超临界CO2预处理耦合离子液体催化纤维素醇解制备甲基葡萄糖苷

崔言进，许志美，孙伟振，赵 玲

纤维素作为世界上最丰富、最重要的可再生生物质资源之一，被认为是最有可能取代传统化石能源的资源［1］。纤维素降解生成还原糖，再通过发酵等手段制取乙醇或其他化学品是目前纤维素利用的主要方向之一［2］。这种纤维素转化方法具有原料易得、污染小、经济性高、环境效益好及转化效率高等特点［3］。目前，有关纤维素降解的研究方法有酶催化、超临界溶剂、液体酸、固体酸和离子液体催化水解等。其中，离子液体具有蒸气压低、溶解力强、结构可调、热稳定性好等优点，被越来越多地应用到纤维素降解的研究中［4-6］。Jiang等［7］以功能化离子液体1-丙基磺酸-3-甲基咪唑硫酸氢盐（［C3SO3Hmim］HSO4）为催化剂在离子液体溶剂中均相催化水解纤维素，获得了可观的还原糖收率。

纤维素是由葡萄糖重复单元通过β-1，4糖苷键连接组成的长链聚合物，且长链之间存在大量的氢键，这使得纤维素分子具有排列紧密、结晶度高、不溶于水和大多数有机溶剂的特点。因此，通过一定的预处理方法来破坏纤维素结构，增加纤维素的多孔性可有效提高纤维素的利用效率。超临界CO2（scCO2）具有黏度低、扩散系数高和零表面张力的优点，可用来对纤维素进行预处理。Zheng等［8］利用 scCO2预处理方法，提高了后续酶催化水解纤维素的反应速率和转化率，同时使葡萄糖的收率提高了 50%。Srinivasan 等［9］在银胶菊的研究中采用scCO2预处理方法，葡萄糖收率明显提高；且scCO2的预处理效果优于稀酸等其他预处理方法。

本工作采用scCO2预处理方法，以［C3SO3Hmim］·HSO4为催化剂、甲醇为溶剂，将纤维素转化成甲基葡萄糖苷，即甲基α-D-吡喃葡萄糖苷和甲基β-D-吡喃葡萄糖苷，考察了预处理温度、压力、时间及醇解温度、反应时间和催化剂用量等因素对甲基葡萄糖苷收率的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

微晶纤维素：平均粒径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：分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1，3-丙磺酸内酯：纯度99%（w），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；丙酮：分析纯，国药化学试剂有限公司；浓硫酸：分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司。

高压反应釜（规格1 000 mL和361 L）：上海化工研究院；TPU-SW003型气体增压泵：深圳市特力得流体系统有限公司；DZG-6050型真空烘箱：上海森信实验仪器有限公司；2414型高效液相色谱仪：Waters（沃特世）科技有限公司；NOVANano SEM450型场发射扫描电子显微镜：美国FEI公司；AVANCE400型核磁共振波谱仪：德国BRUKER公司。

1.2 ［C3SO3Hmim］HSO4的合成

［C3SO3Hmim］HSO4的合成参考了文献［7］报道的方法：将1，3-丙磺酸内酯（0.1 mol）加入到250 mL的圆底烧瓶中，加入适量丙酮为溶剂，再将等物质的量的甲基咪唑（0.1 mol）逐滴加入到圆底烧瓶中。在40 ℃下搅拌12 h生成白色沉淀，抽滤后得到的白色固体分别用丙酮和乙醇各洗涤两次，将得到的白色粉末在80 ℃的真空烘箱中干燥6 h。干燥后，慢慢加入等物质的量的浓硫酸，于80 ℃下搅拌6 h，得黏性液体。将所得液体用乙酸乙酯洗涤三次，然后于真空烘箱干燥12 h，得［C3SO3Hmim］HSO4。

1.3 scCO2预处理

首先向反应釜中加入等质量的微晶纤维素（经过干燥处理）和去离子水，密封后放入设定好温度的油浴锅中预热，预热10 min后用气体增压泵通入CO2，当压力稳定后开始计时。当达到预处理时间后，迅速泄压，并用冰水浴冷却。经预处理后的试样于50 ℃的真空烘箱中干燥12 h，用于后续反应。

1.4 醇解反应

取0.8 g经过预处理的纤维素试样于反应釜中，加入40 mL甲醇和一定量的［C3SO3Hmim］·HSO4，然后将密封的反应釜置于设定好温度的油浴锅中进行醇解反应。反应结束后，向反应液中加入15 mL去离子水稀释，过滤，滤液通过蒸馏去除其中的甲醇，以便消除甲醇对后续色谱分析的影响。

