甲酸水解纤维素制取纤维低聚糖的研究

第28卷第1期2008年2月
林 产 化 学 与 工 业
Che m istry and Industry of Forest Products
V o.l 28N o .1F eb .2008
甲酸水解纤维素制取纤维低聚糖的研究
收稿日期:2007-03-08
基金项目:高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目(705048);长江学者和创新团队发展计划项目(IRT0552) 作者简介:李嘉喆(1983-),男,福建泉州人,硕士,主要从事植物资源化学领域研究工作
*
通讯作者:林鹿,教授
,博士生导师,主要从事植物资源化学与制浆造纸生物技术领域研究工作;E ma i:l lcl u li n@scut .edu .c n 。

L I Jia zhe
李嘉喆,林鹿*
,孙勇,彭红,吴真,孙润仓
(华南理工大学资源科学与工程系,制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州510640)摘 要: 研究了盐酸催化下甲酸水解生物质纤维制取纤维低聚糖的过程,探讨了时间与温度对水解的影响,并对工艺条件进行优化。

实验表明,随着反应时间增加,棉花结晶度随之减少并不断水解;水解的最佳工艺条件为:1g 棉花、24g 含4%(质量分数)盐酸的甲酸溶液在65 下
水解8h ,总还原糖得率25.06%,葡萄糖得率16.71%,纤维低聚糖得率8.35%。

关键词: 甲酸;棉花;纤维素;纤维低聚糖
中图分类号:TQ353.6;T S245.9 文献标识码:A 文章编号:0253-2417(2008)01-0079-04
St udy on H ydro l ysis of Cell u l ose i n to Cell ooli gosacchari de by For m ic A ci d
LI Jia zhe ,LIN Lu ,S UN Yong ,PENG H ong ,WU Zhen ,SUN Run cang
(D epart m ent of R esources Science and Eng i neer i ng ,State K ey L ab .of Pulp and Paper Eng i neering ,
South Ch i na U nivers it y of T echno logy ,G uang zhou 510640,Ch i na)
Abstrac t :P reparati on o f ce llooli gosaccharide by ac i d hydro lysis of b i om ass ce ll u l ose w it h m i xed ac i d w as carried out ,and the effects of te m pera t ure and ti m e w ere studied .T he crystalli ne i ndex of cott on g radua lly decli ned w ith the i ncrease o f treat m ent ti m e .The opti m u m hydro l ysis conditions we re :1g co tton ,24g m i x ed acid i n wh ich the concen trati on o f hydroch l o ric ac i d is 4%(m ass fracti on),65 and 8h ,under wh i ch y i e l ds o f reducing sug ars ,g l ucose and ce ll oo ligosacchar i de w ere 25.06%,16.71%and 8.35%respecti ve ly .K ey word s :for m i c ac i d ;co tton ;ce ll u l ose ;ce llooli gosaccharide
生物质是自然界中丰富的可再生资源[1-2],全球每年可产生135亿吨生物质[3]
,其中相当一部分是以棉料、废纸、麦草、木屑形式存在的纤维素。

纤维素是由D -吡喃型葡萄糖基通过 (1 4)苷键连接而成的线性大分子化合物,通过适当的水解过程可得到一系列纤维低聚糖。

纤维低聚糖属于难消化、低甜
度多糖,是一种安全、无毒和高效的双歧因子,具有独特的功能特性[4]
,市场前景十分广阔。

长期以来,对于纤维素水解都集中在如何提高葡萄糖的得率,对水解过程中的中间产物纤维低聚糖这一高附加值产品并没有很好的利用起来。

目前,对纤维素的水解大多采用无机酸稀酸水解和浓酸水解,稀酸水解需在高温、高压进行,能耗高、成本高;浓酸水解酸回收难、成本高。

本研究构建了一种甲酸反应系统,在盐酸作催化剂的条件下水解纤维素,反应体系中甲酸与盐酸可回收利用,反应条件温和;同时,还探讨了温度、时间对纤维素水解产纤维低聚糖的影响规律,为工业清洁生产纤维低聚糖提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 甲酸反应体系
称取质量分数为88%的甲酸1000g ,加入125g 质量分数为36%的盐酸,HC l 在混合酸中的质量分数大约为4%。

实验中以脱脂棉为纤维素材料。

在25mL 的具塞试管中加入1g 脱脂棉和24g 混合酸,塞紧,在恒温水浴锅(65 !1 )中水解。

水解液采用旋转蒸发器回收甲酸盐酸,加入50mL 蒸馏水溶解,用一定量的碳酸钙反应剩余的甲酸,并用氢氧化钙调p H 值至中性,过滤,贮于冰箱中。

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林 产 化 学 与 工 业第28卷
1.2 X射线衍射分析
采用D/M AX-∀A X射线衍射仪,扫描速度12(#)/m in,电压40kV,电流30mA,扫描范围2~50#。

