超臨界CO2預處理耦合離子液體催化纖維素醇解制備甲基葡萄糖苷

崔言進，許志美，孫偉振，趙 玲

纖維素作為世界上最豐富、最重要的可再生生物質資源之一，被認為是最有可能取代傳統化石能源的資源［1］。纖維素降解生成還原糖，再通過發酵等手段制取乙醇或其他化學品是目前纖維素利用的主要方向之一［2］。這種纖維素轉化方法具有原料易得、污染小、經濟性高、環境效益好及轉化效率高等特點［3］。目前，有關纖維素降解的研究方法有酶催化、超臨界溶劑、液體酸、固體酸和離子液體催化水解等。其中，離子液體具有蒸氣壓低、溶解力強、結構可調、熱穩定性好等優點，被越來越多地應用到纖維素降解的研究中［4-6］。Jiang等［7］以功能化離子液體1-丙基磺酸-3-甲基咪唑硫酸氫鹽（［C3SO3Hmim］HSO4）為催化劑在離子液體溶劑中均相催化水解纖維素，獲得了可觀的還原糖收率。

纖維素是由葡萄糖重復單元通過β-1，4糖苷鍵連接組成的長鏈聚合物，且長鏈之間存在大量的氫鍵，這使得纖維素分子具有排列緊密、結晶度高、不溶于水和大多數有機溶劑的特點。因此，通過一定的預處理方法來破壞纖維素結構，增加纖維素的多孔性可有效提高纖維素的利用效率。超臨界CO2（scCO2）具有黏度低、擴散系數高和零表面張力的優點，可用來對纖維素進行預處理。Zheng等［8］利用 scCO2預處理方法，提高了后續酶催化水解纖維素的反應速率和轉化率，同時使葡萄糖的收率提高了 50%。Srinivasan 等［9］在銀膠菊的研究中采用scCO2預處理方法，葡萄糖收率明顯提高；且scCO2的預處理效果優于稀酸等其他預處理方法。

本工作采用scCO2預處理方法，以［C3SO3Hmim］·HSO4為催化劑、甲醇為溶劑，將纖維素轉化成甲基葡萄糖苷，即甲基α-D-吡喃葡萄糖苷和甲基β-D-吡喃葡萄糖苷，考察了預處理溫度、壓力、時間及醇解溫度、反應時間和催化劑用量等因素對甲基葡萄糖苷收率的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

微晶纖維素：平均粒徑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：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1，3-丙磺酸內酯：純度99%（w），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；丙酮：分析純，國藥化學試劑有限公司；濃硫酸：分析純，上海凌峰化學試劑有限公司。

高壓反應釜（規格1 000 mL和361 L）：上海化工研究院；TPU-SW003型氣體增壓泵：深圳市特力得流體系統有限公司；DZG-6050型真空烘箱：上海森信實驗儀器有限公司；2414型高效液相色譜儀：Waters（沃特世）科技有限公司；NOVANano SEM450型場發射掃描電子顯微鏡：美國FEI公司；AVANCE400型核磁共振波譜儀：德國BRUKER公司。

1.2 ［C3SO3Hmim］HSO4的合成

［C3SO3Hmim］HSO4的合成參考了文獻［7］報道的方法：將1，3-丙磺酸內酯（0.1 mol）加入到250 mL的圓底燒瓶中，加入適量丙酮為溶劑，再將等物質的量的甲基咪唑（0.1 mol）逐滴加入到圓底燒瓶中。在40 ℃下攪拌12 h生成白色沉淀，抽濾后得到的白色固體分別用丙酮和乙醇各洗滌兩次，將得到的白色粉末在80 ℃的真空烘箱中干燥6 h。干燥后，慢慢加入等物質的量的濃硫酸，于80 ℃下攪拌6 h，得黏性液體。將所得液體用乙酸乙酯洗滌三次，然后于真空烘箱干燥12 h，得［C3SO3Hmim］HSO4。

1.3 scCO2預處理

首先向反應釜中加入等質量的微晶纖維素（經過干燥處理）和去離子水，密封后放入設定好溫度的油浴鍋中預熱，預熱10 min后用氣體增壓泵通入CO2，當壓力穩定后開始計時。當達到預處理時間后，迅速泄壓，并用冰水浴冷卻。經預處理后的試樣于50 ℃的真空烘箱中干燥12 h，用于后續反應。

1.4 醇解反應

取0.8 g經過預處理的纖維素試樣于反應釜中，加入40 mL甲醇和一定量的［C3SO3Hmim］·HSO4，然后將密封的反應釜置于設定好溫度的油浴鍋中進行醇解反應。反應結束后，向反應液中加入15 mL去離子水稀釋，過濾，濾液通過蒸餾去除其中的甲醇，以便消除甲醇對后續色譜分析的影響。

1.5 分析方法

高效液相色譜儀配有Waters 1525型色譜泵、Waters 2414型示差檢測器、柱溫箱。采用安捷倫Hi-Plex Ca（300 mm×7.7 mm）色譜柱。保持柱溫為80 ℃，以水為流動相，設定流量為0.6 mL/min，進樣量10 μL。甲基葡萄糖苷的收率按式（1）計算。

式中，n為甲基葡萄糖苷物質的量，mol；m為加入的纖維素質量，g；M為C6H10O5單元的摩爾質量，g/mol；Y為收率，%。

2 結果與討論

2.1 ［C3SO3Hmim］HSO4的表征

［C3SO3Hmim］HSO4的1H NMR表征結果如圖1所示。從圖1可知，出峰位置與文獻報道結果相近［7］，1H NMR（400 MHz，D2O）：化學位移 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）。

圖1 ［C3SO3Hmim］HSO4的1H NMR譜圖Fig.1 1H NMR spectrum of［C3SO3Hmim］HSO4.