1.5 分析方法

高效液相色谱仪配有Waters 1525型色谱泵、Waters 2414型示差检测器、柱温箱。采用安捷伦Hi-Plex Ca（300 mm×7.7 mm）色谱柱。保持柱温为80 ℃，以水为流动相，设定流量为0.6 mL/min，进样量10 μL。甲基葡萄糖苷的收率按式（1）计算。

式中，n为甲基葡萄糖苷物质的量，mol；m为加入的纤维素质量，g；M为C6H10O5单元的摩尔质量，g/mol；Y为收率，%。

2 结果与讨论

2.1 ［C3SO3Hmim］HSO4的表征

［C3SO3Hmim］HSO4的1H NMR表征结果如图1所示。从图1可知，出峰位置与文献报道结果相近［7］，1H NMR（400 MHz，D2O）：化学位移 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）。

图1 ［C3SO3Hmim］HSO4的1H NMR谱图Fig.1 1H NMR spectrum of［C3SO3Hmim］HSO4.

2.2 scCO2预处理条件对收率的影响

考察了预处理压力在15～27 MPa范围内对甲基葡萄糖苷的收率影响，并与未经过预处理的实验进行对比，结果如图2所示。从图2可知，与未经过预处理的实验相比，scCO2处理后反应所得的两种甲基葡萄糖苷收率都有明显的提高，总收率增幅超过43百分点。随预处理过程中CO2压力的增加，收率在25 MPa时达最大值39.1%。但当压力为27 MPa时，收率却有所下降。王恩俊等［10-11］在研究scCO2对生物质资源的预处理时也发现了收率随压力先增加后减少的规律，他们认为：压力的升高使水在scCO2中的溶解度变大，导致纤维素的含水量降低，而预处理的效果与纤维素含水量有密切关系，因此，过高压力导致预处理效果变差。

图3 微晶纤维素预处理前（a）后（b）的SEM照片Fig.3 SEM images of microcrystalline cellulose before(a) and after(b) pretreatment.

图2 预处理过程CO2压力对收率的影响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

对未经过处理和经过scCO2预处理的微晶纤维素试样进行SEM测试，结果如图3所示。从图3可看出，预处理前后微晶纤维素的表面发生了一定的变化，未经过预处理的微晶纤维素表面比较完整、光滑；而经过scCO2预处理后，纤维素表面变得凹凸不平，并且有小的孔洞出现，这使得纤维素与催化剂和甲醇的接触面积增加，更加有利于后续醇解反应的进行。

在0.5～3.0 h的范围内，对scCO2预处理时间进行了考察，实验结果如图4所示。从图4可看出，随预处理时间的延长，甲基葡萄糖苷收率呈增加的趋势，但当预处时间超过2.0 h后，收率几乎没有变化，说明预处理时间为2.0 h时，scCO2预处理效果最佳。因此，在后续的实验中预处理时间设定为2.0 h。

在100～180 ℃范围内研究了scCO2预处理温度对醇解结果的影响，结果如图5所示。从图5可看出，甲基葡萄糖苷的收率呈先增加后减少的趋势，在温度为140 ℃时收率达到最大值，而继续升高温度，收率却有所下降。这可能是因为相同压力下，温度的升高导致体系内CO2含量有一定程度的减少，后者对预处理效果产生影响。

图4 预处理时间对收率的影响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

图5 预处理温度对收率的影响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 醇解反应

反应温度对收率的影响见图6。由图6可看出，当反应温度为180～205 ℃时，甲基葡萄糖苷的收率随反应温度的升高有较明显的增加，当反应温度为205 ℃时，收率与180 ℃时相比提高了接近一倍。而继续升高反应温度至210 ℃时，甲基葡萄糖苷的收率有所降低，这是由于过高的温度造成微晶纤维素部分碳化，且温度升高造成其他副产物增加［12］。从得到的反应物颜色来看，随温度的升高，醇解液由淡黄色逐渐变为深棕色，颜色的加深是因为共轭双键产物的存在，说明温度升高加剧了副反应的发生［13-14］。因此，适宜的反应温度为205 ℃。

图6 反应温度对收率的影响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

醇解反应时间对甲基葡萄糖苷收率的影响如图7所示。从图7可看出，当反应时间较短时，纤维素的醇解反应没有充分进行，收率较低，然而当反应时间超过2.0 h后，甲基葡萄糖苷的收率有所下降。这说明，纤维素转化过程为串联反应，反应时间超过2.0 h后生成的部分甲基葡萄糖苷进一步分解为乙酰丙酸甲酯等副产物。因此，在当前的反应条件下反应时间为2.0 h时可以获得甲基葡萄糖的最高收率。

