備低聚木糖的比較［J］.食品研究和開(kāi)發(fā)，2006,27（9）：68～71.

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［7］丁穎敏.微波法合成咪唑類(lèi)離子液體的研究［J］.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,23（2）：10～11.

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The Influence of Microwave Pretreatment on Enzymatic Hydrolysis of Cellulose

GONG Gui-feng,WU An-yu,ZHU Li-na and WANG Xiao-hui
（College of Materials Science&Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China）

The cellulose is pretreated under microwave radiation with using cellulose as raw material and ionic liquids as solvents.After the pretreatment,the regenerated cellulose（RE）is enzymatic hydrolysed to produce sugar and the DNS spectro-photometric method is used to determine the yield of reducing sugar.And then the effect of microwave power and time on the yield of reducing sugar is analyzed which is produced from regenerated celluloses.When the RE is treated for 5min under a microwave power of 230W,the reducing sugar conversion rate reaches highest which is 96.21%;The yield of sugar produced from rice straw firstly increases and then declines with lengthening the microwave time;Under the microwave radiation with a strong power of 539W,extending microwave radiation time will lead to a higher conversion rate of reducing sugar,however continue extending the time will result in completely solvent spill and difficult to process.

Material science;cellulose;microwave;

TQ353.42

A

1001-0017（2014）03-0188-03

2014-01-23

鞏桂芬（1966-），女，黑龍江哈爾濱人，教授，主要從事生物質(zhì)能源化工的研究，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣δ懿牧稀?/p>