馮圓圓，李強(qiáng)，2，3，季更生，唐玉斌，李天程

（1 江蘇科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212018；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所附屬蠶藥廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212018; 3 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京210093）

纖維素是地球上最豐富的天然可再生資源，它的開(kāi)發(fā)與利用對(duì)解決能源危機(jī)具有重要意義。但纖維素材料的結(jié)晶度[1]較高，形成了降解纖維素的強(qiáng)大障礙。溶劑預(yù)處理[2]技術(shù)是目前破壞纖維素復(fù)合物的最有效手段之一，目前研究得較多的纖維素溶劑主要有N-甲基嗎啉-N-氧化物溶劑體系、堿溶液等，通過(guò)堿化使得纖維素結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[3-5]，從而更利于纖維素材料的應(yīng)用。但這些溶劑存在著不穩(wěn)定、有毒害、不易回收等缺點(diǎn)，因此有必要研發(fā)綠色環(huán)保的溶劑。

近年的研究表明，離子液體對(duì)纖維素材料有較好的溶解和處理能力[6]，可以有效地提高纖維素的酶解產(chǎn)率[7]。然而離子液體處理纖維素材料后的洗滌過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致纖維素的重結(jié)晶，從而影響了酶解率的提高。表面活性劑可以降低離子液體的張力，有望提高纖維素酶解產(chǎn)率，目前很少有關(guān)于利用離子液體與表面活性劑耦合處理纖維素材料的研究[8-9]。為此作者選擇之前工作中報(bào)道的具有良好生物兼容性的磷酸酯類離子液體[10]，將此離子液體與表面活性劑耦合使用，研究表面活性劑對(duì)纖維素材料改性的影響，為纖維素材料的應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1.1 主要原料與儀器

1-甲基咪唑、磷酸三甲酯，純度≥98%，上海晶純生化科技股份有限公司；微晶纖維素，上海晶純生化科技股份有限公司；纖維素酶（10000U/g），上海晶純生化科技有限公司；十二烷基硫酸鈉（SDS）、聚乙二醇4000（PEG4000）、曲拉通X-100（X-100）、氣溶膠OT（AOT），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。[MEIM][DMP]通過(guò)已報(bào)道工藝[11]合成。

DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器，上海比朗儀器有限公司；紫外-分光光度計(jì)UV759S，上海精科；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9101-ISA 型，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，TENSOR27，德國(guó)布魯克光譜儀器公司；X 射線衍射儀，X′TRA，瑞士ARL 公司。

1.2 纖維素的預(yù)處理和再生

在100mL 的三口燒瓶中分別加入6g 的[MEIM][DMP]和0.2g 微晶纖維素及1%的表面活性劑（X-100、PEG4000、AOT、SDS），置于磁力攪拌器上，在130℃的溫度下進(jìn)行預(yù)處理2h，處理結(jié)束后，向燒瓶中加入沉淀劑蒸餾水，此時(shí)出現(xiàn)沉淀，將混合液進(jìn)行離心-洗滌-離心，洗滌3～4 次，保留每次離心后的上層液體，以進(jìn)行回收再利用。最后將得到的樣品沉淀物置于60℃的烘箱中干燥，烘干后研磨成粉末保存，留至下一步的酶解。

再生纖維素酶解的總體積為3mL，再生纖維素濃度為7mg/mL，緩沖液為50mmol/L，pH 值4.8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，添加200U/g（U 是指在50℃，pH 值5.0 條件下，每分鐘每克酶粉催化纖維素水解生產(chǎn)的葡萄糖量[12]）底物的纖維素酶，每個(gè)設(shè)3 組平行試驗(yàn)，在50℃的搖床中進(jìn)行酶水解反應(yīng)，每間隔一段時(shí)間取一定量樣品，用DNS 法測(cè)定還原糖含量。

1.3 表面活性劑對(duì)纖維素的改性

在100mL 的三口燒瓶中分別加入6g 的[MEIM][DMP]和0.2g 微晶纖維素置于磁力攪拌器上，在130℃的溫度下進(jìn)行預(yù)處理2h，處理結(jié)束后，向燒瓶中加入沉淀劑蒸餾水，此時(shí)出現(xiàn)沉淀，將混合液進(jìn)行離心-洗滌-離心，洗滌3～4 次，最后一次洗滌時(shí)，在每份樣品中加入1%的不同表面活性劑，攪拌均勻后，離心干燥，并研磨成粉末，用于紅外光譜和X 射線衍射的測(cè)定，考察處理后的纖維素的結(jié)構(gòu)變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維素的預(yù)處理及酶解

纖維素預(yù)處理的目的是促進(jìn)酶解，可以通過(guò)酶解時(shí)糖的產(chǎn)率來(lái)對(duì)預(yù)處理溶劑中的表面活性劑進(jìn)行評(píng)估。

從圖1 中可以看出，離子液體處理后的纖維素的產(chǎn)糖率均明顯高于未處理的纖維素。在酶解48h時(shí)，未處理的纖維素及[MEIM][DMP]、[MEIM][DMP]/PEG4000、[MEIM][DMP]/X-100、[MEIM][DMP]/AOT、[MEIM][DMP]/SDS 處理的纖維素的產(chǎn) 糖 濃 度 分 別 為 2.20mg/mL 、 3.68mg/mL 、

3.92mg/mL、3.72mg/mL、3.56mg/mL、3.06mg/mL。其中，[MEIM][DMP]/PEG4000 處理的纖維素產(chǎn)糖量最高，其產(chǎn)糖率比未處理的纖維素高78.2%，比未加表面活性劑處理的再生纖維素高6.5%，可見(jiàn)PEG4000 有利于進(jìn)一步提高纖維素酶解率。

