梁皓童， 林健穎， 袁紹敏， 馬巧智

熔鹽水合物選擇性水解纖維素制備葡萄糖

梁皓童， 林健穎， 袁紹敏， 馬巧智

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院, 廣州 510642）

針對目前熔鹽水合物(MSH)對纖維素的溶解、 水解機理尚不明確這一問題, 本文系統(tǒng)地研究了纖維素在Li+, Na+, K+, Zn2+陽離子及Cl?, Br?, I?陰離子所組成的MSH中水解的情況, 篩選出對纖維素水解效果最佳的熔鹽——LiBr, 并研究了體系酸性對水解的影響規(guī)律. 結(jié)果表明, MSH中陽離子Na+和K+在水中的有限溶解度導(dǎo)致沒有足夠的陽離子與纖維素中的氧原子配位, 無法為糖苷鍵斷裂提供足夠的路易斯酸; MSH中的陰離子Cl?的電負(fù)性不足以與纖維素中的羥基形成足夠的新的氫鍵, 纖維素溶解度不足導(dǎo)致水解效果較差. 在非酸化體系中, 130 ℃, 5 h的反應(yīng)條件下, 纖維素在LiBr熔鹽體系內(nèi)可以被選擇性水解為水溶性低聚糖和葡萄糖單糖, 收率分別為57.2%和29.0%. 在酸性環(huán)境下, MSH能有效催化纖維素糖苷鍵斷裂, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%(HCl)LiBr熔鹽體系于100 ℃水解纖維素30 min后, 產(chǎn)物以寡聚葡萄糖為主, 聚合度在4～13之間. 酸性的提升可以提高糖苷鍵的斷鍵效率; 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%(HCl)LiBr在100 ℃, 30 min條件下水解纖維素, 葡萄糖得率可以達(dá)到90.9%.

纖維素； 葡萄糖； 熔鹽水合物； 水熱解聚； 酸性調(diào)控

木質(zhì)纖維素是自然界存在的最豐富的生物質(zhì)資源， 被認(rèn)為是化石燃料極優(yōu)的替代品. 纖維素作為木質(zhì)纖維類生物質(zhì)的主要組分之一， 大約占木質(zhì)纖維素干重的40%～60%［1］. 纖維素是一種可再生天然有機高分子聚合物［2］， 植物每年通過光合作用能產(chǎn)生大量纖維素類物質(zhì)， 其年產(chǎn)能超過1010噸［3］， 儲量極為豐富. 在能源行業(yè)， 纖維素類物質(zhì)的碳平衡接近中性， 其利用對環(huán)境保護發(fā)揮著至關(guān)重要的作用， 有助于減少因燃燒化石燃料造成的環(huán)境問題.

纖維素是由-葡萄糖單元通過-1，4-糖苷鍵連接的線性葡萄糖聚合物［4］， 可以被水解生成葡萄糖單糖， 進而制備多種高附加值化學(xué)品和高品質(zhì)燃料， 如各種醇、 5-羥甲基糠醛（HMF）、 乳酸、 葡萄糖酸、 2，5-二甲基呋喃、 戊酸酯和乙酰丙酸等［5］. 但纖維素中大量分子間和分子內(nèi)氫鍵的存在導(dǎo)致高結(jié)晶度結(jié)構(gòu)［6］， 引起強疏水性， 極大限制了催化劑對活性作用位點的可及性、 降低水解效率. 近年來的研究表明， 纖維素可以溶解在離子液體［7］和一些特殊溶劑中， 這類溶劑能有效破壞纖維素的氫鍵結(jié)構(gòu)、 降低結(jié)晶度［8］. LiBr， ZnCl2等熔鹽水合物被認(rèn)為是一種特殊的離子溶液， 它的陽離子可以和纖維素中的氧原子發(fā)生配位作用［9］， 并且高負(fù)電性的鹵族陰離子能夠與纖維素中的羥基配位， 從而產(chǎn)生新的氫鍵， 繼而破壞纖維素的高結(jié)晶度結(jié)構(gòu)、 增加纖維素的溶解度［10］. 纖維素能在熔鹽體系中得到比較充分的水解， 有助于纖維素進一步的轉(zhuǎn)化利用. 近年來， 國內(nèi)外學(xué)者對熔鹽體系下纖維素的解聚反應(yīng)進行了大量研究. Sen等［11］使用ZnCl2的濃鹽溶液處理纖維素， 發(fā)現(xiàn)該體系對于纖維素分子間與分子內(nèi)氫鍵的破壞有顯著效果. 與傳統(tǒng)的純水解聚體系相比， 熔鹽體系的反應(yīng)條件更溫和、 解聚效果更好. Yu等［12］確定了HCl/LiCl從纖維素生產(chǎn)葡萄糖的條件［2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HCl/50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）LiCl溶液用于80 ℃下水解纖維素］， 可以在1 h內(nèi)獲得高產(chǎn)率（＞60%）的葡萄糖. Wang等［13，14］研究了在LiCl·3H2O中葡萄糖轉(zhuǎn)化為5-羥甲基糠醛（HMF）和LA的過程， 在LiCl·3H2O和甲基異丁基酮（MIBK）組成的兩相體系中， 輔以NbPO4/HZSM-5為催化劑轉(zhuǎn)化纖維素合成乙酰丙酸， 產(chǎn)率達(dá)到94.0%； 并證明了該雙相溶劑抑制了HMF與腐殖酸的二次反應(yīng).

