姜沁君 陽志高

超聲波、微波促進纖維素的水解*

姜沁君 陽志高

以硫酸、檸檬酸為催化劑，利用超聲波、微波協(xié)同作用促進纖維素的水解。以還原糖產(chǎn)率為指標，探討超聲波處理時間、微波加熱時間對纖維素水解反應(yīng)的影響。實驗結(jié)果表明，在最優(yōu)條件下還原糖產(chǎn)率可達27.7%。

纖維素；水解；微波；超聲波

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.01.131

1 前言

纖維素是自然界為人類提供的最豐富的多糖生物質(zhì)資源，合理充分利用纖維素等生物質(zhì)可以緩解溫室效應(yīng)、能源食物短缺等全球問題[1-4]。纖維素是一種穩(wěn)定的高分子聚合物，其分子結(jié)構(gòu)中的高度結(jié)晶區(qū)使得纖維素很難水解。超聲波在溶液中引起的空化作用可以促進很多物質(zhì)的水解，包括部分天然高分子化合物的降解。微波促使介質(zhì)分子的劇烈震動，能在極短的時間內(nèi)使反應(yīng)體系達到所需的溫度。將超聲波和微波用于高中化學實驗教學，可以將一些常規(guī)條件下無法進行或者現(xiàn)象不明顯的顯示實驗變得具有可操作性。選擇典型無機酸——硫酸和典型有機酸——檸檬酸做催化劑，在超聲波、微波輔助下對多糖纖維素進行水解實驗，取得比較滿意的結(jié)果。

2 實驗部分

試劑與儀器微晶纖維素、氫氧化鈉、3,5-二硝基水楊酸、酒石碳酸鉀、苯酚、無水亞硫酸鈉、葡萄糖、檸檬酸，DF-101B恒溫電磁攪拌器、微波爐、KQ3200DB型數(shù)控超聲波清洗器、ME203E電子天平。

纖維素水解反應(yīng)分別往兩個100 mL圓底燒瓶中加入10%的硫酸30 mL，20 mL的20%的檸檬酸和10 mL水。先用超聲波處理一段時間，然后用微波輻射處理。設(shè)定超聲波功率為100 W，反應(yīng)溫度為80 ℃，微波溫度為90 ℃；設(shè)定不同的時間，啟動反應(yīng)。

分析部分采用DNS（3,5-二硝基水楊酸）比色法確定還原性糖（葡萄糖）的濃度[5]；在不同的試管里將3,5-二硝基水楊酸試劑0.5 mL與不同濃度的葡萄糖溶液0.5 mL混合均勻，煮沸5 min，冷卻，每支試管中加入4 mL蒸餾水稀釋，置紫外分光光度計上520 nm波段處測光密度值；以葡萄糖濃度為橫坐標，光密度值為縱坐標做標準曲線。通過測定水解產(chǎn)物的光密度值，結(jié)合標準曲線葡萄糖與光密度值之間的關(guān)系，很容易計算得到水解產(chǎn)物中葡萄糖的濃度。

3 結(jié)果與討論

超聲波時間對纖維素水解的影響在超聲波功率100 W，反應(yīng)溫度80 ℃，硫酸濃度10%，檸檬酸濃度20%的條件下，得到超聲波處理時間對纖維素水解趨勢圖，如圖1所示：無論是以硫酸還是以檸檬酸為催化劑，超聲波對纖維素的水解都有一定程度的促進作用；隨著反應(yīng)時間的加長，還原糖產(chǎn)率有所提高，但加熱時間超過30 min，還原糖產(chǎn)率有所降低；加熱時間超過90 min，還原糖產(chǎn)率又開始上升，這可能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(yīng)生成醛酮等其他產(chǎn)物。數(shù)據(jù)顯示超聲波單獨處理還原糖產(chǎn)率并不理想，這是因為雖然超聲波的空化效果對纖維素的晶形區(qū)有一定破壞作用，但此溫度下不足以使纖維素徹底水解。在單因素下，超聲波處理時間為30 min時，水解效果比較好。

圖1 超聲波處理時間對纖維素水解的影響

圖2 微波加熱對纖維素水解的影響

表1 超聲波—微波協(xié)同處理對纖維素水解的影響

表2 超聲波—微波協(xié)同處理對纖維素水解的影響

微波加熱時間對纖維素水解的影響在微波功率500 W，反應(yīng)溫度80 ℃，硫酸濃度10%，檸檬酸濃度20%的條件下，微波加熱時間對纖維素水解的結(jié)果如圖2所示：還原糖產(chǎn)率隨反應(yīng)時間的延長先升高后降低，可能原因是微波內(nèi)加熱方式在時間延長情況下對纖維素的水解起到促進作用，但隨著加熱時間的繼續(xù)增長，在此溫度下有可能使得生成的糖被炭化，從而導(dǎo)致還原性糖產(chǎn)率降低。所以，選擇微波加熱時間為35 min為最佳條件。

超聲波—微波協(xié)同處理對纖維素水解的影響在考察超聲波和微波輻射對水解影響的基礎(chǔ)上，研究微波輻射時間、超聲波反應(yīng)時間對纖維素水解的影響，可得出纖維素水解的最佳條件。由表1、表2可知，兩兩交叉因素對纖維素水解有影響，且比單獨的因素對纖維素水解效果更為顯著：10%的硫酸30 mL，加水15 mL，超聲波100 W，溫度為80 ℃下處理90 min；微波700 W，溫度為80 ℃下加熱35 min時，還原糖產(chǎn)率可得27.7%。

4 結(jié)語

選取無機酸中的硫酸、有機酸中的檸檬酸作為催化劑，采用微波—超聲波輔助處理的方法促進纖維素的水解。結(jié)果表明，微波與超聲波協(xié)同作用能夠大幅度提升纖維素水解還原糖的產(chǎn)率。最終得出在10%的硫酸，超聲波輔助處理90 min，微波700 W，溫度80 ℃下處理35 min，料水比為1:15的條件下，纖維素水解產(chǎn)生的還原糖產(chǎn)率達到27.7%。

[1]馬誠.生命科技對社會進步的影響[M]//中國科學院中國現(xiàn)代化研究中心.科學與現(xiàn)代化（第六輯）.北京:2005.

[2]閻立峰,朱清時.以生物質(zhì)為原材料的化學化工[J].化工學報,2004,55(12):1938-1943.

[3]安宏,王樹榮,莊新姝,等.纖維素稀酸水解的實驗研究[J].新能源及工藝,2005(2):22-25.

[4]安宏.纖維素稀酸水解制取燃料酒精的試驗研究[D].杭州:浙江大學,2005.

[5]張惟杰.糖復(fù)合物生化研究技術(shù)[M].杭州:浙江大學出版社,2006.

G633.8

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1671-489X(2016)01-0131-02

作者：姜沁君、陽志高，寧鄉(xiāng)縣第一高級中學，中學一級教師，研究方向為有機催化（410660）。