離子液降解筍殼纖維素制備5－HMF的工藝優化

陳 姝 馬 寅 龐林江 王允祥

CHEN ShuMA YinPANG Lin－jiangWANG Yun－xiang

（浙江農林大學農業與食品科學學院，浙江 臨安 311300）

竹子在傳統農業生產方式中，被消費或出售的絕大部分是可食用的竹筍部分和成竹，而竹筍殼卻被大量廢棄，這不僅造成大量資源浪費而且污染環境［1］。若這些筍殼能得到有效地利用，則整個農業生產效益將大為改善，因筍殼是可再生資源，是取之不盡的資源寶庫。筍殼纖維素作為可降解的生物大分子，經降解后可直接利用或進一步轉化為眾多產品，如5－羥甲基糠醛（5－HMF）、燃料乙醇、乳酸、谷氨酸、乙酰丙酸等［2－4］。

5－HMF是一種重要的有機化學中間體，被廣泛用于制備高分子材料的單體、石油類產品、精細化學品、液態烷烴和燃料的中間體等。但由于5－HMF制備復雜且傳統的催化劑存在著催化選擇性不高、效率低、副產物多、成本高等缺點，因此，利用傳統方法降解纖維素制備5－HMF的方法顯然已不能滿足當下綠色可持續發展的需求，因此亟需探尋更加優良的降解技術［5－7］。離子液作為一種新型溶劑兼催化劑，在降解纖維素過程中，反應條件較溫和，降解活性較高，反應較迅速，對反應設備的抗腐蝕性要求較低，5－HMF產率也較高，是一種結構功能可調、綠色新型的水解溶劑［8－10］。相對于其他催化劑，離子液有兩大優點：① 因為離子液體具有Lewis酸性和較好的脫水性，本身能很好地催化纖維素的降解；② 離子液體是非水溶性溶劑，可以避免5－HMF的進一步水合降解而成為乙酰丙酸，有利于獲得較高產率［11，12］。

本研究以筍殼纖維素為原材料，離子液［C4MIM］／FeCl4為溶劑兼催化劑，為纖維素降解制備5－HMF的工藝優化提供了一種新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

筍殼：購于浙江臨安天目山。

氯丁烷、N－甲基咪唑、乙酸乙酯、水合氯化鐵、二甲基亞砜（DMSO）：分析純，上海晶純實業有限公司；

旋轉蒸發儀：IKA RV10型，德國IKA集團；

真空干燥箱：ZK 82－B型，上海實驗儀器廠；

紫外可見分光光度儀：2802UV／VIS型，上海玖縱精密儀器有限公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：TENSOR27型，德國Bruker公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 離子液合成、表征分析及篩選 在前期研究中，研究小組參照李小華等的方法［3］，制備了7種離子液體［CnMIM］／FeCl4（n＝4，6，8，10，12，14，16），并應用紅外光譜、紫外光譜測試技術對合成離子液體的結構進行了表征分析。紅外光譜測試中，用毛細管將離子液均勻涂覆于KBr壓片上，經干燥處理后進行測試，掃描波數范圍400～4 000cm－1；紫外光譜測試中，采用紫外分光光度計，以DMSO為溶劑兼參比劑，將樣品稀釋6 000倍，掃描波長范圍200～500nm；表征譜圖繪制采用軟件Origin Pro 8.0（Origin Lab，USA）。結果顯示合成的液體為目標離子液。在此基礎上，采用單因素試驗，以5－HMF收率為指標，對該7種離子液體催化纖維素制備5－HMF進行了研究，篩選出5－HMF收率最高的離子液為［C4MIM］／FeCl4。故本研究以該離子液為溶劑兼催化劑，對筍殼纖維素進行降解優化。

1.2.2 筍殼纖維素提取 定量筍殼經酸浸漬預水解后，高溫NaOH處理（多聚磷酸鈉、硅酸鈉等作助練劑），采用敲打法去除已分解但附著于纖維上的膠質，繼而添加漂白劑以去除木質素，烘干至恒重，最后粉碎機粉碎，過120目篩，得到筍殼纖維素。

1.2.3 單因素試驗設計 采用［C4MIM］／FeCl4降解纖維素，通過單因素試驗依次考察料液比、反應時間、反應溫度、DMSO量、加水量對5－HMF產率的影響。