图7 反应时间对收率的影响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

图8 为催化剂用量对收率的影响，从图8可看出，随催化剂用量的增加，甲基葡萄糖苷的收率先增加后减少；当催化剂［C3SO3Hmim］HSO4质量浓度为1.2 g/L时，所得到的甲基葡萄糖苷收率最大，为39.1%。可见，酸性离子液体催化纤维素发生醇解反应时存在一个最佳浓度：用量低时，反应速率较低，达到一定收率时需要较长的反应时间，而当催化剂用量过高时会加剧副反应的进行。有研究表明，当酸性催化剂用量过高时会加剧甲基葡萄糖苷转化成乙酰丙酸甲酯，造成甲基葡萄糖苷收率的下降［15］。

图8 催化剂用量对收率的影响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 结论

1）利用scCO2对微晶纤维素进行预处理可显著提高后续催化剂［C3SO3Hmim］HSO4催化纤维素醇解生成甲基葡萄糖苷的效率，与未经过预处理的纤维素相比，甲基葡萄糖苷总收率增幅超过43百分点。

2）在140 ℃、25 MPa及处理时间2.0 h的条件下，scCO2对微晶纤维素的预处理效果最佳。

3）纤维素进行醇解的最佳条件为：催化剂用量1.2 g/L、反应温度205 ℃、反应时间2.0 h。

［1］ Yan L，Greenwood A A，Hossain A，et al. A comprehensive mechanistic kinetic model for dilute acid hydrolysis of switchgrass cellulose to glucose，5-HMF and levulinic acid［J］.RSC Adv，2014，4（45）：23492-23504.

［2］ 郝刘丹. 木质纤维素超临界二氧化碳超声预处理强化酶水解工艺研究［D］.大连：大连理工大学，2014.

［3］ Hamelinck C N，Hooijdonk G V，Faaij A P C. Ethanol from lignocellulosic biomass：techno-economic performance in short-，middle- and long-term［J］.Biomass Bioenergy，2005，28（4）：384-410.

［4］ Liu Yuanyuan，Xiao Wenwen，Xia Shuqian，et al. SO3H-functionalized acidic ionic liquids as catalysts for the hydrolysis of cellulose［J］.Carbohydr Polym，2013，92（1）：218-222.

［5］ 张锁江，吕兴梅. 离子液体——从基础研究到工业应用［M］.北京：科学出版社，2006：1-6.

［6］ 任强，武进，张军，等. 1-烯丙基，3-甲基咪唑室温离子液体的合成及其对纤维素溶解性能的初步研究［J］.高分子学报，2003（3）：448-451.

［7］ Jiang Feng，Zhu Qingjun，Ma Ding，et al. Direct conversion and NMR observation of cellulose to glucose and 5-hydroxymethylfurfural(HMF) catalyzed by the acidic ionic liquids［J］.J Mol Catal A：Chem，2011，334（1/2）：8-12.

［8］ Zheng Yizhou，Lin Homu，Wen Jinquan，et al. Supercritical carbon dioxide explosion as a pretreatment for cellulose hydrolysis［J］.Biotechnol Lett，1995，17（8）：845-850.

［9］ Srinivasan N，Ju L K. Pretreatment of guayule biomass using supercritical carbon dioxide-based method［J］.Bioresour Technol，2010，101（24）：9785-9791.

［10］ 王恩俊. 木质纤维素预处理工艺及高温液态水条件下的水解反应研究［D］：大连：大连理工大学. 2013.

［11］ Kim H K，Hong J. Supercritical CO2pretreatment of lignocellulose enhances enzymatic cellulose hydrolysis［J］.Bioresour Technol，2001，77（2）：139-144.

［12］ 庄新姝，王树荣，岑可法，等. 纤维素低浓度酸水解试验及产物分析研究［J］.太阳能学报，2006，27（5）：519-524.

［13］ Saka S，Ueno T. Chemical conversion of various celluloses to glucose and its derivatives in supercritical water［J］.Cellulose，1999，6（3）：177-191.

［14］ Victor A，Pulidindi I N，Kim T H，et al. Design of a selective solid acid catalyst for the optimization of glucose production from Oryza sativa straw［J］.RSC Adv，2016，6（1）：31-38.

［15］ Deng Weiping，Liu Mi，Zhang Qinghong，et al. Acid-catalysed direct transformation of cellulose into methyl glucosides in methanol at moderate temperatures［J］.Chem Commun，2010，46（15）：2668-2670.