超声波-微波辅助柠檬酸催化纤维素水解条件

王霞，吴玉娥，颜洁，陈仕学

（铜仁学院生物与化学工程系&应用化学研究所，贵州 铜仁 554300）

纤维素是地球上最丰富的多糖。据科学组织测算，全世界秸杆或木质纤维类生物质能约相当于640亿吨石油[1]，是目前世界上唯一可预测的为人类持续提供能源的资源[2-3]。利用纤维素水解产物经发酵途径转化生产乙醇[4-6]为纤维素资源化利用提供了很好的途径。

纤维素是β-D-葡萄糖单元通过β-1,4糖苷键连接而成的长链分子，长链分子进一步形成具有高度结晶区的高分子聚合物，这种聚合物具有稳定的结构，使得纤维素很难水解。目前纤维素水解主要有酸水解和酶水解两种途径[7-9]。Demirbas[10]研究发现，酶水解条件温和、糖转换率高、无腐蚀、无污染。但酶的高成本、长水解周期及较慢的反应速率等问题的存在使其尚处于实验室研究阶段。酸水解可分为无机酸水解和有机酸水解。无机酸水解又可分为浓酸水解和稀酸水解，Balat[11]及Hamelinck[12]等的研究发现，浓酸可将结晶纤维溶解，约有90%的纤维素水解成糖并被回收，且反应相对迅速，极少降解；但浓酸的腐蚀性极高，对设备的要求也较高，分离和回收的难度也较大。安宏[13]通过纤维素稀酸水解制取酒精燃料中发现，稀酸[14]可以将无定形纤维素溶解，原料处理时间也较短，但是水解生成的糖会进一步发生降解，产生大量副产物[15]。目前，已有人对乙酸和丙酸等[16-17]有机酸为催化剂水解纤维素，其水解的处理过程和无机酸一样，但是由于有机酸对还原糖降解速率低于无机酸，因此，可获得较高的还原糖产率。本文采用柠檬酸作为催化剂对稻草纤维素进行水解，探讨柠檬酸浓度对纤维素水解的影响。

另外，由于超声辐照波的分子谐振效应能够以较低的能量破坏稻草纤维素结晶构造，增大纤维素的可及度；微波加热作为一种内加热法，能在极短的时间内迅速加热反应底物，从而使一些在常规条件下不能被活化而无法进行或难以进行的反应得以发生。本文将上述两种辅助方法相结合，先利用超声波的分子谐振效应将纤维素的结晶区破坏掉，再在微波加热的条件下以较短的时间将纤维素进行水解，从而提高纤维素的水解效率。

1 实 验

1.1 原料、试剂和仪器

实验室自制稻草纤维素（纤维素 71.952%，酸不溶木质素 0.598%，酸溶木质素 2.605%，灰分3.075%）；柠檬酸（A.R.），成都金山化学试剂有限公司；3,5-二硝基水杨酸（A.R.），上海强顺化学试剂有限公司；氢氧化钠（A.R.），天津市石英钟厂霸州市化工厂；丙三醇（A.R.），江苏强盛功能化学股份有限公司；葡萄糖；蒸馏水（自制）。

KQ2200B型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；AL204型电子天平[梅特勒托利多仪器（上海）有限公司]；DHC-9053A型电热恒温鼓用干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；微波炉（美的MM823ES）；红外分光光度计（E721型）。

1.2 实验步骤

1.2.1 稻草纤维素的降解

称取2 g稻草纤维素，按10∶1的液固比[18]溶于不同浓度的柠檬酸中，先后放置在微波和超声波反应器中，按设定的时间和功率进行降解反应，经离心分离后得还原糖溶液，备用。

1.2.2 还原糖含量的测定

采用文献[19]给出的DNS法测定还原糖含量，首先绘制葡萄糖含量的标准曲线，再取适量制得的还原糖溶液，经NaOH溶液中和至中性后，稀释适当倍数，进行测定。还原糖收率（以葡萄糖计）按如下公式计算。

式中，0.9为矫正系数；C为溶液浓度，mg/mL；V为溶液体积，mL；m为水解纤维素的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 柠檬酸浓度对纤维素水解效果的影响