（1）料液比的影響：纖維素0.2g，分別按1∶7.5，1∶10，1∶12.5，1∶15，1∶17.5，1∶20，1∶22.5（m∶V）的料液比加入離子液［C4MIM］／FeCl4，DMSO 0.8g，水1.0g，反應溫度89℃，反應時間7h，測5－HMF的產率。

（2）反應時間的影響：料液比 1∶15（m∶V），DMSO 0.8g，水1.0g，反應溫度89℃，反應時間分別為3，4，5，6，7，8，9h，測5－HMF的產率。

（3）反應溫度的影響：料液比1∶15（m∶V），DMSO 0.8g，水1.0g，反應時間7h，反應溫度分別為73，77，81，85，89，93，97℃，測5－HMF的產率。

（4）DMSO 用量的影響：料液比1∶15（m∶V），水1.0g，DMSO 分別為0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0g，反 應 溫度89℃，反應時間7h，測5－HMF的產率。

（5）加水量的影響：料液比1∶15（m∶V），DMSO 0.8g，水分別為0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2g，反應溫度89℃，反應時間7h，測5－HMF的產率。

1.2.4 制備5－HMF的工藝優化 結合單因素試驗結果，確定［C4MIM］／FeCl4降解纖維素的反應條件中，關鍵影響因素為料液比、反應時間及反應溫度，以此為基礎，選取Box－Behnken的三因素三水平中心組合法［13－15］，以5－HMF產率為響應值，對降解條件進行工藝優化。

1.2.5 5－HMF分離及產率測定 反應結束后立即向樣本和空白對照中加入1.0g蒸餾水，用3.5g乙酸乙酯連續萃取5次，每次萃取2h，得到目標產物，隨后將目標產物置于284.0nm下測定其吸光度，由5－HMF的標準曲線得到5－HMF物質的量，繼而計算出5－HMF的產率，其計算公式見式（1）。

2 結果與討論

2.1 纖維素降解單因素試驗

2.1.1 料液比的影響 由圖1可知，隨著離子液用量增加，5－HMF產率呈先上升后下降的趨勢，并在料液比為1∶15（m∶V）的條件下，5－HMF產率達到最高值。這是因為隨著離子液量增多，使纖維素與離子液的接觸程度更加充分，降解速度加快。由于Fe3＋存在空的4s軌道，纖維素中羥基氧原子提供孤對電子進入此軌道，通過配位作用形成較為穩定的中間態絡合物，有利于降低纖維素水解反應活化能，且Fe3＋還可破壞纖維素間通過羥基形成的氫鍵，削弱分子間的范德華力，增加纖維素的水解速度。但相對離子液量的過度提高，纖維素用量卻不變，這又限制了纖維素降解。因此最適料液比為1∶15（m∶V）。

圖1 料液比對5－HMF產率的影響Figure 1 Effect of solid－liquid ratio on the yields of 5－HMF

2.1.2 反應時間的影響 由圖2可知，隨著反應時間延長，5－HMF產率呈先上升后下降的趨勢，在7h處達到最高值。出現此原因可能是：一方面，纖維素結構中存在結晶區與非結晶區，降解反應首先發生于反應條件較溫和且速度較快的非結晶區，待這一區域完全降解后，結晶區才會反應，這一階段纖維素由多糖轉變為單糖，所以5－HMF生成速率必大于降解速率。但超過7h后，單糖降解加劇，部分被降解為糠醛等產物，從而導致5－HMF產率下降。另一方面，隨著時間延長，纖維素溶解量逐漸增加，達到充分松散狀態，并可能與離子液某些基團發生反應，離子液中Cl－與纖維素分子內及分子間氫鍵作用不斷加強，進而破壞這些氫鍵結構。繼續反應后，可能由于陽離子［C4MIM］＋發生裂解并與纖維素分子鏈上基團發生絡合反應，影響纖維素在離子液中的溶解度，大分子鏈基團與Cl－發生反應，也會使用于水解的大分子減少。因此，后續反應時間定為7h。