體系內(nèi)的酸度對纖維素的化學(xué)轉(zhuǎn)化效果也有很大的影響. Rodriguez等［15］研究了不同濃度、 酸度LiBr/H2SO4溶液對纖維二塘（一種纖維素替代分子）水解的影響， 證實纖維素的溶解和剝離速率高度取決于溶液中的酸度和離子的總濃度. Shen等［16］研究表明在ZnCl2中加入少量HCl可以調(diào)節(jié)纖維素的溶脹和水解效率； HCl濃度升高有利于纖維素的水解， 當(dāng)加入的HCl濃度達(dá)到1 mol/L， 纖維素全部水解為低聚糖或單糖. Sadula等［17］研究表明在LiBr-MSH（熔鹽水合物）和酸的協(xié)同作用下木聚糖能有效轉(zhuǎn)化為木糖（收率大于90%）， 木糖的收率隨LiBr和酸濃度的增加而增加， 但過高的酸濃度會導(dǎo)致木二糖和糠醛的出現(xiàn). 總的來說， 盡管熔鹽對纖維素的水解性能已有研究， 但水解作用機制尚不明確. 為了深入解析纖維素在熔鹽中的水解特性， 明晰陰陽離子在水解反應(yīng)過程中的貢獻程度， 本文采用不同陰陽離子配比的熔鹽溶液對纖維素進行水解. 以低聚糖和葡萄糖收率為評價標(biāo)準(zhǔn)， 對纖維素在非酸化和酸化熔鹽體系中的水解情況進行了研究， 最終指導(dǎo)適配型熔鹽體系的篩選， 同時通過探究酸度的改變對纖維素在熔鹽體系中轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律， 掌握熔鹽體系對纖維素的催化特性.

1 實驗部分

1.1　試劑與儀器

微晶纖維素， 純度99%， 阿拉?。ㄖ袊┰噭┯邢薰荆?溴化鋰（LiBr， 純度99%）、 氯化鋰（LiCl， 純度98%）、 碘化鋰（LiI， 純度98%）、 氯化鈉（NaCl， 純度98%）、 溴化鈉（NaBr， 純度98%）、 碘化鈉（NaI， 純度98%）、 氯化鉀（KCl， 純度98%）、 溴化鉀（KBr， 純度98%）、 碘化鉀（KI， 純度98%）、 氯化鋅 （ZnCl2， 純度98%）和溴化鋅（ZnBr2， 純度98%）， 美國Sigma-Aldrich公司； 硫酸（H2SO4， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）和鹽酸（HCl， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.7%）， 廣州化學(xué)市試劑廠.

LC-20AT型高效液相色譜（HPLC）， 美國安捷倫公司； Rapiflex MALDI Tissuetyper 型基質(zhì)輔助激光解吸飛行時間質(zhì)譜儀（MALDI-TOF/TOF）， 瑞士Bruker公司； GPC 50 型凝膠滲透色譜（GPC）， 美國 Agilent公司； MIRA LMS 型掃描電子顯微鏡（SEM）， 捷克TESCAN公司.

1.2　實驗過程

1.2.1熔鹽水合物的配制通過在去離子水中溶解特定量的無機鹽來制備一系列的熔鹽水合物， 熔鹽水合物的陽離子水合數(shù)大于等于水和陽離子的摩爾比， 以LiBr為例， 將12 g LiBr固體加入50 mL離心管中， 再加8 g蒸餾水， 振蕩超聲至固體完全溶解， 存放好用于后續(xù)實驗. LiI， NaBr鹽常溫溶解度略小于計算濃度， 采用提高溫度溶解的方法， 分別升溫為50和40 ℃； NaCl， KCl， KBr這3種鹽在常溫下的溶解度低于理論計算所需的濃度， 提高溫度的方法并不能提升它們在水中的溶解度. 因此， 選擇使用NaCl， KCl， KBr的飽和溶液來進行實驗. NaCl加熱至100 ℃溶解度為28%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）， 建議配制濃度為26%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）； KCl 加熱至100 ℃時溶解度為36%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）， 每升高10 ℃溶解度約增加1%， 建議配制濃度為25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）； KBr 加熱至100 ℃時， 溶解度為50.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）， 建議濃度配制為40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）. 其中每種MSH的水與鹽的摩爾比列于表1.

Table 1　Molar ratio of water to salt and cation coordination number in molten salt hydrate

1.2.2微晶纖維素在熔鹽體系內(nèi)的水熱解聚為了了解纖維素在熔鹽體系中的解聚機制， 提高纖維素的水解效率， 以微晶纖維素（MCC）為原料在熔鹽體系下直接進行水解反應(yīng)， 可分別獲得葡萄糖、 水溶性聚糖、 無定型纖維素以及未反應(yīng)纖維素4種產(chǎn)物， 實驗流程如Scheme 1 所示.

