微波处理对纤维素产糖能力的影响

巩桂芬，吴谙宇，朱丽娜，王晓惠

（哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

微波处理对纤维素产糖能力的影响

巩桂芬，吴谙宇，朱丽娜，王晓惠

（哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

采用纤维素为原料，以离子液体为溶剂，在微波辐射下进行纤维素的预处理。预处理完成后进行再生纤维素的酶解产糖，并采用DNS分光光度计法进行还原糖产率的测定，进而分析微波功率与时间对再生纤维素还原糖产率的影响。还原糖转化率最佳值（96.21%）出现在微波功率为230W处理5min时；稻杆产糖量随着微波时间的延长而呈现先上升后下降的趋势；在较强的功率539W条件下，延长作用时间则会引起还原糖转化率的上升，但继续延长时间，溶剂完全喷溅，难以继续进行处理。

材料学；纤维素；微波

前言

有限的石化燃料储备和全球气候的变化使得人们日益关注利用可再生生物原料进行能源生产。纤维素为可生物降解的天然生物质原料，分布广泛且来源丰富。它有着合适的C，H，O比例，其水解产物主要是葡萄糖和木糖，通过糖类可进一步转化为乙醇等重要能源。离子液体，是在绿色化学的框架下发展起来的全新液态介质和“软”功能材料，因其具有不挥发、不氧化、高稳定性、易回收和设计性强等特点而受到广泛关注。采用离子液体溶胀破坏纤维素晶区结构，将纤维素处理又再生，增大其与纤维素酶的接触可及性，提高还原糖产率。

微波加热技术应用于化学领域，形成了一门新的学科-微波化学，指同一反应在不同的微波加热条件下进行，具有反应速度快、产率高、价格低廉及对环境友好的特点。我国在利用微波预处理纤维素原料领域中已进行实验室阶段研究。朱圣东[1～2]等比较不同微波预处理方式对稻草糖化过程影响，研究发现：微波/碱预处理可以提高稻草糖化初始速度；2010年，Gong Guifen等[3]通过正交试验，采用微波/有机酸法对稻秆进行预处理，有效提高还原糖产糖率，结果表明在固液比为1∶15、酸浓度为25%、微波时间为5min及微波功率为230W条件下，微波/乙酸和微波/丙酸法处理后所得稻秆还原糖产率分别达71.41%和80.08%。丁长河[4]等通过微波法处理玉米芯制备低聚木糖产物较单一，玉米芯经稀碱液浸泡后微波处理，木聚糖提取率和水解液还原糖含量均升高，且其主要成分是木二糖，糠醛含量少。

研究人员采用微波法合成离子液体[5～6]，用微波加热替代传统加热合成离子液体，提高反应速率，得到的离子液体对不同种类纤维素物质均具有较强的溶解力。于颖敏[7]以咪唑类离子液体为研究对象，以氯代正丁烷与1-甲基咪唑为原料在微波反应仪中合成1-丁基-3-甲基咪唑氯（[BMIM]Cl），并通过正交实验研究各种因素对合成过程的影响。王广征[8]在微波加热条件下在磷酸中处理纤维素得到葡萄糖，节省反应时间、缩短了反应周期。

本文以木质纤维素为原料，研究离子液体预处理过程中微波辐射对纤维素产糖能力的影响，并进行性能测试。

1 实验部分

1.1 实验原料和试剂

稻杆纤维素、AgNO3溶液、柠檬酸、纤维素酶、3, 5-二硝基水杨酸（DNS）、葡萄糖、乙酸乙酯、N-甲基咪唑、氯丙烯。

1.2 实验仪器

微波炉:750W,功率可调,广东顺德格兰仕电器有限公司生产；721型分光光度计，上海精密仪器有限责任公司；FEI SIRIONW扫描电子显微镜，荷兰飞利浦公司；Nicolet-Nexus670型红外光谱仪，美国Nicolet公司。