圖2 反應時間對5－HMF產率的影響Figure2 Effect of reaction time on the yields of 5－HMF

2.1.3 反應溫度的影響 由圖3可知，在89℃之前，隨著反應溫度逐漸升高，離子液中陰陽離子發生解離，形成游離態，熱運動劇烈程度逐漸增強，且它們與纖維素大分子鏈中羥基上的氫氧原子作用，較大程度地破壞了纖維素中的氫鍵，使纖維素在離子液中溶解度不斷增大，促進其降解。當反應溫度為89℃時，5－HMF產率達到最大值，可能在此條件下，離子液中游離陰陽離子濃度達到飽和。此時若繼續升溫，纖維素分子運動加劇導致鏈段可能不在糖苷鍵處斷裂，并且此時用于水解的分子也會減少，高溫還易使纖維素碳化，因而5－HMF產率有所下降。因此，最佳反應溫度為89℃。

圖3 反應溫度對5－HMF產率的影響Figure3 Effect of reaction temperature on the yields of 5－HMF

2.1.4 加水量的影響 由圖4可知，降解須在有水情況下才可順利進行，水含量太低會嚴重限制降解反應進行，在缺水情況下生成的少量5－HMF易發生脫水反應生成其他物質。隨著加水量上升，反應體系黏度進一步下降，易于反應發生，使5－HMF產率逐漸升高，在添加量為1.0g時達到最大值，但之后隨著加水量上升，離子液會被稀釋，而降低其濃度，使纖維素降解反應減弱，5－HMF產率下降。另外過多的水會比離子液更易與纖維素微晶上的羥基形成氫鍵，導致離子液與纖維素形成的氫鍵斷開，從而使纖維素析出。所以后續試驗選取加水量為1.0g。

圖4 加水量對5－HMF產率的影響Figure4 Effect of water dosage on the yields of 5－HMF

2.1.5 DMSO用量的影響 由圖5可知，當DMSO量小于0.8g時，5－HMF產率隨著其用量的增加也相應上升，當添加量為0.8g時，5－HMF產率達到最高值，當超過0.9g后，5－HMF產率趨于平緩。這可能是由于隨著用量增加，離子液體系黏度進一步降低，利于纖維素溶解與降解。繼續添加，5－HMF產率基本不再上升。因而可確定DMSO的合適用量為0.8g。

圖5 DMSO用量對5－HMF產率的影響Figure5 Effect of DMSO dosage on the yields of 5－HMF

2.2 Box－Behnken試驗

結合單因素試驗結果，確定［C4MIM］／FeCl4降解纖維素的反應條件中，關鍵影響因素為料液比、反應時間及反應溫度，以此為基礎，選取Box－Behnken的三因素三水平中心組合法，以5－HMF產率為響應值，對降解條件進行了優化，該設計的水平編碼見表1，響應曲面優化結果見表2。

表1 ［C4MIM］／FeCl4響應面試驗因素水平Table1 Factors and levels of response surface test of［C4MIM］／FeCl4

2.2.1 回歸模型方差分析 回歸模型方差分析結果見表3。

表2 ［C4MIM］／FeCl4響應面分析的試驗設計和結果Table2 Experimental design and results of response surface analysis of［C4MIM］／FeCl4

表3 ［C4MIM］／FeCl4響應面回歸模型方差分析Table3 ［C4MIM］／FeCl4response surface regression model analysis of variance

對回歸方差分析數據進行回歸擬合，得到［C4MIM］／FeCl4降解纖維素中，影響因素與5－HMF產率的二次多項回歸方程：

回歸模型方差分析顯著性檢驗表明，回歸模型P＜0.001，方程模型極顯著，失擬項P不顯著，說明模型擬合程度較好，試驗誤差小。因此，模型成立，可使用該模型對［C4MIM］／FeCl4降解纖維素進行分析預測。A、A2、B2項影響極顯著；B、C2項影響顯著；C、AB、AC、BC項這四項影響不顯著。因此，條件影響主次順序為A＞B＞C。