Scheme 1Experimental process of preparing monosaccharide by converting microcrystalline cellulose in molten salt system

非酸化體系： 每次實驗取100 mg微晶纖維素與6 g熔鹽水合物加入厚壁耐壓瓶， 密封好厚壁耐壓瓶， 置于油浴鍋中反應(yīng). 反應(yīng)條件為130 ℃， 水解5 h， 收集水解產(chǎn)物， 收集后進行抽濾， 將固體、液體產(chǎn)物分開保存. 酸化體系： 每次實驗取100 mg微晶纖維素和6 g 酸性熔鹽水合物（HCl濃度為 0.05 mol/L）加入厚壁耐壓瓶， 密封后置于油浴鍋中反應(yīng). 反應(yīng)條件為85 ℃， 水解30 min， 收集水解產(chǎn)物后進行抽濾， 將固液產(chǎn)物分開保存.

1.2.3分析檢測方法將過濾后獲得的液相產(chǎn)物用去離子水稀釋10倍， 直接通過HPLC測量葡萄糖 濃度， 計算可得液相產(chǎn)物中的葡萄糖含量. 接著按照美國能源實驗室（NERL）公布的方法， 通過使用 稀硫酸將水解液中的水溶性聚糖水解成葡萄糖來測量計算液相產(chǎn)物中水溶性聚糖的含量， 具體操作 方法如下： 將過濾后得到的1 g水解產(chǎn)物加入到厚壁耐壓管（15 mL， 北京欣維爾有限公司）中， 再加入5 g 4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）H2SO4， 在磁力攪拌下置于121 ℃的油浴鍋中反應(yīng)1 h. 通過HPLC檢測葡萄糖含量， 計算得水溶性聚糖含量. 無定型纖維素的含量則是通過用稀酸水解固體產(chǎn)物后獲得的葡萄糖量來進行定量. 將固體中的無定型纖維素水解成葡萄糖， 向過濾后獲得的固相產(chǎn)物中加入30～40 mL 4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）H2SO4， 在磁力攪拌下置于121 ℃的油浴鍋中反應(yīng)1 h， 經(jīng)過過濾后用HPLC直接測定反應(yīng)液中葡萄糖含量， 通過計算得到無定型纖維素的含量. 未反應(yīng)纖維素的含量通過濃-稀酸水解固體產(chǎn)物后獲得的葡萄糖量來進行定量. 先用去離子水沖洗固體剩余物表面殘留的葡萄糖， 洗凈的固體剩余物與1 mL 72%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） H2SO4混合， 在30 ℃的油浴鍋中反應(yīng)1 h. 然后向反應(yīng)混合物中加入28 mL去離子水， 將濃度從72%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）稀釋至4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）， 并在121 ℃下反應(yīng)1 h. 經(jīng)過過濾后用HPLC直接測定反應(yīng)液中葡萄糖含量， 通過計算得到未反應(yīng)纖維素的含量.

1.3　不同酸度LiBr熔液的配制

配制不同酸度的60%LiBr 溶液（MSH）. 首先制備濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0.1%， 0.05%， 0.01%， 0.001%的HCl溶液. 然后向12 g LiBr中分別加入8 g各濃度HCl溶液， 振蕩超聲至固體完全溶解， 配制成各種酸度的60%LiBr溶液（MSH）. 微晶纖維素在不同酸度熔鹽下直接進行水解反應(yīng)， 可分別獲得葡萄糖、 水溶性聚糖、 無定型纖維素以及未反應(yīng)的纖維素4種產(chǎn)物. 后續(xù)HPLC分析檢測方法與1.2.3節(jié)一致.

1.4　纖維素水解后聚糖聚合度的分析

利用GPC和MALDI測定低聚糖分子量. 測定前需要通過透析移除水解液中的 LiBr 鹽. 具體步驟如下： 將適量熔鹽溶液的水解液直接加入15 cm的透析管中（T3， Cellu-Sep）. 將透析袋置于1000 mL燒杯中并向其中加滿去離子水， 以100 r/min的低速旋轉(zhuǎn)攪拌， 直至管內(nèi)溶液由黃色澄清溶液變?yōu)榘咨鯛畛恋? 隨后將沉淀洗出， 在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器內(nèi)蒸干， 水浴溫度設(shè)定60 ℃.

旋蒸后得到的樣品再經(jīng)功能化修飾， 使之在四氫呋喃（THF）流動相內(nèi)變得可溶， 可用于 GPC 以及 MALDI 的檢測. 選取了5種不同的樣品進行分析， 分別是微晶纖維素在LiCl， LiBr， LiI 3種熔鹽體系中， 130 ℃的溫度下， 經(jīng)5 h水解的產(chǎn)物； 以及加酸熔鹽部分的0.001%（HCl）LiBr（100 ℃， 30 min）和0.01%（HCl）LiBr（100 ℃， 30 min）的產(chǎn)物. 功能化方法如下： 將透析烘干后得到的5 mg干燥固體樣品與0.2 mL異氰酸苯酯、 2 mL無水吡啶一起加入15 mL的厚壁耐壓管內(nèi)， 置于80 ℃油浴鍋中反應(yīng)24 h. 隨后向反應(yīng)后得到的黃色澄清液中加入0.5 mL甲醇終止反應(yīng)， 再將反應(yīng)后的混合物在65 ℃的真空干燥箱中過夜烘干. 經(jīng)修飾后的材料可以溶于THF， 使用GPC以及MALDI對溶解后的產(chǎn)物進行分子量測定. 其中， GPC色譜柱和折光示差（RI）檢測器溫度保持在40 ℃， 流速為1 mL/min， 以THF作為流動相. 可測的相對分子量范圍為104～3×106的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）標(biāo)準(zhǔn)測量分子量. 衍生化后的聚糖分子量按公式w=519×DP+256計算（DP表示聚糖的聚合度）.