1.3 [AMIM]Cl的合成

N-甲基咪唑与氯丙烯体积比为5∶8，加入100mL三口瓶中于80℃水浴加热7h，蒸发多余氯丙烯后冷却至室温，用乙酸乙酯洗涤三次，除去未反应的N-甲基咪唑和氯丙烯，于50℃烘干后得到金黄色黏稠液体。

1.4 纤维素的微波处理

将 1.5g干燥稻杆纤维素与 18g离子液体[AMIM]Cl混合于50mL锥形瓶中，放入微波炉中，设定微波时间及微波功率进行加热；反应结束后，取出锥形瓶于室温下静置16h，得到纤维素溶解液，待用。

1.5 纤维素的再生

将纤维素溶解液倒入500mL烧杯并置于磁力搅拌器上，缓慢加入去离子水重新析出纤维素，用蒸馏水充分浸泡洗涤。用AgNO3溶液对浸泡上清液进行检测，当检测不出Cl-时，表明离子液体已完全除尽，抽滤后将滤渣于60℃下烘干10h，得到再生纤维素。

1.6 纤维素的酶解

称取经离子液体预处理后得到的再生纤维素1g装入50mL锥形瓶中，用少量蒸馏水润湿，测定其pH值后滴入少量柠檬酸缓冲溶液，将混合液的pH值调至5。加入活性为10000U/mL的纤维素酶4mL，继续滴加蒸馏水定容至20mL。将上述混合物摇匀后，放入50℃恒温水浴锅中搅拌反应，反应30h后经真空抽滤得到棕色固体酶解残渣和棕色澄清酶解液，利用分光光度计测定酶解糖液中还原糖含量。

2 结果与讨论

2.1 [AMIM]Cl表征及分析

图1 离子液体[AMIM]Cl红外光谱图Fig.1 The IR spectra of[AMIM]Cl ionic liquid

分析图1所得数据如下：

伸缩振动：3150cm-1（=C-H），3110cm-1（饱和-C-H）1650 cm-1（烯丙基中C=C），1570cm-1（C-N），1430cm-1（C=C），621 cm-1（C-Cl）。

弯曲振动：1170cm-1（C-H面内弯曲振动），2360cm-1、955cm-1、837cm-1（烯烃-CH=CH-H键的平面外摇摆弯曲振动），760 cm-1（咪唑环上的C-H，面外弯曲振动）。

3400cm-1处有很强的吸收峰，原因可能为样品暴露空气中吸入少量水分。

根据以上分析确定所制得溶液为离子液体[AMIM]Cl。

2.2 微波处理对纤维素表面结构的影响

微波功率保持118W不变，辐射时间为5min，处理前与处理后的纤维素电镜图见图2。

由图2可知，与未处理稻秆（图a）其平整饱满致密的表面结构相比，经在微波作用下溶解预处理后再生稻秆表面（图b）变得松散且有不规则孔洞和凹槽，表面产生少量絮状缠绕。这是由于微波辐射促进离子液体中阴阳离子运动，使其不断地从纤维素包裹结构中脱除半纤维素、木质素等成分，导致稻杆结构的深度解离，出现层片结构和深度沟壑。这种形貌上的变化增加了纤维素酶与底物纤维素的接触位点，使两者反应更充分。

图2 [AMIM]Cl处理前后稻杆的SEM图Fig.2 The SEM images of untreated and regenerated rice straw by [AMIM]Cl

2.3 微波处理对纤维素酶解产糖量和还原糖转化率的影响

在固液比为稻杆:[AMIM]Cl=1.5g∶18g条件下，考察微波 [AMIM]Cl法中微波功率和微波时间对酶解产糖量和还原糖转化率的影响，如表1所示。

表1 微波－[AMIM]Cl处理稻杆制备还原糖数据表Table 1 The data of reducing sugar produced from rice straw treated by microwave－[AMIM]Cl

2.3.1 微波功率的影响

从表1中可以看出，还原糖转化率最佳值（96.21%）出现在微波功率为230W时，而功率过高或过低均不利于稻杆产糖。增大微波功率，使得咪唑阴离子Cl-、阳离子[AMIM]+及各区域内分子链段受热无规运动加剧，因而更易进入稻杆纤维素晶区和非晶区，增强了与纤维素分子内部的相互作用，继而增加纤维素分子结构中氢键解缔的数目。但当微波功率过高时，短时间的加热处理会对纤维素内部产生较大破坏，而且温度达到150℃以上，纤维素热性能同样受到影响，会削弱纤维素产糖能力。