2.2.2 響應曲面分析 ［C4MIM］／FeCl4降解纖維素中，液料比、反應時間及反應溫度三因素之間的交互作用對5－HMF產率的影響見圖6～8。

由圖6～8可知，液料比和反應時間、液料比和反應溫度、反應時間和反應溫度對5－HMF產率的影響均成拋物線型，因此，適當增大因素才可提高5－HMF產率。

為檢驗優化后［C4MIM］／FeCl4降解纖維素條件的可靠性，進行驗證實驗。優化后的條件是料液比1∶15.1（m∶V），反應時間7.10h，反應溫度89.56℃，5－HMF產率35.97%。參考實際操作，將條件調整為料液比1∶15（m∶V），反應時間7h，反應溫度為89℃。在此條件下，5－HMF產率（35.9±0.1）%，與預測結果相差較小，因此模型具有實際參考價值。

圖6 液料比和反應時間對5－HMF產率的響應面圖Figure6 Response surface plot of the effects of solid－liquid ratio and reaction time on the yield of 5－HMF

圖7 液料比和反應溫度對5－HMF產率的響應面圖Figure7 Response surface plot of the effects of solid－liquid ratio and reaction temperature on the yield of 5－HMF

圖8 反應時間和反應溫度對5－HMF產率的響應面圖Figure8 Response surface plot of the effects of reaction time and reaction temperature on the yield of 5－HMF

3 結論

（1）針對離子液［C4MIM］／FeCl4降解筍殼纖維素的條件，采用了Box－Behnken中心組合法對其進行了優化并驗證，優化后條件為料液比1∶15.1（m∶V），反應時間7.10h，反應溫度89.56℃，5－HMF產率35.97%，驗證結果與預測值相差為1.43%～1.63%，表明模型具有實際參考價值。

（2）相對于傳統的纖維素降解法，離子液在降解纖維素過程中，反應條件較溫和，降解活性較高，反應較迅速，對反應設備的抗腐蝕性要求較低，5－HMF產率也較高，是一種具有良好發展潛力的降解溶劑兼催化劑。

1 陳延興，李建強，嚴娜娜.竹筍殼纖維的提取與其基本結構特征［J］.天津工業大學學報，2009，28（6）：32.

2 徐桂轉，常春.纖維素生物質新型水解技術的研究進展［J］.生物加工過程，2012，10（3）：71～72.

3 李小華，楊富明，周清.磁性離子液體1－甲基－3－烷基咪唑四鹵化鐵鹽的合成及其物性表征［J］.過程工程學報，2010，10（4）：788～789.

4 Kami Y.Enzymatic in situ saccharification of cellulose in aqueous－ionic liquid media［J］.Biotechnol Lett，2008，30（6）：1 037～1 040.

5 李秋瑾，殷友立，蘇榮欣.離子液體［Bmim］Cl預處理對微晶纖維素酶解的影響［J］.高分子學報，2009，67（1）：88～92.

6 Birgit K，Christoph M，Frank M.Dissolution and forming of cellulose with ionic liquids［J］.Cellulose，2008（15）：59～66.

7 陳沁，肖文軍，吳瑛.微波輔助酸功能化離子液體催化降解纖維素［J］.浙江師范大學學報，2011，34（3）：1～4.

8 楊明妮.［Bmim］Cl離子液體中微波輻射加熱促進稻草秸稈酸水解制備還原糖［J］.化工學報，2011，62（S2）：91.

9 刑麗欣.離子液體溶解和降解稻桿纖維素制備5－HMF的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.

10 Feng L，Lan Cheng Z.Research progress on dissolution and functional modification of cellulose in ionic liquids［J］.Journal of Molecular Liquids，2008，142（20）：1～5.

11 王敬嫻，吳芹，黎漢生，等.酸性離子液體及其在催化反應中的應用研究進展［J］.化工進展，2008，27（10）：1 574～1 577.

12 王均鳳，張鎖江，陳慧萍，等.離子液體的性質及其在催化反應中的應用［J］.過程工程學報，2003，3（2）：177～178.

13 艾杰，張根生，王東，等.轉谷氨酰胺酶酶解大豆濃縮蛋白工藝研究［J］.食品與機械，2010，26（1）：5～8.

14 唐華麗，熊漢國，王瑋.響應面法優化葡萄籽多酚提取工藝［J］.食品與機械，2012，28（6）：147～150.

15 譚淑君，蔣愛民，胡利輝.響應面法優化黑豆干酪工藝條件［J］.食品與機械，2011，27（6）：257～259.