MALDI檢測： 樣品經(jīng)THF溶解后， 將溶液與10 mg/mL的2，5-二羥基苯甲酸按照體積比1∶1的比例混合. 經(jīng)短暫的攪拌混合后取1 μL的樣品在正離子線性模式下， 選取最小激光流進行檢測. 產(chǎn)物分子量的測定范圍在103～1.2×104之間.

1.5　不同酸度LiBr水解纖維素產(chǎn)物的微觀形貌分析

通過SEM對0， 0.001%， 0.01%（HCl）LiBr 熔鹽體系在100 ℃下水解30 min后得到的微晶纖維素產(chǎn)物進行了檢測. SEM測試電壓為2.0 kV， 樣品在4 mm轉(zhuǎn)子中充電， 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率為5000 Hz. 從SEM照片分析酸性LiBr熔鹽水解纖維過程產(chǎn)物的形貌.

2 結(jié)果與討論

2.1　非酸系熔鹽體系中不同陰陽離子對纖維素水解的影響

為了篩選可有效將纖維素水解的熔鹽水合物， 研究評價了幾種不同的熔鹽水合物在相同反應(yīng)條件下（130 ℃， 水解5 h）催化纖維素水解的效果. 反應(yīng)水解產(chǎn)物分布如圖1所示. 結(jié)果表明， 在非酸化條件下， LiCl溶液與纖維素反應(yīng)， 未反應(yīng)纖維素得率64.1%， 無定型纖維素得率3.3%， 水解產(chǎn)物是淡黃色溶液和沉淀. 未反應(yīng)纖維素得率較高的主要原因可能是： LiCl中路易斯酸Li+與纖維素中的氧原子產(chǎn)生反應(yīng)而發(fā)生電子轉(zhuǎn)移， 選擇性地催化糖苷鍵斷裂. 但路易斯堿Cl?的電負(fù)性不足以與纖維素中的羥基形成足夠的新的氫鍵， 陰陽離子的協(xié)同作用不強. 60% LiBr被證明是一種可克服結(jié)晶纖維素結(jié)構(gòu)的高結(jié)晶度和高聚合度的熔鹽水合物. 圖1中的結(jié)果表明， 利用60% LiBr水解纖維素可獲得29.0%的葡萄糖收率以及57.2%的水溶性聚糖收率， 表明纖維素經(jīng)過熔鹽處理后， 可選擇性水解至葡萄糖或水溶性 聚糖.

通過觀察60% LiBr水解纖維素的反應(yīng)現(xiàn)象， 發(fā)現(xiàn)其形成了淺黃色透明溶液， 基本沒有固體剩余［圖2（A）］， 表明60% LiBr可以很好地完全水解纖維素且不會反應(yīng)過度. 利用60% LiBr高效水解纖維素是因為高負(fù)電的Br?與纖維素中的羥基形成大量新的氫鍵， 增加了纖維素的親水性. 同時， 濃鹽溶液中大量的路易斯酸Li+選擇性地催化糖苷鍵斷裂. 陽離子和陰離子的協(xié)同作用降低了纖維素的結(jié)晶度和聚合度， 從而達(dá)到提高纖維素水解效率的目的. LiI溶液與纖維素反應(yīng)， 水溶性聚糖得率1.89%， 無定型纖維素得率20.1%， 未反應(yīng)纖維素得率43.1%. LiI中路易斯酸Li+與纖維素中的氧原子產(chǎn)生反應(yīng)而發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移， 選擇性地催化糖苷鍵斷裂， 路易斯堿I?具有較強的還原性， 陰陽離子的協(xié)同作用下對纖維素固有結(jié)構(gòu)有較強的破壞性， 得到了一定量的無定型纖維素. 實驗現(xiàn)象中水解產(chǎn)物為黑色漿液， 是該實驗過程中I?發(fā)生氧化生成了單質(zhì). I?發(fā)生氧化生成單質(zhì)在一定程度上降低了溶液中陰陽離子的協(xié)同作用.

NaCl， NaBr， NaI溶液與纖維素反應(yīng)的實驗現(xiàn)象如圖2（B）所示， 產(chǎn)物以未反應(yīng)纖維素為主， 得率分別為92.6%， 90.4%， 58.7%. 無定型纖維素得率分別為2.42%， 1.55%， 3.71%， 3種Na鹽水解纖維素效果較差， 原因可能是： 低濃度的Na+受限于在水中的有限溶解度， 并沒有足夠的陽離子與纖維素中的氧原子發(fā)生作用， 無法為糖苷鍵斷裂提供足夠的路易斯酸度， 對纖維素固有結(jié)構(gòu)的破壞性不強， 生成產(chǎn)物較少； 熔鹽中的陰離子Cl?的電負(fù)性不足以與纖維素中的羥基形成足夠的新的氫鍵， 這意味著熔鹽水合物中的負(fù)離子無法取代鏈內(nèi)和鏈間的氫鍵， 不能破壞纖維素的原有結(jié)構(gòu)， 并在結(jié)構(gòu)上增強纖維素的親水性， 導(dǎo)致纖維素水解性能不好［18］.