然后根据公式计算结晶度(I cr)[5]:
I cr=[(I002-I18.5#)/I002]∃100%
式中:I002 002面衍射强度;I18.5# 衍射角2 为18.5#的衍射强度。

1.3 红外光谱分析
采用红外光谱仪(FT-I R),波数范围4000~500c m-1,样品用色谱级KBr压片。

1.4 总还原糖的测定
采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)法[6]测定,得到的还原糖标准曲线方程:Y=0.00153+0.03188X, R=0.99925。

1.5 葡萄糖的测定
采用高效液相色谱(HPLC)法测定葡萄糖的含量。

高效液相色谱仪包括:W aters600E控制器、W aters717自动进样器、W aters410微分折射器、W aters糖柱。

流动相为二蒸水,二蒸水在超声波中脱气15m in,流速1.1mL/m in,进样量10L,色谱柱工作温度90 ,水解液和标样用0.45m纤维素膜过滤。

葡萄糖标准曲线方程:Y=-7.2263∃10-6+1.95831∃10-9X,R=0.99997。

纤维低聚糖得率=总还原糖得率-葡萄糖得率
2 结果与分析
2.1 纤维素水解过程中结晶度变化
采用X射线衍射对棉纤维在甲酸反应体系水解过程中结晶结构的变化进行了分析。

图1是水解时间为1~8h后的X射线衍射图,各峰所对应的位置为:101晶面2 为14.7#、101晶面2 为16.5#、
002晶面2 为22.5#和004晶面2 为34.5#。

水解过程中纤维素结晶度的变化情况如表1
所示。

图1 水解过程中棉纤维的X射线衍射图
F i g.1 X ray d iffracti on i m age of cotton duri ng hydrol ysis
表1 水解过程中棉纤维结晶度的变化
Table1 Crystallin ity of cotton du ri n g hydrolysis
反应时间/h
ti m e
结晶度/%
cryst a lli n it y
191.7
287.3
385.3
484.0
581.6
680.2
778.3
875.8
由图1可见,随着反应时间的延长,2 为22.5#处的峰强度随之慢慢降低,最大的降幅为从975降到641。

这表明棉纤维的晶体结构受到了破坏,反应时间越长,受破坏的程度越严重。

从表1可以看出,棉纤维的结晶度也随着反应的进行而降低,由91.7%降低到75.8%,根据结晶度的定义(纤维素构成的结晶区占纤维素整体的百分率),可以得出非结晶区与结晶区的比值慢慢升高,这说明甲酸与盐酸的混酸对结晶区的破坏比非结晶区严重。

在水解过程中,酸先到达纤维素结构中的非结晶区及结晶区的表面,随着时间的延长,酸慢慢的进入结晶区内,使纤维素的晶体结构发生一定的变化。

一般来说,纤维素结构中的非结晶区是比较容易水解的,而结晶区就比较难水解。

若酸能更多的进入结晶区,破坏纤维素的结晶结构,就可提高纤维素水解成纤维低聚糖的得率。

第1期李嘉喆,等:甲酸水解纤维素制取纤维低聚糖的研究81
图2 不同水解时间棉纤维的红外光谱图
F i g .2 FT I R spec tra of cotton during differen t treat m en t ti m e
2.2 红外光谱分析
为了研究水解过程中,棉纤维化学结构的变化,分别对反应时间为2~9h 的棉纤维进行红外扫描,结果如
图2所示。

3400和2900c m -1
为纤维素的特征吸收峰。

3400c m -1
为分子内羟基的吸收峰,随着水解的进行,此吸收峰强度降低,这表明有些分子内氢键发生了断裂,即纤维素被降解了。

1721c m -1
为分子间羟基的吸收峰,说明一些含有%OH 的化学物质被吸附在纤维素结晶区,显然这就是甲酸引起的,可能形成单个或连串的
OH %O 键。

1637c m -1
有个微弱的吸收峰,是吸附水的
吸收峰,这是因为混酸中含有少量的水以及水解过程中
会产生一定的水分。

2.3 温度和时间对水解效果的影响纤维素水解先形成一系列的纤维低聚糖,进一步水解产生葡萄糖,而葡萄糖可继续催化水解为羧甲基糠醛,最后可生成乙酰丙酸和甲酸[7]。

根据反应速
率A rr hen i u s 方程,温度是重要的工艺参数。

k =k 0∃[H +]m ∃e
(-E
/RT)
式中:k %反应速率,h -1
;k 0%修正因子,h -1
;m %经验指数;E %活化能,kJ /m o;l R %气体常数,8.314kJ/(m o l &K )
本实验研究了温度(55~75 )和时间(2~9h)对纤维素水解的影响。