在保持微波500 W加热20 min条件下，不同浓度柠檬酸对纤维素水解趋势图如图1所示。随着酸浓度的增大，纤维素的水解效果越来越好。但是，浓度过大对仪器要求高、分离的难度也随之增大，且浓度从20%增大到25%水解效率提高幅度不大。从经济角度考虑，选择20%的柠檬酸对稻草纤维素进行水解。

2.1.2 微波加热时间对纤维素水解效果的影响

在保持柠檬酸浓度20%、微波加热功率为500 W的条件下，改变微波加热时间，纤维素水解结果如图2所示。还原糖产率随微波加热时间的增长先升高后降低。分析其原因，可能是随着加热时间增长，微波内加热方式对纤维素的水解起到了促进作用，但随着加热时间的继续增长，产生的热量增多，反应体系温度逐渐升高，使得生成的糖被碳化，从而导致产率降低。所以，选择微波加热时间为30 min为最佳条件。

2.1.3 超声波处理时间对纤维素水解效果的影响

图1 柠檬酸浓度对产率的影响

图2 微波加热时间对产率的影响

图3 超声波处理时间对产率的影响

在保持柠檬酸浓度20%的条件下，改变超声波处理时间，纤维素水解趋势如图3所示。随着时间的增加，还原糖产率也逐渐增大。但是，当用超声波振荡到一定时间时，还原糖产率开始有下降的趋势，这是因为长时间的超声波振荡会使柠檬酸与已生成的还原糖发生反应，生成醛酮等其他产物。从表1～表2中也可以看出，超声波单独处理还原糖产率并不理想，这是因为虽然超声波的辐照因子能破坏纤维素的晶形区，但常温下的反应不足以使纤维素彻底水解，因此需将微波加热和超声波处理结合起来，提高纤维素的水解效率。

2.2 纤维素水解最佳反应条件的选择

在单因素试验确定了各因素的水平项的基础上，采用正交试验表 L9(34)，考察柠檬酸浓度、微波500 W加热时间以及超声波处理时间对还原糖产率的影响，反应的因素和水平见表1，正交试验设计及结果见表2～表4。

经表2极差分析可知，超声波-微波辅助柠檬酸水解的最佳试验组合为A3B2C2，即：柠檬酸浓度为20%、微波500 W加热30 min、超声波处理90 min，此时稻草纤维转化最高。由极差值R的大小可知，因素对试验指标的影响显著程度为A>C>B，与表3方差分析结果一致。由表3结果可知，柠檬酸浓度和微波加热时间影响显著，超声波处理时间影响不显著，误差影响极不显著，因此由误差引起的指标变化可以忽略不计。表4列出了两两因素间的交互作用结果，从表4可知，柠檬酸浓度为20%、微波500 W加热30 min效果最佳，但超声波处理时间与正交试验结果不一致。考虑超声波处理时间对指标的影响不显著，又在A3B3C2条件下平行试验两次，得到还原糖产率分别为 63.14%和63.86%，结合正交试验结果，最终确定超声波-微波辅助柠檬酸水解的最佳水平组合为A3B2C2。

在A3B2C2组合下进一步做验证实验3次，得到还原糖的产率分别为63.97%、64.51%、64.90%，平均值为64.46%，高于正交试验中的任何一次试验结果，说明该组合是最佳组合，且实验条件重现性较好。

表1 正交试验的因素水平表

表2 正交试验设计及极差分析结果

表3 正交试验结果的方差分析

表4 两两因素间交互作用结果

2.3 反应残渣的红外光谱分析

由图4分析可知，经过柠檬酸水解后的纤维素残渣基本结构与稻草纤维素相比并未发生大的改变，3429 cm−1、1438 cm−1、1167 cm−1、900 cm−1处的纤维素特征吸收峰[20]依然存在，1641 cm−1处C=C伸缩振动峰强度增大，表明C=C在残渣中的比例上升，纤维素间醚键断裂，从而使更多的C=C暴露出来，使得再次酸水解变得更加容易。

