崔言進(jìn)，許志美，孫偉振，趙 玲

纖維素作為世界上最豐富、最重要的可再生生物質(zhì)資源之一，被認(rèn)為是最有可能取代傳統(tǒng)化石能源的資源［1］。纖維素降解生成還原糖，再通過發(fā)酵等手段制取乙醇或其他化學(xué)品是目前纖維素利用的主要方向之一［2］。這種纖維素轉(zhuǎn)化方法具有原料易得、污染小、經(jīng)濟(jì)性高、環(huán)境效益好及轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)［3］。目前，有關(guān)纖維素降解的研究方法有酶催化、超臨界溶劑、液體酸、固體酸和離子液體催化水解等。其中，離子液體具有蒸氣壓低、溶解力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可調(diào)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用到纖維素降解的研究中［4-6］。Jiang等［7］以功能化離子液體1-丙基磺酸-3-甲基咪唑硫酸氫鹽（［C3SO3Hmim］HSO4）為催化劑在離子液體溶劑中均相催化水解纖維素，獲得了可觀的還原糖收率。

纖維素是由葡萄糖重復(fù)單元通過β-1，4糖苷鍵連接組成的長鏈聚合物，且長鏈之間存在大量的氫鍵，這使得纖維素分子具有排列緊密、結(jié)晶度高、不溶于水和大多數(shù)有機(jī)溶劑的特點(diǎn)。因此，通過一定的預(yù)處理方法來破壞纖維素結(jié)構(gòu)，增加纖維素的多孔性可有效提高纖維素的利用效率。超臨界CO2（scCO2）具有黏度低、擴(kuò)散系數(shù)高和零表面張力的優(yōu)點(diǎn)，可用來對(duì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理。Zheng等［8］利用 scCO2預(yù)處理方法，提高了后續(xù)酶催化水解纖維素的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率，同時(shí)使葡萄糖的收率提高了 50%。Srinivasan 等［9］在銀膠菊的研究中采用scCO2預(yù)處理方法，葡萄糖收率明顯提高；且scCO2的預(yù)處理效果優(yōu)于稀酸等其他預(yù)處理方法。

本工作采用scCO2預(yù)處理方法，以［C3SO3Hmim］·HSO4為催化劑、甲醇為溶劑，將纖維素轉(zhuǎn)化成甲基葡萄糖苷，即甲基α-D-吡喃葡萄糖苷和甲基β-D-吡喃葡萄糖苷，考察了預(yù)處理溫度、壓力、時(shí)間及醇解溫度、反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量等因素對(duì)甲基葡萄糖苷收率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

微晶纖維素：平均粒徑90 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；甲醇、甲基咪唑、乙酸乙酯：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1，3-丙磺酸內(nèi)酯：純度99%（w），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；丙酮：分析純，國藥化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸：分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。

高壓反應(yīng)釜（規(guī)格1 000 mL和361 L）：上?；ぱ芯吭海籘PU-SW003型氣體增壓泵：深圳市特力得流體系統(tǒng)有限公司；DZG-6050型真空烘箱：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；2414型高效液相色譜儀：Waters（沃特世）科技有限公司；NOVANano SEM450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡：美國FEI公司；AVANCE400型核磁共振波譜儀：德國BRUKER公司。

1.2 ［C3SO3Hmim］HSO4的合成

［C3SO3Hmim］HSO4的合成參考了文獻(xiàn)［7］報(bào)道的方法：將1，3-丙磺酸內(nèi)酯（0.1 mol）加入到250 mL的圓底燒瓶中，加入適量丙酮為溶劑，再將等物質(zhì)的量的甲基咪唑（0.1 mol）逐滴加入到圓底燒瓶中。在40 ℃下攪拌12 h生成白色沉淀，抽濾后得到的白色固體分別用丙酮和乙醇各洗滌兩次，將得到的白色粉末在80 ℃的真空烘箱中干燥6 h。干燥后，慢慢加入等物質(zhì)的量的濃硫酸，于80 ℃下攪拌6 h，得黏性液體。將所得液體用乙酸乙酯洗滌三次，然后于真空烘箱干燥12 h，得［C3SO3Hmim］HSO4。

1.3 scCO2預(yù)處理

首先向反應(yīng)釜中加入等質(zhì)量的微晶纖維素（經(jīng)過干燥處理）和去離子水，密封后放入設(shè)定好溫度的油浴鍋中預(yù)熱，預(yù)熱10 min后用氣體增壓泵通入CO2，當(dāng)壓力穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)。當(dāng)達(dá)到預(yù)處理時(shí)間后，迅速泄壓，并用冰水浴冷卻。經(jīng)預(yù)處理后的試樣于50 ℃的真空烘箱中干燥12 h，用于后續(xù)反應(yīng)。

1.4 醇解反應(yīng)