KCl， KBr， KI， CH3COOK溶液與纖維素反應(yīng)的實驗現(xiàn)象如圖2（C）所示， 反應(yīng)后， 未反應(yīng)纖維素得率分別為93.1%， 86.4%， 88.8%， 69.7%. K鹽對纖維素的破壞能力不足主要受限于K+在水中的有限溶解度. 使用CH3COOK水解纖維素可以得到0.7%的葡萄糖收率和3.13%無定型纖維素收率， 熔鹽溶液中陰離子與氫鍵結(jié)合能力越強， 溶解纖維素的能力也越強， 所以在溶解纖維素的過程中， CH3COO?更容易與羥基形成氫鍵而實現(xiàn)纖維素的溶解［19， 20］， 所以CH3COOK比其它K+熔鹽溶液水解纖維素葡萄糖收率要多一些.

ZnBr2， ZnCl2催化微晶纖維素水解的過程中產(chǎn)生的葡萄糖量較少， 碳平衡較低， 其實驗現(xiàn)象中水解產(chǎn)物為黑色漿液［圖2（D）］， 這可能是由于腐殖質(zhì)的形成， 表明在這些條件下催化微晶纖維素水解反應(yīng)過度.

2.2　在非酸熔鹽體系水解得到的低聚糖分子量測定

使用了GPC對分子的摩爾質(zhì)量進行測定， 依據(jù)1.4節(jié)中的方法對產(chǎn)物的聚合度進行相應(yīng)的計算. 對微晶纖維素在LiCl， LiBr， LiI 3種熔鹽體系中， 130 ℃下， 經(jīng)5 h水解的產(chǎn)物采用GPC測試樣品的平均摩爾質(zhì)量（w）和DP.

相同條件（130 ℃， 5 h）下LiCl溶液水解后所得樣品的w為1.256×105、 聚合度為241， LiI溶液水解后樣品的w為8.27×104、 聚合度為159. LiI對纖維素內(nèi)部的氫鍵以及糖苷鍵的破壞相較于LiCl更有效， 這得益于路易斯堿I?電負(fù)性更強， 足以與纖維素中的羥基形成足夠新的氫鍵， 陰陽離子協(xié)同作用強. 此外， 在LiBr 130 ℃ 5 h條件下， GPC未能檢測出熔鹽體系水解下轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的平均摩爾質(zhì)量， GPC能檢測到的最小聚糖的聚合度為115， 因此LiBr水解產(chǎn)物的聚合度應(yīng)該是小于115的. 這也說明了Li鹽部分， LiBr對纖維素內(nèi)部氫鍵以及糖苷鍵的破壞效果最為顯著. LiI與纖維素反應(yīng)后呈現(xiàn)黑色漿液， 是碘單質(zhì)的顏色； 不添加纖維素原料， 用LiI做空白實驗， 用四氯化碳萃取， 四氯化碳呈現(xiàn)粉紅色， 證明了反應(yīng)后碘單質(zhì)的存在. 在該實驗過程中碘發(fā)生氧化生成了單質(zhì)， 單質(zhì)的形成使離子濃度下降， 降低了纖維素水解效果， 因此聚合度會比LiBr高.

2.3　在酸系熔鹽體系中不同陰陽離子對選擇性水解纖維素制備單糖的影響

結(jié)果如圖3所示， 在酸化條件下， LiCl溶液與纖維素反應(yīng)， 未反應(yīng)纖維素得率88%， 無定型纖維素得率2.2%， 水解產(chǎn)物是白色溶液和沉淀. LiCl對纖維素解聚性能不好的原因與在非酸體系下的原因相同， 熔鹽體系中陰陽離子的協(xié)同作用差. 在酸化體系熔鹽對比研究中， 60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）LiBr仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的性能， 水解纖維素可獲得41.2%的葡萄糖收率以及46.9%的水溶性聚糖收率， 能顯著地提高纖維素轉(zhuǎn)化率， 促進纖維素的水解效率. 相比于非酸體系， 酸化體系下LiI的水解效率有較為明顯的提升， 有12.9%的葡萄糖收率和61.9%的水溶性聚糖收率. 酸化下的反應(yīng)條件為85 ℃， 30 min， 在該條件下I?不會發(fā)生氧化反應(yīng)生成單質(zhì)， 路易斯堿I?具有較強的還原性， 與Li+建立較強的陰陽離子協(xié)同作用， 同時酸的加入有利于纖維素的水解， 這也使得LiI的反應(yīng)有較高的葡萄糖和水溶性聚糖得率.

Fig.3　Product distribution after hydrolysis of microcrystalline cellulose in acid system

在酸性條件下， NaCl， NaBr， NaI， KCl， KBr， KI和CH3COOK溶液幾乎不與纖維素反應(yīng)， 反應(yīng)后主要產(chǎn)物為未反應(yīng)纖維素， 其余產(chǎn)物幾乎沒有（無定型纖維素得率均小于＜2%）， 結(jié)果與非酸熔鹽體系下水解纖維素相類似. 7種熔鹽對纖維素高結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞能力弱， 極大限制了酸對纖維素糖苷鍵的可及性并且酸用量較少， 因此即便有了酸的加入這7種熔鹽對纖維素的水解能力仍較差.