图4 稻草纤维素及柠檬酸水解残渣的红外光谱

所以，经柠檬酸水解后的残渣可以继续放入适当的酸中进行后续反应，以提高原料的利用率。

3 结 论

柠檬酸作为一种温和的有机酸催化剂，在催化降解纤维素的同时对还原糖的水解速率低，可获得较高的还原糖产率。以柠檬酸为催化剂，超声波-微波辅助，使纤维素的水解程度大大提高，反应时间大大缩短。经正交试验得，柠檬酸浓度为20%、微波500 W加热30 min、超声波处理90 min时，稻草纤维素转化率最高为64.46%。水解后的残渣依然保持纤维素的基本结构，可继续水解，提高原料利用率。柠檬酸水解较无机稀酸水解效率高且比无机浓酸水解对实验设备的腐蚀性小。

但上述方法尚存在以下缺陷：由于柠檬酸价格较硫酸等无机酸高，且用量稍大，本方法尚未考虑柠檬酸回收利用，成本较高，需在后续研究中着重考虑催化剂的回收利用。

[1]马诚.生命科技对社会进步的影响[C].北京：中国科学院中国现代化研究中心，科学与现代化第六辑，2005.

[2]刘龙飞，宗水珍，邱竹.微波促纤维素水解制备可发酵还原糖研究[J].常熟理工学院学报：自然科学版，2008，22（4）：77-81.

[3]阎立峰，朱清时.以生物质为原材料的化学化工[J].化工学报，2004，55（12）：1938-1943.

[4]钱伯章.我国纤维素乙醇开发进展[J].化工新型材料，2009，37（3）：41-43.

[5]Tushar P V，Zhang H Y，Aimaro S，et al.Renewable chemical commodity feedstocks from integrated catalytic processing of pyrolysis oils[J].Science， 2010，330：1222-1227.

[6]金湓，李宝霞.纤维素与木质素共热解试验及动力学分析[J].化工进展，2013，32（2）：303-307.

[7]王良东，陈建，吴嘉琳.功能性低聚糖的制备[J].粮食与油脂，2008，7：38-40.

[8]周建，罗学刚，苏林.纤维素酶水解的研究及展望[J].化工科技，2006，14（2）：51-56.

[9]安宏，王树荣，庄新姝，等.纤维素稀酸水解的实验研究[J].新能源及工艺，2005，2：22-25.

[10]Demirbas A.Bioethanol from cellulosic materials：A renewable motor fuel from biomass[J].Energy Sources，2005，27：327-337.

[11]Balat M，Balat H，Cahide O.Progress in bioethanol processing[J].Progress in Energy and Combustion Science，2008，34：551-573.

[12]Hamelinck C N，Van H G，Faaij A P C.Ethanol from lignocellulosic biomass：Techno-economic performance in short-middle-and long-term[J].Biomass and Bioenergy，2005，28：384-410.

[13]安宏.纤维素稀酸水解制取燃料酒精的试验研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[14]王犇，曹妍，黄科林，等.蔗渣纤维素在离子液体中的溶解与再生[J].化工学报，2010，61（6）：1592-1598.

[15]张毅民，杨静.木质纤维素类生物质酸水解研究进展[J].世界科技研究与发展，2007，29（1）：48-54.

[16]Zhao X B，Zhang L H，Liu D H.Comparative study on chemical pretreatment methods for improving enzymatic digestibility of crofton weed[J].Bioresource Technology，2008，99：3729-3736.

[17]孙勇，林鹿，邓海波，等.麦草纤维在甲酸体系中的水解动力学研究[J].江西农业大学学报，2008，30（1）：154-160.

[18]郑碧辉，阴艳华，李海玲 等.稻草纤维低聚糖的超声波辅助水解及分析凝析分析[J].生物质化学工程，2011，45（1）：33-36.

[19]宋占午，王莱，刘艳玲，等.3,5-二硝基水杨酸测定还原糖含量的条件探讨[J].西北师范大学学报：自然科学版，1997，33（2）：52-55.

[20]阴艳华.稻草纤维素降解及微晶纤维素的制备研究[D].武汉：华中科技大学，2011.