取0.8 g經(jīng)過預(yù)處理的纖維素試樣于反應(yīng)釜中，加入40 mL甲醇和一定量的［C3SO3Hmim］·HSO4，然后將密封的反應(yīng)釜置于設(shè)定好溫度的油浴鍋中進(jìn)行醇解反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，向反應(yīng)液中加入15 mL去離子水稀釋，過濾，濾液通過蒸餾去除其中的甲醇，以便消除甲醇對(duì)后續(xù)色譜分析的影響。

1.5 分析方法

高效液相色譜儀配有Waters 1525型色譜泵、Waters 2414型示差檢測器、柱溫箱。采用安捷倫Hi-Plex Ca（300 mm×7.7 mm）色譜柱。保持柱溫為80 ℃，以水為流動(dòng)相，設(shè)定流量為0.6 mL/min，進(jìn)樣量10 μL。甲基葡萄糖苷的收率按式（1）計(jì)算。

式中，n為甲基葡萄糖苷物質(zhì)的量，mol；m為加入的纖維素質(zhì)量，g；M為C6H10O5單元的摩爾質(zhì)量，g/mol；Y為收率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 ［C3SO3Hmim］HSO4的表征

［C3SO3Hmim］HSO4的1H NMR表征結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，出峰位置與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果相近［7］，1H NMR（400 MHz，D2O）：化學(xué)位移 δ =2.097～2.186（m，2H），2.749（t，2H），3.741（s，3H），4.189（t，2H），4.743（d，1H，CH），7.291（d，1H），8.588（s，1H）。

圖1 ［C3SO3Hmim］HSO4的1H NMR譜圖Fig.1 1H NMR spectrum of［C3SO3Hmim］HSO4.

2.2 scCO2預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)收率的影響

考察了預(yù)處理壓力在15～27 MPa范圍內(nèi)對(duì)甲基葡萄糖苷的收率影響，并與未經(jīng)過預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，與未經(jīng)過預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)相比，scCO2處理后反應(yīng)所得的兩種甲基葡萄糖苷收率都有明顯的提高，總收率增幅超過43百分點(diǎn)。隨預(yù)處理過程中CO2壓力的增加，收率在25 MPa時(shí)達(dá)最大值39.1%。但當(dāng)壓力為27 MPa時(shí)，收率卻有所下降。王恩俊等［10-11］在研究scCO2對(duì)生物質(zhì)資源的預(yù)處理時(shí)也發(fā)現(xiàn)了收率隨壓力先增加后減少的規(guī)律，他們認(rèn)為：壓力的升高使水在scCO2中的溶解度變大，導(dǎo)致纖維素的含水量降低，而預(yù)處理的效果與纖維素含水量有密切關(guān)系，因此，過高壓力導(dǎo)致預(yù)處理效果變差。

圖3 微晶纖維素預(yù)處理前（a）后（b）的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of microcrystalline cellulose before(a) and after(b) pretreatment.

圖2 預(yù)處理過程CO2壓力對(duì)收率的影響Fig.2 Effect of CO2 pressure on methyl glucosides yield.Reaction conditions：pretreatment temperature 140 ℃，pretreatment time 2 h，reaction temperature 205 ℃，reaction time 2.0 h，acid concentration 1.2 g/L.Methyl α-D-glucopyranoside；Methyl β-D-glucopyranoside

對(duì)未經(jīng)過處理和經(jīng)過scCO2預(yù)處理的微晶纖維素試樣進(jìn)行SEM測試，結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出，預(yù)處理前后微晶纖維素的表面發(fā)生了一定的變化，未經(jīng)過預(yù)處理的微晶纖維素表面比較完整、光滑；而經(jīng)過scCO2預(yù)處理后，纖維素表面變得凹凸不平，并且有小的孔洞出現(xiàn)，這使得纖維素與催化劑和甲醇的接觸面積增加，更加有利于后續(xù)醇解反應(yīng)的進(jìn)行。

在0.5～3.0 h的范圍內(nèi)，對(duì)scCO2預(yù)處理時(shí)間進(jìn)行了考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，隨預(yù)處理時(shí)間的延長，甲基葡萄糖苷收率呈增加的趨勢，但當(dāng)預(yù)處時(shí)間超過2.0 h后，收率幾乎沒有變化，說明預(yù)處理時(shí)間為2.0 h時(shí)，scCO2預(yù)處理效果最佳。因此，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中預(yù)處理時(shí)間設(shè)定為2.0 h。

在100～180 ℃范圍內(nèi)研究了scCO2預(yù)處理溫度對(duì)醇解結(jié)果的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，甲基葡萄糖苷的收率呈先增加后減少的趨勢，在溫度為140 ℃時(shí)收率達(dá)到最大值，而繼續(xù)升高溫度，收率卻有所下降。這可能是因?yàn)橄嗤瑝毫ο?，溫度的升高?dǎo)致體系內(nèi)CO2含量有一定程度的減少，后者對(duì)預(yù)處理效果產(chǎn)生影響。

圖4 預(yù)處理時(shí)間對(duì)收率的影響Fig.4 Effect of pretreatment time on methyl glucosides yield.Reaction conditions：pretreatment temperature 140 ℃，pretreatment pressure 25 MPa，reaction temperature 205 ℃，reaction time 2.0 h，acid concentration 1.2 g/L.Methyl α-D-glucopyranoside；Methyl β-D-glucopyranoside