总还原糖得率如表2所示,葡萄糖得率如图3所示,纤维低聚糖得率如图4所示。

表2 不同温度和时间对总还原糖得率的影响
Tab l e 2 E ffec ts on total yie l d of reduc i ng sugars dur i ng hydrolysis at d ifferen t te mp eratu re and ti me
%
时间/h ti m e 55 60 65 70 75 22.083.17
9.4110.67
8.0533.696.1013.6215.4812.0344.583.8716.6312.539.9252.535.9615.7214.1510.7864.158.0719.6416.7214.9775.5710.3721.2516.9216.0685.3611.825.0618.7916.439
4.63
11.
21
23.
64
18.
42
16.04
由表2可知,水解一开始,总还原糖得率随时间的延长而增加,但当水解进行到8h 后,总还原糖得率有所下降,这说明8h 后,还原糖被降解的速度比生成还原糖的速度快。

随着温度的增加,总还原糖得率也随之下降。

当温度高于65 后,总还原糖得率下降。

所以温度太高、时间太长,对还原糖的得率影响比较明显。

当温度65 、时间8h 时,总还原糖得率最高,为25.06%。

由图3可见,随着水解的继续,葡萄糖得率慢慢升高。

温度对葡萄糖得率的影响与对总还原糖得率的影响相似,65 后,葡萄糖得率下降。

最佳条件也是65 和8h ,葡萄糖得率为16.71%。

由图4可见,纤维低聚糖得率随反应时间的延长而增加,但当到4~5h 时,纤维低聚糖得率有所下降,而后又开始上升。

这可能是由于纤维素无定形区一开始先水解,纤维低聚糖的得率迅速提高,到反应时间为4~5h 时,无定形区的降解速度减慢,故纤维低聚糖得率有所下降,随后由于纤维素结晶区降解速度的加快,纤维低聚糖得率又开始上升了。

温度对纤维低聚糖得率的影响比较明显,但当65 后,纤维低聚糖得率明显下降,这说明温度高于65 ,纤维低聚糖降解为葡萄糖的速度加快,快于纤维低聚糖的生成速度。

在65 和8h 时,纤维低聚糖得率最高为8.35%。

与其他原料相比,棉纤维水解产生的还原糖、葡萄糖和纤维低聚糖的得率都偏低,这可能是因为棉纤维的结晶度高,甲酸溶液对其结晶结构破坏的程度不够强烈,从而限制了棉
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纤维的水解速度,
最终导致得率的偏低。

图3 水解过程葡萄糖得率
F ig .3 Y ie l d of gl u cose during hydro l ysis
图4 水解过程中纤维低聚糖得率
F i g .4 Y iel d of ce llooli gos acchar i de during hydro l
ysis
图5 60 条件下作用8h 时低聚糖的HPLC 图F i g .5 H PLC of cell ooligosaccharide yielded a t 60
for 8h
本研究所得到的低聚糖范围主要为
二糖到六糖,图5为水解液的H PLC 图。

据了解,从Sig m a 公司购买纤维低聚糖(聚合度为3~5),每克需8000~15000
美元[8]
,若能在利用水解液中葡萄糖的同时,分离提纯出不同类型的纤维低聚糖,如纤维二糖、三糖、四糖、五糖等,应用于医药工业或营养品工业,会产生良好的作用。

因此,虽然纤维低聚糖的得率只有8.3%,但其经济价值高,故纤维低聚糖将是纤维素酸水解综合利用中很重要的一个环节,具有很好的经济效益。

3 结论
3.1 利用甲酸与盐酸的混合酸水解脱
脂棉,棉纤维的结晶区被严重破坏,结晶度降低明显,水解效果良好。

水解的最佳工艺条件为,温度65 、时间8h 。

在此条件下,总还原糖得率25.06%,葡萄糖得率16.71%,纤维低聚糖的得率8.35%。

3.2 利用甲酸与盐酸水解纤维素,虽然水解效果良好,但纤维低聚糖的得率有待进一步提高,此外,甲酸与盐酸水解纤维素的机理还不清楚,要得到高纯度的纤维低聚糖还需对水解液进行分离提纯,这些都有待于今后进一步研究。

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