离子液降解笋壳纤维素制备5－HMF的工艺优化

陈 姝 马 寅 庞林江 王允祥

CHEN ShuMA YinPANG Lin－jiangWANG Yun－xiang

（浙江农林大学农业与食品科学学院，浙江 临安 311300）

竹子在传统农业生产方式中，被消费或出售的绝大部分是可食用的竹笋部分和成竹，而竹笋壳却被大量废弃，这不仅造成大量资源浪费而且污染环境［1］。若这些笋壳能得到有效地利用，则整个农业生产效益将大为改善，因笋壳是可再生资源，是取之不尽的资源宝库。笋壳纤维素作为可降解的生物大分子，经降解后可直接利用或进一步转化为众多产品，如5－羟甲基糠醛（5－HMF）、燃料乙醇、乳酸、谷氨酸、乙酰丙酸等［2－4］。

5－HMF是一种重要的有机化学中间体，被广泛用于制备高分子材料的单体、石油类产品、精细化学品、液态烷烃和燃料的中间体等。但由于5－HMF制备复杂且传统的催化剂存在着催化选择性不高、效率低、副产物多、成本高等缺点，因此，利用传统方法降解纤维素制备5－HMF的方法显然已不能满足当下绿色可持续发展的需求，因此亟需探寻更加优良的降解技术［5－7］。离子液作为一种新型溶剂兼催化剂，在降解纤维素过程中，反应条件较温和，降解活性较高，反应较迅速，对反应设备的抗腐蚀性要求较低，5－HMF产率也较高，是一种结构功能可调、绿色新型的水解溶剂［8－10］。相对于其他催化剂，离子液有两大优点：① 因为离子液体具有Lewis酸性和较好的脱水性，本身能很好地催化纤维素的降解；② 离子液体是非水溶性溶剂，可以避免5－HMF的进一步水合降解而成为乙酰丙酸，有利于获得较高产率［11，12］。

本研究以笋壳纤维素为原材料，离子液［C4MIM］／FeCl4为溶剂兼催化剂，为纤维素降解制备5－HMF的工艺优化提供了一种新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料

笋壳：购于浙江临安天目山。

氯丁烷、N－甲基咪唑、乙酸乙酯、水合氯化铁、二甲基亚砜（DMSO）：分析纯，上海晶纯实业有限公司；

旋转蒸发仪：IKA RV10型，德国IKA集团；

真空干燥箱：ZK 82－B型，上海实验仪器厂；

紫外可见分光光度仪：2802UV／VIS型，上海玖纵精密仪器有限公司；

傅里叶变换红外光谱仪：TENSOR27型，德国Bruker公司。

1.2 试验方法

1.2.1 离子液合成、表征分析及筛选 在前期研究中，研究小组参照李小华等的方法［3］，制备了7种离子液体［CnMIM］／FeCl4（n＝4，6，8，10，12，14，16），并应用红外光谱、紫外光谱测试技术对合成离子液体的结构进行了表征分析。红外光谱测试中，用毛细管将离子液均匀涂覆于KBr压片上，经干燥处理后进行测试，扫描波数范围400～4 000cm－1；紫外光谱测试中，采用紫外分光光度计，以DMSO为溶剂兼参比剂，将样品稀释6 000倍，扫描波长范围200～500nm；表征谱图绘制采用软件Origin Pro 8.0（Origin Lab，USA）。结果显示合成的液体为目标离子液。在此基础上，采用单因素试验，以5－HMF收率为指标，对该7种离子液体催化纤维素制备5－HMF进行了研究，筛选出5－HMF收率最高的离子液为［C4MIM］／FeCl4。故本研究以该离子液为溶剂兼催化剂，对笋壳纤维素进行降解优化。

1.2.2 笋壳纤维素提取 定量笋壳经酸浸渍预水解后，高温NaOH处理（多聚磷酸钠、硅酸钠等作助练剂），采用敲打法去除已分解但附着于纤维上的胶质，继而添加漂白剂以去除木质素，烘干至恒重，最后粉碎机粉碎，过120目筛，得到笋壳纤维素。

1.2.3 单因素试验设计 采用［C4MIM］／FeCl4降解纤维素，通过单因素试验依次考察料液比、反应时间、反应温度、DMSO量、加水量对5－HMF产率的影响。

（1）料液比的影响：纤维素0.2g，分别按1∶7.5，1∶10，1∶12.5，1∶15，1∶17.5，1∶20，1∶22.5（m∶V）的料液比加入离子液［C4MIM］／FeCl4，DMSO 0.8g，水1.0g，反应温度89℃，反应时间7h，测5－HMF的产率。