在非酸體系條件下， ZnCl2和ZnBr2的反應(yīng)產(chǎn)物呈現(xiàn)反應(yīng)過度的黑色漿液狀， 在酸化體系下， ZnCl2和ZnBr2纖維素輕微水解. 酸化體系下ZnCl2有3.7%的無定型纖維素收率； ZnBr2有13.9%的無定型纖維素以及7.6%的水溶性聚糖收率， 其原因可能是： 其高負(fù)電性的鹵族陰離子Br?與纖維素的羥基作用， 產(chǎn)生新的氫鍵， 使纖維素結(jié)構(gòu)改變， 形成少量無定型纖維素， 同時其路易斯酸Zn2+產(chǎn)生了強酸性， 有利于水溶性聚糖的產(chǎn)生. 但由于酸化體系下反應(yīng)條件不劇烈， 所以無定型纖維素以及水溶性聚糖的得率并不高.

在酸性條件下， LiCl， LiBr， LiI， NaCl， NaBr， NaI， KCl， KBr， KI， CH3COOK， ZnCl2和ZnBr2溶液與纖維素反應(yīng)的實驗現(xiàn)象見圖4.

Fig.4　Experimental phenomenon diagram of the reaction solution after the acidification system reaction

2.4　酸度對纖維素在熔鹽體系下轉(zhuǎn)化的影響

基于上述實驗結(jié)果， 纖維素在高濃度LiBr（60%）體系中極易發(fā)生水解， 且產(chǎn)物受酸度影響極大， 通過改變HCl 的添加量， 調(diào)節(jié)體系的pH 值， 對比不同pH 值下獲得的產(chǎn)物收率（針對葡萄糖和水溶性低聚糖）和物理性質(zhì)， 獲得纖維素水解產(chǎn)物的調(diào)控規(guī)律.

Fig.5　Effect of acidity on the transformation of cellulose in molten salt system

由圖5可知， 不添加HCl或HCl質(zhì)量濃度為0.001%時， 纖維素在實驗溫度下（80～120 ℃）基本不發(fā)生反應(yīng). 當(dāng)HCl質(zhì)量濃度為0.01%時， 纖維素在熔鹽體系內(nèi)水解生成水溶性聚糖的得率隨溫度的升高而升高， 80， 90和100 ℃水溶性聚糖得率分別為8.4%， 15.6%和59.6%. 反應(yīng)溫度達(dá)到110和120 ℃， 水溶性聚糖收率逐漸降低， 分別為47.7%和42.4%. 當(dāng)HCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時， 水解結(jié)果的趨勢與0.01%時大致相同， 纖維素在熔鹽體系內(nèi)水解生成葡萄糖得率也隨溫度的升高而升高， 升高至120 ℃時略有降低. 這說明了溫度升高有助于纖維素的水解， 但高溫條件下葡萄糖收率降低， 產(chǎn)物顏色近乎黑色也表明過高的溫度（110和120 ℃）以及酸性濃度增大這兩點因素作用下容易使纖維素水解過度， 使水解得到的糖降解為胡敏素等副產(chǎn)物［21］.

隨著體系內(nèi)酸性的增強， 轉(zhuǎn)化率逐漸提升， 葡萄糖的收率不斷增加， 并且纖維素的水解產(chǎn)物有著從未反應(yīng)纖維素→無定型纖維素→水溶性聚糖→葡萄糖的轉(zhuǎn)變趨勢. 以100 ℃為例， 當(dāng)HCl的濃度為0.001%時， 無定形纖維素收率為9.7%， 未反應(yīng)纖維素收率為75.1%， 其余組分收率為0. 隨著酸性增強， 濃度為0.01%時出現(xiàn)水溶性聚糖， 收率為59.6%； 未反應(yīng)纖維素含量僅為33.0%. 當(dāng)濃度為0.05%時， 水溶性聚糖收率降為13.0%， 轉(zhuǎn)化為葡萄糖， 得率80.1%. 當(dāng)濃度為0.1%時， 葡萄糖收率達(dá)到最高的90.9%. 酸濃度的提高使得生物質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重， 因為糖苷鍵的斷裂有賴于高濃度的氫離子［22，23］. 從碳平衡角度分析， 隨著酸濃度的增加， 圖5中所示物質(zhì)總的得率逐漸小于100%， 這極可能是因為在較大酸濃度作用下糖降解而形成別的物質(zhì)， 如糠醛和HMF［24］.

不同溫度、 不同酸性濃度的LiBr溶液水解纖維素的實驗現(xiàn)象如圖6所示.

Fig.6　Physical map of hydrolysis of cellulose in LiBr solution with HCl different concentration(mass fraction) under acidic conditions

（A） 80 ℃；（B） 90 ℃；（C） 100 ℃；（D） 110 ℃；（E） 120 ℃.

為了進一步探究熔鹽水合物在水解纖維素中發(fā)揮的作用， 將熔鹽水合物水解纖維素與酸水解纖維素進行對比. 酸水解纖維素的結(jié)果列于表2中.