圖5 預(yù)處理溫度對(duì)收率的影響Fig.5 Effect of pretreatment temperature on methyl glucosides yield.Reaction conditions：pretreatment pressure 25 MPa，pretreatment time 2.0 h，reaction temperature 205 ℃，reaction time 2.0 h，acid concentration 1.2 g/L.Methyl α-D-glucopyranoside；Methyl β-D-glucopyranoside

2.3 醇解反應(yīng)

反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響見圖6。由圖6可看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為180～205 ℃時(shí)，甲基葡萄糖苷的收率隨反應(yīng)溫度的升高有較明顯的增加，當(dāng)反應(yīng)溫度為205 ℃時(shí)，收率與180 ℃時(shí)相比提高了接近一倍。而繼續(xù)升高反應(yīng)溫度至210 ℃時(shí)，甲基葡萄糖苷的收率有所降低，這是由于過高的溫度造成微晶纖維素部分碳化，且溫度升高造成其他副產(chǎn)物增加［12］。從得到的反應(yīng)物顏色來看，隨溫度的升高，醇解液由淡黃色逐漸變?yōu)樯钭厣伾募由钍且驗(yàn)楣曹楇p鍵產(chǎn)物的存在，說明溫度升高加劇了副反應(yīng)的發(fā)生［13-14］。因此，適宜的反應(yīng)溫度為205 ℃。

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響Fig.6 Effect of reaction temperature on methyl glucosides yield.Reaction conditions：pretreatment temperature 140 ℃，pretreatment pressure 25 MPa，pretreatment time 2.0 h，reaction time 2.0 h，acid concentration 1.2 g/L.Methyl α-D-glucopyranoside；Methyl β-D-glucopyranoside

醇解反應(yīng)時(shí)間對(duì)甲基葡萄糖苷收率的影響如圖7所示。從圖7可看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，纖維素的醇解反應(yīng)沒有充分進(jìn)行，收率較低，然而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過2.0 h后，甲基葡萄糖苷的收率有所下降。這說明，纖維素轉(zhuǎn)化過程為串聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間超過2.0 h后生成的部分甲基葡萄糖苷進(jìn)一步分解為乙酰丙酸甲酯等副產(chǎn)物。因此，在當(dāng)前的反應(yīng)條件下反應(yīng)時(shí)間為2.0 h時(shí)可以獲得甲基葡萄糖的最高收率。

圖7 反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響Fig.7 Effect of reaction time on methyl glucosides yield.Reaction conditions：pretreatment temperature 140 ℃，pretreatment pressure 25 MPa，pretreatment time 2.0 h，reaction temperature 205 ℃，acid concentration 1.2 g/L.Methyl α-D-glucopyranoside；Methyl β-D-glucopyranoside

圖8 為催化劑用量對(duì)收率的影響，從圖8可看出，隨催化劑用量的增加，甲基葡萄糖苷的收率先增加后減少；當(dāng)催化劑［C3SO3Hmim］HSO4質(zhì)量濃度為1.2 g/L時(shí)，所得到的甲基葡萄糖苷收率最大，為39.1%?？梢?，酸性離子液體催化纖維素發(fā)生醇解反應(yīng)時(shí)存在一個(gè)最佳濃度：用量低時(shí)，反應(yīng)速率較低，達(dá)到一定收率時(shí)需要較長的反應(yīng)時(shí)間，而當(dāng)催化劑用量過高時(shí)會(huì)加劇副反應(yīng)的進(jìn)行。有研究表明，當(dāng)酸性催化劑用量過高時(shí)會(huì)加劇甲基葡萄糖苷轉(zhuǎn)化成乙酰丙酸甲酯，造成甲基葡萄糖苷收率的下降［15］。

圖8 催化劑用量對(duì)收率的影響Fig.8 Effect of acid catalyst concentration on methyl glucosides yield.Reaction conditions：pretreatment temperature 140 ℃，pretreatment pressure 25 MPa，pretreatment time 2.0 h，reaction temperature 205 ℃，reaction time 2.0 h.Methyl α-D-glucopyranoside；Methyl β-D-glucopyranoside

3 結(jié)論

1）利用scCO2對(duì)微晶纖維素進(jìn)行預(yù)處理可顯著提高后續(xù)催化劑［C3SO3Hmim］HSO4催化纖維素醇解生成甲基葡萄糖苷的效率，與未經(jīng)過預(yù)處理的纖維素相比，甲基葡萄糖苷總收率增幅超過43百分點(diǎn)。

2）在140 ℃、25 MPa及處理時(shí)間2.0 h的條件下，scCO2對(duì)微晶纖維素的預(yù)處理效果最佳。

3）纖維素進(jìn)行醇解的最佳條件為：催化劑用量1.2 g/L、反應(yīng)溫度205 ℃、反應(yīng)時(shí)間2.0 h。

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