（2）反应时间的影响：料液比 1∶15（m∶V），DMSO 0.8g，水1.0g，反应温度89℃，反应时间分别为3，4，5，6，7，8，9h，测5－HMF的产率。

（3）反应温度的影响：料液比1∶15（m∶V），DMSO 0.8g，水1.0g，反应时间7h，反应温度分别为73，77，81，85，89，93，97℃，测5－HMF的产率。

（4）DMSO 用量的影响：料液比1∶15（m∶V），水1.0g，DMSO 分别为0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0g，反 应 温度89℃，反应时间7h，测5－HMF的产率。

（5）加水量的影响：料液比1∶15（m∶V），DMSO 0.8g，水分别为0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2g，反应温度89℃，反应时间7h，测5－HMF的产率。

1.2.4 制备5－HMF的工艺优化 结合单因素试验结果，确定［C4MIM］／FeCl4降解纤维素的反应条件中，关键影响因素为料液比、反应时间及反应温度，以此为基础，选取Box－Behnken的三因素三水平中心组合法［13－15］，以5－HMF产率为响应值，对降解条件进行工艺优化。

1.2.5 5－HMF分离及产率测定 反应结束后立即向样本和空白对照中加入1.0g蒸馏水，用3.5g乙酸乙酯连续萃取5次，每次萃取2h，得到目标产物，随后将目标产物置于284.0nm下测定其吸光度，由5－HMF的标准曲线得到5－HMF物质的量，继而计算出5－HMF的产率，其计算公式见式（1）。

2 结果与讨论

2.1 纤维素降解单因素试验

2.1.1 料液比的影响 由图1可知，随着离子液用量增加，5－HMF产率呈先上升后下降的趋势，并在料液比为1∶15（m∶V）的条件下，5－HMF产率达到最高值。这是因为随着离子液量增多，使纤维素与离子液的接触程度更加充分，降解速度加快。由于Fe3＋存在空的4s轨道，纤维素中羟基氧原子提供孤对电子进入此轨道，通过配位作用形成较为稳定的中间态络合物，有利于降低纤维素水解反应活化能，且Fe3＋还可破坏纤维素间通过羟基形成的氢键，削弱分子间的范德华力，增加纤维素的水解速度。但相对离子液量的过度提高，纤维素用量却不变，这又限制了纤维素降解。因此最适料液比为1∶15（m∶V）。

图1 料液比对5－HMF产率的影响Figure 1 Effect of solid－liquid ratio on the yields of 5－HMF

2.1.2 反应时间的影响 由图2可知，随着反应时间延长，5－HMF产率呈先上升后下降的趋势，在7h处达到最高值。出现此原因可能是：一方面，纤维素结构中存在结晶区与非结晶区，降解反应首先发生于反应条件较温和且速度较快的非结晶区，待这一区域完全降解后，结晶区才会反应，这一阶段纤维素由多糖转变为单糖，所以5－HMF生成速率必大于降解速率。但超过7h后，单糖降解加剧，部分被降解为糠醛等产物，从而导致5－HMF产率下降。另一方面，随着时间延长，纤维素溶解量逐渐增加，达到充分松散状态，并可能与离子液某些基团发生反应，离子液中Cl－与纤维素分子内及分子间氢键作用不断加强，进而破坏这些氢键结构。继续反应后，可能由于阳离子［C4MIM］＋发生裂解并与纤维素分子链上基团发生络合反应，影响纤维素在离子液中的溶解度，大分子链基团与Cl－发生反应，也会使用于水解的大分子减少。因此，后续反应时间定为7h。

图2 反应时间对5－HMF产率的影响Figure2 Effect of reaction time on the yields of 5－HMF

2.1.3 反应温度的影响 由图3可知，在89℃之前，随着反应温度逐渐升高，离子液中阴阳离子发生解离，形成游离态，热运动剧烈程度逐渐增强，且它们与纤维素大分子链中羟基上的氢氧原子作用，较大程度地破坏了纤维素中的氢键，使纤维素在离子液中溶解度不断增大，促进其降解。当反应温度为89℃时，5－HMF产率达到最大值，可能在此条件下，离子液中游离阴阳离子浓度达到饱和。此时若继续升温，纤维素分子运动加剧导致链段可能不在糖苷键处断裂，并且此时用于水解的分子也会减少，高温还易使纤维素碳化，因而5－HMF产率有所下降。因此，最佳反应温度为89℃。