Table 2　Hydrolyzed cellulose in different systems and under different conditions

SriBala等［25］使用65%， 70%的H2SO4在25和40 ℃條件下水解纖維素20 h獲得葡萄糖的得率分別約為30%， 10%. 根據(jù)Li等［26］的研究， 在180～220 ℃的條件下， 使用pH約為1.66的H2SO4水解纖維素， 最高的產(chǎn)率不超過50%. Kanchanalai等［27］使用20%～50% H2SO4在80～100 ℃條件下水解纖維素獲得的葡萄糖得率為10%～26%. 除此之外， 還有利用低溫和高酸濃度、 高溫（超過150 ℃）和低酸濃度等方法水解纖維素， 但其葡萄糖產(chǎn)率均不高［25，28，29］. 而在LiBr熔鹽體系下， 纖維素在90 ℃， 0.1% HCl條件下反應(yīng)30 min便可以獲得42.92%的葡萄糖得率. 當(dāng)反應(yīng)條件為100 ℃， 0.1% HCl時甚至可以獲得90.9%的葡萄糖得率. 熔鹽體系能夠有效地破壞纖維素高結(jié)晶度結(jié)構(gòu)， 增加纖維素溶解度， 致使糖苷鍵暴露. 苷鍵具有縮醛結(jié)構(gòu)， 對酸不穩(wěn)定， 而60% LiBr體系又能顯著增強H+活性， 在熔鹽和酸雙重作用下苷鍵斷裂形成苷元和碳正離子中間體， 繼而溶劑化成糖， 因此熔鹽與酸耦合作用具有遠(yuǎn)超單純用酸水解纖維素的水解效率.

2.5　不同酸度熔鹽體系水解得到的固體產(chǎn)物形貌

通過SEM對0， 0.001%和0.01%（HCl）LiBr熔鹽體系在100 ℃下水解30 min后得到的微晶纖維素產(chǎn)物進行了檢測. 如圖7（A1）～（A3）所示， 未加入酸的LiBr水解纖維素產(chǎn)物呈現(xiàn)為較大的塊狀纖維素， 表面和切面都相對平整光滑. LiBr并未對纖維素造成明顯破壞， 因此纖維素的形貌結(jié)構(gòu)得以保留完整.

Fig.7　SEM images of solid products obtained from cellulose hydrolysis of LiBr at different acidities with different magnifications

（A1—A3） 0 （HCl）LiBr； （B1—B3） 0.001% （HCl）LiBr； （C1—C3） 0.01% （HCl）LiBr.

然而， 添加了0.001% HCl后， LiBr對纖維素的水解得到有效促進， 如圖7（B1）～（B3）所示， 產(chǎn)物中出現(xiàn)了更多小塊狀纖維素， 其表面粗糙不規(guī)則， 并且形成了海綿結(jié)構(gòu)， 部分纖維素轉(zhuǎn)化為無定型狀態(tài). HCl的加入導(dǎo)致LiBr對纖維素發(fā)生明顯的破壞作用.

進一步提高酸度至0.01%（HCl）LiBr體系， 產(chǎn)物呈現(xiàn)更小的塊狀顆粒， 每個顆粒的表面都十分粗糙， 并且固體顆粒呈多孔結(jié)構(gòu)［圖7（C1）～（C3）］. 與未加酸的0%（HCl）LiBr水解纖維素相比， 在SEM照片中觀察到了明顯的結(jié)構(gòu)差異. HCl的加入使得纖維素在LiBr溶液中即使在較溫和的反應(yīng)條件下也發(fā)生了較為劇烈的水解.

2.6　酸性熔鹽體系水解得到的低聚糖分子量測定

分別對0.001%（HCl）LiBr、 0.01%（HCl）LiBr熔鹽體系100 ℃水解微晶纖維素30 min的產(chǎn)物進行了 MALDI檢測. 0.001%反應(yīng)產(chǎn)物以未反應(yīng)纖維素和無定型纖維素為主， 0.01%產(chǎn)物則以水溶性聚糖為主， 兩者聚合度存在明顯差異. 檢測的（0.001% LiBr， 100 ℃， 30 min）樣品無法測出產(chǎn)物的分子量. 這說明0.001%水解產(chǎn)物的聚合度應(yīng)該是大于23（MALDI所能檢測到的最大聚糖的聚合度為23）， 在該條件下纖維素水解產(chǎn)物冷卻后會發(fā)生凝固現(xiàn)象， 分析是因為0.001%的酸性環(huán)境并不能很好地促進纖維素糖苷鍵的斷裂， 使得纖維素的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)保存相對完好， 生成了水凝膠等物質(zhì)［30，31］， 這與MALDI測不出具體聚合度相印證. 0.01% LiBr熔鹽體系100 ℃水解30 min后的產(chǎn)物分布圖如圖8所示. 該條件下水解產(chǎn)物得到一系列含不同葡萄糖單元的混合物， 產(chǎn)物聚合度在4～13之間. 酸度的增強有利于熔鹽體系下纖維素糖苷鍵的斷裂， 降低產(chǎn)物的聚合度， 當(dāng)酸度增加到0.05%或0.1%時產(chǎn)物主要以單糖葡萄糖為主.