2.3.2 微波时间的影响

由表1中数据变化趋势亦可以考察微波处理时间对稻杆产糖能力的影响。稻杆产糖量随着微波处理时间的延长呈现先上升后下降的趋势；微波功率为230W处理1.5min后纤维素还原糖转化率达到最大值，为96.21%。在较强的功率539W条件下，延长30s的作用时间会引起还原糖转化率的大幅上升，而继续延长时间会导致溶剂完全喷溅，阻碍了预处理过程的进行。

3 结 论

将离子液体与微波技术结合对纤维素进行预处理，进行预处理技术对纤维素产糖能力影响的研究；还原糖转化率最大值（96.21%）出现在微波功率为230W处理1.5min时，为96.21%。微波功率过高或过低均削弱稻杆产糖能力；稻杆产糖量随着微波时间的延长而呈现先上升后下降的趋势。在较强功率539W条件下，延长30s的作用时间则会引起还原糖转化率的大幅上升，但继续延长时间会导致溶剂完全喷溅，阻碍了溶解过程的进行。

［1］ZHU S D,WU Y X,YU Z N,et al.Pretreatment by microwave/ alkali of rice straw and its enzymic hydrolysis［J］.process biochem,2005,40（9）:3082～3086.

［2］ZHU S D,WU Y X,YU Z N,et al.Comparison of three microwave/ chemical pretreatment processes for enzymatic hydrolysis of rice straw［J］.biosyst.Eng,2006,93（3）:279～283.

［3］GONG G F,LIU D Y,HUANG Y D.Microwave－assisted organic acid pretreatment for enzymatic hydrolysis of rice straw［J］. biosystems engineering,2010,93（107）:67～73.

［4］丁长河,宋娜,李里特.高温蒸煮法与微波法处理玉米芯制备低聚木糖的比较［J］.食品研究和开发，2006,27（9）：68～71.

［5］刘克家，李晓华，王罗春.烷基咪唑类离子液体的微波法合成与提纯［J］.上海电力学院学报，2010,26（1）:61～65.

［6］袁华,张艳娟,娄维,等.微波法合成离子液体［AMIM］Cl及其对纤维素的预处理［J］.功能高分子学报，2010,23（3）:301～307.

［7］丁颖敏.微波法合成咪唑类离子液体的研究［J］.中国石油大学胜利学院学报，2009,23（2）：10～11.

［8］王广征，孙晓峰，景占鑫，等.微波条件下纤维素在磷酸中的快速水解［J］.中国胶粘剂，2012,21（7）：19～22.

The Influence of Microwave Pretreatment on Enzymatic Hydrolysis of Cellulose

GONG Gui-feng,WU An-yu,ZHU Li-na and WANG Xiao-hui
（College of Materials Science&Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China）

The cellulose is pretreated under microwave radiation with using cellulose as raw material and ionic liquids as solvents.After the pretreatment,the regenerated cellulose（RE）is enzymatic hydrolysed to produce sugar and the DNS spectro-photometric method is used to determine the yield of reducing sugar.And then the effect of microwave power and time on the yield of reducing sugar is analyzed which is produced from regenerated celluloses.When the RE is treated for 5min under a microwave power of 230W,the reducing sugar conversion rate reaches highest which is 96.21%;The yield of sugar produced from rice straw firstly increases and then declines with lengthening the microwave time;Under the microwave radiation with a strong power of 539W,extending microwave radiation time will lead to a higher conversion rate of reducing sugar,however continue extending the time will result in completely solvent spill and difficult to process.

Material science;cellulose;microwave;

TQ353.42

A

1001-0017（2014）03-0188-03

2014-01-23

巩桂芬（1966-），女，黑龙江哈尔滨人，教授，主要从事生物质能源化工的研究，主要研究领域为功能材料。