图3 反应温度对5－HMF产率的影响Figure3 Effect of reaction temperature on the yields of 5－HMF

2.1.4 加水量的影响 由图4可知，降解须在有水情况下才可顺利进行，水含量太低会严重限制降解反应进行，在缺水情况下生成的少量5－HMF易发生脱水反应生成其他物质。随着加水量上升，反应体系黏度进一步下降，易于反应发生，使5－HMF产率逐渐升高，在添加量为1.0g时达到最大值，但之后随着加水量上升，离子液会被稀释，而降低其浓度，使纤维素降解反应减弱，5－HMF产率下降。另外过多的水会比离子液更易与纤维素微晶上的羟基形成氢键，导致离子液与纤维素形成的氢键断开，从而使纤维素析出。所以后续试验选取加水量为1.0g。

图4 加水量对5－HMF产率的影响Figure4 Effect of water dosage on the yields of 5－HMF

2.1.5 DMSO用量的影响 由图5可知，当DMSO量小于0.8g时，5－HMF产率随着其用量的增加也相应上升，当添加量为0.8g时，5－HMF产率达到最高值，当超过0.9g后，5－HMF产率趋于平缓。这可能是由于随着用量增加，离子液体系黏度进一步降低，利于纤维素溶解与降解。继续添加，5－HMF产率基本不再上升。因而可确定DMSO的合适用量为0.8g。

图5 DMSO用量对5－HMF产率的影响Figure5 Effect of DMSO dosage on the yields of 5－HMF

2.2 Box－Behnken试验

结合单因素试验结果，确定［C4MIM］／FeCl4降解纤维素的反应条件中，关键影响因素为料液比、反应时间及反应温度，以此为基础，选取Box－Behnken的三因素三水平中心组合法，以5－HMF产率为响应值，对降解条件进行了优化，该设计的水平编码见表1，响应曲面优化结果见表2。

表1 ［C4MIM］／FeCl4响应面试验因素水平Table1 Factors and levels of response surface test of［C4MIM］／FeCl4

2.2.1 回归模型方差分析 回归模型方差分析结果见表3。

表2 ［C4MIM］／FeCl4响应面分析的试验设计和结果Table2 Experimental design and results of response surface analysis of［C4MIM］／FeCl4

表3 ［C4MIM］／FeCl4响应面回归模型方差分析Table3 ［C4MIM］／FeCl4response surface regression model analysis of variance

对回归方差分析数据进行回归拟合，得到［C4MIM］／FeCl4降解纤维素中，影响因素与5－HMF产率的二次多项回归方程：

回归模型方差分析显著性检验表明，回归模型P＜0.001，方程模型极显著，失拟项P不显著，说明模型拟合程度较好，试验误差小。因此，模型成立，可使用该模型对［C4MIM］／FeCl4降解纤维素进行分析预测。A、A2、B2项影响极显著；B、C2项影响显著；C、AB、AC、BC项这四项影响不显著。因此，条件影响主次顺序为A＞B＞C。

2.2.2 响应曲面分析 ［C4MIM］／FeCl4降解纤维素中，液料比、反应时间及反应温度三因素之间的交互作用对5－HMF产率的影响见图6～8。

由图6～8可知，液料比和反应时间、液料比和反应温度、反应时间和反应温度对5－HMF产率的影响均成抛物线型，因此，适当增大因素才可提高5－HMF产率。

为检验优化后［C4MIM］／FeCl4降解纤维素条件的可靠性，进行验证实验。优化后的条件是料液比1∶15.1（m∶V），反应时间7.10h，反应温度89.56℃，5－HMF产率35.97%。参考实际操作，将条件调整为料液比1∶15（m∶V），反应时间7h，反应温度为89℃。在此条件下，5－HMF产率（35.9±0.1）%，与预测结果相差较小，因此模型具有实际参考价值。

图6 液料比和反应时间对5－HMF产率的响应面图Figure6 Response surface plot of the effects of solid－liquid ratio and reaction time on the yield of 5－HMF

图7 液料比和反应温度对5－HMF产率的响应面图Figure7 Response surface plot of the effects of solid－liquid ratio and reaction temperature on the yield of 5－HMF

图8 反应时间和反应温度对5－HMF产率的响应面图Figure8 Response surface plot of the effects of reaction time and reaction temperature on the yield of 5－HMF

3 结论

（1）针对离子液［C4MIM］／FeCl4降解笋壳纤维素的条件，采用了Box－Behnken中心组合法对其进行了优化并验证，优化后条件为料液比1∶15.1（m∶V），反应时间7.10h，反应温度89.56℃，5－HMF产率35.97%，验证结果与预测值相差为1.43%～1.63%，表明模型具有实际参考价值。

（2）相对于传统的纤维素降解法，离子液在降解纤维素过程中，反应条件较温和，降解活性较高，反应较迅速，对反应设备的抗腐蚀性要求较低，5－HMF产率也较高，是一种具有良好发展潜力的降解溶剂兼催化剂。

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