圖1 [MEIM][DMP]/表面活性劑預(yù)處理微晶纖維素后的酶解時(shí)間進(jìn)程

2.2 表面活性劑對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)改性的影響

2.2.1 處理前后微晶纖維素的紅外光譜分析

對(duì)不同方式處理后的纖維素進(jìn)行了紅外光譜分析。圖2 為[MEIM][DMP]處理后水洗、[MEIM][DMP]處理后加PEG4000 洗滌以及未處理的纖維素的紅外光譜對(duì)照?qǐng)D。而圖3 則為經(jīng)不同表面活性劑洗滌后的再生纖維素的紅外光譜對(duì)照?qǐng)D。由圖2、圖3可見(jiàn)，3400cm-1、 2900cm-1和1060cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)纖維素分子中非結(jié)晶區(qū)—OH 鍵的伸縮振動(dòng)、—CH 鍵伸縮振動(dòng)和C—O 變形振動(dòng)峰[13]。郭元強(qiáng)等[14]通過(guò)研究聚乙二醇和纖素共混物的相容性及形態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)纖維素與聚乙二醇具有很好的相容性，且共聚物的結(jié)晶度也明顯降低。梁學(xué)海等[15]在研究聚乙二醇/纖維素共混物的晶體變化時(shí)發(fā)現(xiàn)聚乙二醇與纖維素之間可以形成較強(qiáng)的氫鍵。由圖2 可知，與通過(guò)[MEIM][DMP]處理后水洗的纖維素相比，加入PEG4000 洗滌的纖維素紅外光譜圖譜中出現(xiàn)了PEG4000 分子的特征峰（1103cm-1處為C—O—C 振動(dòng)峰），說(shuō)明有PEG4000 分子與纖維素分子鏈接，形成較強(qiáng)的氫鍵，阻止了離子液體處理后水洗過(guò)程中的再生纖維素重結(jié)晶過(guò)程，使得纖維素結(jié)晶度降低，從而使酶解產(chǎn)率有所提高。因此PEG4000 提高酶解產(chǎn)率是通過(guò)阻礙再生纖維素重結(jié)晶過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。

圖2 不同處理方式下的微晶纖維素的紅外光譜圖

圖3 不同表面活性劑對(duì)纖維素改性的紅外光譜圖

根據(jù)以上紅外光譜圖，可以計(jì)算出兩條紅外透過(guò)率的比率：①α1437cm-1/α899cm-1，表示結(jié)晶度指數(shù)或者側(cè)枝結(jié)構(gòu)指數(shù)（LOI）；②α1378cm-1/α2900cm-1，表示總結(jié)晶指數(shù)（TCI）[16]。LOI 和TCI 數(shù)值越高表示結(jié)晶度越高及側(cè)枝數(shù)越多。再生纖維素結(jié)晶指數(shù)的紅外比率如表1 所示。顯然經(jīng)過(guò)離子液體[MEIM][DMP]處理后的纖維素的結(jié)晶度明顯小于未處理的纖維素。其中經(jīng)過(guò)PEG4000 洗滌的纖維素的結(jié)晶指數(shù)LOI 和TCI 最?。ǚ謩e為0.9039 和0.8907），表明經(jīng)過(guò)PEG4000 洗滌后的纖維素結(jié)晶度降低，這與上述分析結(jié)果相符。

表1 再生纖維素的結(jié)晶指數(shù)的紅外比率

2.2.2 纖維素的X 射線衍射分析

經(jīng)離子液體處理后由不同表面活性劑洗滌后的微晶纖維素的X 射線衍射譜圖見(jiàn)圖4。由圖4 可知，未處理的微晶纖維素衍射峰形尖銳且強(qiáng)度高，在衍射角14.96°、16.12°、22.58°和34.45°分別出現(xiàn)衍射峰，為纖維素Ⅰ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)晶胞（101）、（101-）、（002）和（040）晶面，其中14.96°和22.58°的衍射峰強(qiáng)度能反應(yīng)纖維素分子中氫鍵的作用強(qiáng)度。由圖4 中曲線可知，經(jīng)過(guò)離子液體處理后得到的再生纖維素部分氫鍵斷裂，結(jié)晶區(qū)域幾乎消失，得到的幾乎是無(wú)定形纖維素。表明微晶纖維素的峰形由典型的纖維素雙峰變成基本平坦的無(wú)定形區(qū)，這也為纖維素酶組分中的內(nèi)切酶提供更多更好的作用位點(diǎn)，加快了酶解速率[12]。因此表面活性劑的加入并未破壞這種再生纖維素的無(wú)定形結(jié)構(gòu)。

圖4 處理前后微晶纖維素的X 射線衍射譜圖

3 結(jié) 論

（1）利用離子液體[MEIM][DMP]與不同表面活性劑耦合處理纖維素，篩選到較好的表面活性劑PEG4000，有助于提高酶解產(chǎn)率。

（2）在預(yù)處理?xiàng)l件為T=130 ℃，t=2h，PEG4000/[MEIM][DMP]=0.01（質(zhì)量比），得到的再生纖維素酶解48h 時(shí)還原糖產(chǎn)率比未處理的纖維素高78.2%，比單純離子液體處理的產(chǎn)糖率高6.5%。

（3）通過(guò)紅外光譜圖及X 射線衍射分析，有PEG4000 分子插入到纖維素分子中。纖維素與PEG4000 之間形成氫鍵，從而阻止了再生纖維素洗滌過(guò)程中的重結(jié)晶過(guò)程，使得再生纖維素結(jié)晶度降低，提高了纖維素的酶解產(chǎn)率。本工作的結(jié)果為研究纖維素重結(jié)晶過(guò)程和表面活性劑參與纖維素處理提供了理論依據(jù)。

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