表面活性劑對離子液體預(yù)處理纖維素的影響

馮圓圓，李強，2，3，季更生，唐玉斌，李天程

（1 江蘇科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212018；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所附屬蠶藥廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212018; 3 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京210093）

纖維素是地球上最豐富的天然可再生資源，它的開發(fā)與利用對解決能源危機具有重要意義。但纖維素材料的結(jié)晶度[1]較高，形成了降解纖維素的強大障礙。溶劑預(yù)處理[2]技術(shù)是目前破壞纖維素復(fù)合物的最有效手段之一，目前研究得較多的纖維素溶劑主要有N-甲基嗎啉-N-氧化物溶劑體系、堿溶液等，通過堿化使得纖維素結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[3-5]，從而更利于纖維素材料的應(yīng)用。但這些溶劑存在著不穩(wěn)定、有毒害、不易回收等缺點，因此有必要研發(fā)綠色環(huán)保的溶劑。

近年的研究表明，離子液體對纖維素材料有較好的溶解和處理能力[6]，可以有效地提高纖維素的酶解產(chǎn)率[7]。然而離子液體處理纖維素材料后的洗滌過程，會導(dǎo)致纖維素的重結(jié)晶，從而影響了酶解率的提高。表面活性劑可以降低離子液體的張力，有望提高纖維素酶解產(chǎn)率，目前很少有關(guān)于利用離子液體與表面活性劑耦合處理纖維素材料的研究[8-9]。為此作者選擇之前工作中報道的具有良好生物兼容性的磷酸酯類離子液體[10]，將此離子液體與表面活性劑耦合使用，研究表面活性劑對纖維素材料改性的影響，為纖維素材料的應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1 實驗方法與步驟

1.1 主要原料與儀器

1-甲基咪唑、磷酸三甲酯，純度≥98%，上海晶純生化科技股份有限公司；微晶纖維素，上海晶純生化科技股份有限公司；纖維素酶（10000U/g），上海晶純生化科技有限公司；十二烷基硫酸鈉（SDS）、聚乙二醇4000（PEG4000）、曲拉通X-100（X-100）、氣溶膠OT（AOT），國藥集團化學(xué)試劑有限公司。[MEIM][DMP]通過已報道工藝[11]合成。

DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器，上海比朗儀器有限公司；紫外-分光光度計UV759S，上海精科；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9101-ISA 型，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，TENSOR27，德國布魯克光譜儀器公司；X 射線衍射儀，X′TRA，瑞士ARL 公司。

1.2 纖維素的預(yù)處理和再生

在100mL 的三口燒瓶中分別加入6g 的[MEIM][DMP]和0.2g 微晶纖維素及1%的表面活性劑（X-100、PEG4000、AOT、SDS），置于磁力攪拌器上，在130℃的溫度下進行預(yù)處理2h，處理結(jié)束后，向燒瓶中加入沉淀劑蒸餾水，此時出現(xiàn)沉淀，將混合液進行離心-洗滌-離心，洗滌3～4 次，保留每次離心后的上層液體，以進行回收再利用。最后將得到的樣品沉淀物置于60℃的烘箱中干燥，烘干后研磨成粉末保存，留至下一步的酶解。

再生纖維素酶解的總體積為3mL，再生纖維素濃度為7mg/mL，緩沖液為50mmol/L，pH 值4.8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，添加200U/g（U 是指在50℃，pH 值5.0 條件下，每分鐘每克酶粉催化纖維素水解生產(chǎn)的葡萄糖量[12]）底物的纖維素酶，每個設(shè)3 組平行試驗，在50℃的搖床中進行酶水解反應(yīng)，每間隔一段時間取一定量樣品，用DNS 法測定還原糖含量。

1.3 表面活性劑對纖維素的改性

在100mL 的三口燒瓶中分別加入6g 的[MEIM][DMP]和0.2g 微晶纖維素置于磁力攪拌器上，在130℃的溫度下進行預(yù)處理2h，處理結(jié)束后，向燒瓶中加入沉淀劑蒸餾水，此時出現(xiàn)沉淀，將混合液進行離心-洗滌-離心，洗滌3～4 次，最后一次洗滌時，在每份樣品中加入1%的不同表面活性劑，攪拌均勻后，離心干燥，并研磨成粉末，用于紅外光譜和X 射線衍射的測定，考察處理后的纖維素的結(jié)構(gòu)變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維素的預(yù)處理及酶解

纖維素預(yù)處理的目的是促進酶解，可以通過酶解時糖的產(chǎn)率來對預(yù)處理溶劑中的表面活性劑進行評估。

從圖1 中可以看出，離子液體處理后的纖維素的產(chǎn)糖率均明顯高于未處理的纖維素。在酶解48h時，未處理的纖維素及[MEIM][DMP]、[MEIM][DMP]/PEG4000、[MEIM][DMP]/X-100、[MEIM][DMP]/AOT、[MEIM][DMP]/SDS 處理的纖維素的產(chǎn) 糖 濃 度 分 別 為 2.20mg/mL 、 3.68mg/mL 、

3.92mg/mL、3.72mg/mL、3.56mg/mL、3.06mg/mL。其中，[MEIM][DMP]/PEG4000 處理的纖維素產(chǎn)糖量最高，其產(chǎn)糖率比未處理的纖維素高78.2%，比未加表面活性劑處理的再生纖維素高6.5%，可見PEG4000 有利于進一步提高纖維素酶解率。