Fig.8　Distribution of product molar mass and polymerization degree of microcrystalline cellulose hydrolyzed at 100 ℃ for 30 min in 0.01%(HCl) LiBr solution

3 結(jié) 論

熔鹽水合物水解纖維素能有效地打破纖維素表面的致密結(jié)構(gòu)、 降低纖維素結(jié)晶度和聚合度， 通過添加微量均相酸進一步破壞內(nèi)部氫鍵和斷裂-（1，4）糖苷鍵， 實現(xiàn)纖維素在溫和條件下高效水解， 在不同陰陽離子熔鹽中， 陽離子Na+和K+在水中的有限溶解度導(dǎo)致沒有足夠的陽離子與纖維素中的氧原子發(fā)生作用， 無法為糖苷鍵斷裂提供足夠的路易斯酸度而導(dǎo)致纖維素水解性能不佳； 熔鹽中的陰離子Cl?的電負(fù)性不足以與纖維素中的羥基形成足夠的新的氫鍵， 而導(dǎo)致纖維素水解性能不佳. 在非酸化體系中， 130 ℃， 5 h的反應(yīng)條件下， 纖維素在LiBr熔鹽體系內(nèi)可以被選擇性水解為水溶性低聚糖和葡萄糖單糖， 收率分別為57.2%和29.0%. 隨著酸的加入， 即使體系的反應(yīng)條件相對溫和（溫度為85 ℃、 時間為30 min）， LiBr熔鹽依舊具有相對較高的纖維素水解效率， 可獲得41.2%的葡萄糖收率以及46.9%的水溶性低聚糖收率. 通過調(diào)節(jié)酸度來探究纖維素在熔鹽體系中的轉(zhuǎn)化規(guī)律， 當(dāng)熔鹽體系中酸性濃度較低時， 纖維素水解程度很小， 水解產(chǎn)物基本為未反應(yīng)的纖維素， 而隨著酸性的增強， 纖維素開始沿著從未反應(yīng)纖維素→無定形纖維素→水溶性低聚糖→葡萄糖這一轉(zhuǎn)變趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)化. 在本實驗設(shè)置的水解條件中， 酸性條件下纖維素水解產(chǎn)物分布受溫度影響較大. 提高溫度能夠促進反應(yīng)進行， 降低對熔鹽體系中酸性濃度的要求. 隨著溫度的升高， 在同一HCl濃度下， 熔鹽體系中的纖維素水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖的程度也逐漸增大， 但達(dá)到臨界溫度后繼續(xù)升高溫度會導(dǎo)致副反應(yīng)的生成， 使得葡萄糖收率下降， 甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象. 相較于酸水解纖維素， 酸與熔鹽耦合作用下極大降低了纖維素水解所需的酸用量， 0.1%（HCl）LiBr在100 ℃， 30 min條件下水解纖維素， 葡萄糖得率可以達(dá)到90.9%.

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Glucose Production from CelluloseSelective Hydrolysis in Molten Salt Hydrate

LIANGHaotong， LINJianying， YUANShaomin， MAQiaozhi*

（，，510642，）

To address the challenges of the unclear mechanism of cellulose dissolution and hydrolysis in molten salt hydrate（MSH）. This work systematically studied the hydrolysis of cellulose in molten salts hydrate consisting of different cations（.， Li+， Na+， K+， Zn2+）， and anions（.， Cl?， Br?and I?）， and screened the best molten salt for cellulose hydrolysis， LiBr， and studied the effect of acidity on cellulose hydrolysis. The result indicated that the limited solubility of the cation Na+and K+resulted in the insufficient coordination between cations and oxygen atoms in the cellulose， which cannot provide sufficient Lewis acidity for glycosidic bonds cleavage. Additionally， the anion Cl?in MSH has limited electronegativity， which cannot form massive hydrogen bonds with the hydroxyl groups in cellulose， resulting in a limited solubility and thereby caused negative effect on hydrolysis. Under the reaction conditions of 130 ℃ and 5 h in a non-acidified system， cellulose can be selectively hydrolyzed into water-soluble oligosaccharides and glucose with the yield of 57.2% and 29.0%， respectively. The results also show that the MSH can catalyze the cleavage of cellulose glycoside bonds and decrease the cellulose degree of polymerization（DP） in an 0.01%（HCl） dilute acidic MSH at 100 ℃ for 30 min ranging from 4 and 13. Improvement of acidity can enhance the cleavage efficiency of glycosidic bond cleavage. When the acidity increased to 0.1%（HCl）， a high yield of glucose at 90.9% can be achieved at 100 ℃ for 30 min.

Cellulose； Glucose； Molten salt hydrate； Hydrolysis； Acid regulation

2023-04-28

馬巧智, 女, 博士, 講師, 主要從事生物質(zhì)能源化利用研究. E-mail: maqzhi@scau.edu.cn

國家重點研發(fā)計劃項目(批準(zhǔn)號: 2018YFB1501402)、 國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 51906072)、 廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(批準(zhǔn)號: 2023A1515011661)和廣州基礎(chǔ)研究計劃基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(批準(zhǔn)號: 202201010254)資助.

O643

A

10.7503/cjcu20230218

2023-09-01.

Supported by the National Key Research and Development Program， China(No.2018YFB1501402), the National Natural Science Foundation of China(No.51906072), the Guangdong Provincial Basic and Applied Basic Research Fund, China(No.2023A1515011661) and the Guangzhou Basic Research Program, Basic and Applied Research Project, China(No.202201010254).

（Ed.： V， K， S）