2.2 scCO2預處理條件對收率的影響

考察了預處理壓力在15～27 MPa范圍內對甲基葡萄糖苷的收率影響，并與未經過預處理的實驗進行對比，結果如圖2所示。從圖2可知，與未經過預處理的實驗相比，scCO2處理后反應所得的兩種甲基葡萄糖苷收率都有明顯的提高，總收率增幅超過43百分點。隨預處理過程中CO2壓力的增加，收率在25 MPa時達最大值39.1%。但當壓力為27 MPa時，收率卻有所下降。王恩俊等［10-11］在研究scCO2對生物質資源的預處理時也發現了收率隨壓力先增加后減少的規律，他們認為：壓力的升高使水在scCO2中的溶解度變大，導致纖維素的含水量降低，而預處理的效果與纖維素含水量有密切關系，因此，過高壓力導致預處理效果變差。

圖3 微晶纖維素預處理前（a）后（b）的SEM照片Fig.3 SEM images of microcrystalline cellulose before(a) and after(b) pretreatment.

圖2 預處理過程CO2壓力對收率的影響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

對未經過處理和經過scCO2預處理的微晶纖維素試樣進行SEM測試，結果如圖3所示。從圖3可看出，預處理前后微晶纖維素的表面發生了一定的變化，未經過預處理的微晶纖維素表面比較完整、光滑；而經過scCO2預處理后，纖維素表面變得凹凸不平，并且有小的孔洞出現，這使得纖維素與催化劑和甲醇的接觸面積增加，更加有利于后續醇解反應的進行。

在0.5～3.0 h的范圍內，對scCO2預處理時間進行了考察，實驗結果如圖4所示。從圖4可看出，隨預處理時間的延長，甲基葡萄糖苷收率呈增加的趨勢，但當預處時間超過2.0 h后，收率幾乎沒有變化，說明預處理時間為2.0 h時，scCO2預處理效果最佳。因此，在后續的實驗中預處理時間設定為2.0 h。

在100～180 ℃范圍內研究了scCO2預處理溫度對醇解結果的影響，結果如圖5所示。從圖5可看出，甲基葡萄糖苷的收率呈先增加后減少的趨勢，在溫度為140 ℃時收率達到最大值，而繼續升高溫度，收率卻有所下降。這可能是因為相同壓力下，溫度的升高導致體系內CO2含量有一定程度的減少，后者對預處理效果產生影響。

圖4 預處理時間對收率的影響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

圖5 預處理溫度對收率的影響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 醇解反應

反應溫度對收率的影響見圖6。由圖6可看出，當反應溫度為180～205 ℃時，甲基葡萄糖苷的收率隨反應溫度的升高有較明顯的增加，當反應溫度為205 ℃時，收率與180 ℃時相比提高了接近一倍。而繼續升高反應溫度至210 ℃時，甲基葡萄糖苷的收率有所降低，這是由于過高的溫度造成微晶纖維素部分碳化，且溫度升高造成其他副產物增加［12］。從得到的反應物顏色來看，隨溫度的升高，醇解液由淡黃色逐漸變為深棕色，顏色的加深是因為共軛雙鍵產物的存在，說明溫度升高加劇了副反應的發生［13-14］。因此，適宜的反應溫度為205 ℃。

圖6 反應溫度對收率的影響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

醇解反應時間對甲基葡萄糖苷收率的影響如圖7所示。從圖7可看出，當反應時間較短時，纖維素的醇解反應沒有充分進行，收率較低，然而當反應時間超過2.0 h后，甲基葡萄糖苷的收率有所下降。這說明，纖維素轉化過程為串聯反應，反應時間超過2.0 h后生成的部分甲基葡萄糖苷進一步分解為乙酰丙酸甲酯等副產物。因此，在當前的反應條件下反應時間為2.0 h時可以獲得甲基葡萄糖的最高收率。

圖7 反應時間對收率的影響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

圖8 為催化劑用量對收率的影響，從圖8可看出，隨催化劑用量的增加，甲基葡萄糖苷的收率先增加后減少；當催化劑［C3SO3Hmim］HSO4質量濃度為1.2 g/L時，所得到的甲基葡萄糖苷收率最大，為39.1%。可見，酸性離子液體催化纖維素發生醇解反應時存在一個最佳濃度：用量低時，反應速率較低，達到一定收率時需要較長的反應時間，而當催化劑用量過高時會加劇副反應的進行。有研究表明，當酸性催化劑用量過高時會加劇甲基葡萄糖苷轉化成乙酰丙酸甲酯，造成甲基葡萄糖苷收率的下降［15］。

圖8 催化劑用量對收率的影響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 結論

1）利用scCO2對微晶纖維素進行預處理可顯著提高后續催化劑［C3SO3Hmim］HSO4催化纖維素醇解生成甲基葡萄糖苷的效率，與未經過預處理的纖維素相比，甲基葡萄糖苷總收率增幅超過43百分點。

2）在140 ℃、25 MPa及處理時間2.0 h的條件下，scCO2對微晶纖維素的預處理效果最佳。

3）纖維素進行醇解的最佳條件為：催化劑用量1.2 g/L、反應溫度205 ℃、反應時間2.0 h。

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