圖1 [MEIM][DMP]/表面活性劑預(yù)處理微晶纖維素后的酶解時間進程

2.2 表面活性劑對纖維素結(jié)構(gòu)改性的影響

2.2.1 處理前后微晶纖維素的紅外光譜分析

對不同方式處理后的纖維素進行了紅外光譜分析。圖2 為[MEIM][DMP]處理后水洗、[MEIM][DMP]處理后加PEG4000 洗滌以及未處理的纖維素的紅外光譜對照圖。而圖3 則為經(jīng)不同表面活性劑洗滌后的再生纖維素的紅外光譜對照圖。由圖2、圖3可見，3400cm-1、 2900cm-1和1060cm-1處的吸收峰分別對應(yīng)纖維素分子中非結(jié)晶區(qū)—OH 鍵的伸縮振動、—CH 鍵伸縮振動和C—O 變形振動峰[13]。郭元強等[14]通過研究聚乙二醇和纖素共混物的相容性及形態(tài)結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)纖維素與聚乙二醇具有很好的相容性，且共聚物的結(jié)晶度也明顯降低。梁學(xué)海等[15]在研究聚乙二醇/纖維素共混物的晶體變化時發(fā)現(xiàn)聚乙二醇與纖維素之間可以形成較強的氫鍵。由圖2 可知，與通過[MEIM][DMP]處理后水洗的纖維素相比，加入PEG4000 洗滌的纖維素紅外光譜圖譜中出現(xiàn)了PEG4000 分子的特征峰（1103cm-1處為C—O—C 振動峰），說明有PEG4000 分子與纖維素分子鏈接，形成較強的氫鍵，阻止了離子液體處理后水洗過程中的再生纖維素重結(jié)晶過程，使得纖維素結(jié)晶度降低，從而使酶解產(chǎn)率有所提高。因此PEG4000 提高酶解產(chǎn)率是通過阻礙再生纖維素重結(jié)晶過程實現(xiàn)的。

圖2 不同處理方式下的微晶纖維素的紅外光譜圖

圖3 不同表面活性劑對纖維素改性的紅外光譜圖

根據(jù)以上紅外光譜圖，可以計算出兩條紅外透過率的比率：①α1437cm-1/α899cm-1，表示結(jié)晶度指數(shù)或者側(cè)枝結(jié)構(gòu)指數(shù)（LOI）；②α1378cm-1/α2900cm-1，表示總結(jié)晶指數(shù)（TCI）[16]。LOI 和TCI 數(shù)值越高表示結(jié)晶度越高及側(cè)枝數(shù)越多。再生纖維素結(jié)晶指數(shù)的紅外比率如表1 所示。顯然經(jīng)過離子液體[MEIM][DMP]處理后的纖維素的結(jié)晶度明顯小于未處理的纖維素。其中經(jīng)過PEG4000 洗滌的纖維素的結(jié)晶指數(shù)LOI 和TCI 最小（分別為0.9039 和0.8907），表明經(jīng)過PEG4000 洗滌后的纖維素結(jié)晶度降低，這與上述分析結(jié)果相符。

表1 再生纖維素的結(jié)晶指數(shù)的紅外比率

2.2.2 纖維素的X 射線衍射分析

經(jīng)離子液體處理后由不同表面活性劑洗滌后的微晶纖維素的X 射線衍射譜圖見圖4。由圖4 可知，未處理的微晶纖維素衍射峰形尖銳且強度高，在衍射角14.96°、16.12°、22.58°和34.45°分別出現(xiàn)衍射峰，為纖維素Ⅰ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)晶胞（101）、（101-）、（002）和（040）晶面，其中14.96°和22.58°的衍射峰強度能反應(yīng)纖維素分子中氫鍵的作用強度。由圖4 中曲線可知，經(jīng)過離子液體處理后得到的再生纖維素部分氫鍵斷裂，結(jié)晶區(qū)域幾乎消失，得到的幾乎是無定形纖維素。表明微晶纖維素的峰形由典型的纖維素雙峰變成基本平坦的無定形區(qū)，這也為纖維素酶組分中的內(nèi)切酶提供更多更好的作用位點，加快了酶解速率[12]。因此表面活性劑的加入并未破壞這種再生纖維素的無定形結(jié)構(gòu)。

圖4 處理前后微晶纖維素的X 射線衍射譜圖

3 結(jié) 論

（1）利用離子液體[MEIM][DMP]與不同表面活性劑耦合處理纖維素，篩選到較好的表面活性劑PEG4000，有助于提高酶解產(chǎn)率。

（2）在預(yù)處理條件為T=130 ℃，t=2h，PEG4000/[MEIM][DMP]=0.01（質(zhì)量比），得到的再生纖維素酶解48h 時還原糖產(chǎn)率比未處理的纖維素高78.2%，比單純離子液體處理的產(chǎn)糖率高6.5%。

（3）通過紅外光譜圖及X 射線衍射分析，有PEG4000 分子插入到纖維素分子中。纖維素與PEG4000 之間形成氫鍵，從而阻止了再生纖維素洗滌過程中的重結(jié)晶過程，使得再生纖維素結(jié)晶度降低，提高了纖維素的酶解產(chǎn)率。本工作的結(jié)果為研究纖維素重結(jié)晶過程和表面活性劑參與纖維素處理提供了理論依據(jù)。

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