废弃棉织物的离子液体预处理与酶水解

郭　香，唐敬玉，邹小周，唐小燕，陈　琳，洪　枫

(1.东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

废弃棉织物的离子液体预处理与酶水解

郭香1，唐敬玉1，邹小周1，唐小燕2，陈琳1，洪枫1

(1.东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

利用1- 烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)离子液体预处理废弃棉织物，再经纤维素酶水解．通过偏振光显微镜观察棉纤维的溶解过程，采用扫描电镜、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱表征棉织物处理前后的形貌和结构．结果表明，[AMIM]Cl处理棉织物的最佳温度和时间是110 ℃和90 min．此条件下，[AMIM]Cl对棉织物纤维素的溶解为物理溶解，处理后纤维素的晶型由Ⅰ型转为Ⅱ型，结晶度比未处理时降低了57%．再生纤维素酶解48 h后还原糖得率达96%，约为未处理的6倍．

废弃棉织物；离子液体；1- 烯丙基 -3- 甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)；溶解；酶水解

棉纤维是我国纺织工业的主要原料，每年用量大约为1100万t，约占世界用棉量的40%，主要用于服装及家纺产品[1].同时，我国每年产生约200万t废棉，这些废弃棉织物多次回用后的最终去处主要是填埋和焚烧，给社会带来巨大的环境负担和经济损失[2].因此，如能找到一种新的废弃棉织物资源化利用途径，将有利于今后纺织工业循环经济的建设，具有非常重大的经济和社会效益.

废弃棉织物的主要成分为纤维素，因此，其水解糖化后可以作为微生物发酵培养的原料，可以生产包括生物燃料和生物材料等许多生物基化学品，具有非常好的应用前景.但是，棉纤维结晶度非常高(大多在70%以上)[3]，直接以纤维素酶来水解的效率很低，必须采用特殊的方法进行预处理.目前，预处理方法主要包括物理法、化学法、生物法等，这些方法通常存在处理过程能耗较大、条件较剧烈、处理周期长、效率低等问题[4-6].利用离子液体进行纤维素预处理是近几年的一个研究热点[7-10].文献[11]首次发现某些类型的离子液体，尤其是咪唑型离子液体，在受热时对木浆纤维素具有一定的溶解能力，所形成的纤维素-离子液体溶液在干燥环境下性能稳定，遇水有纤维素析出.文献[12-13]合成出1- 烯丙基 -3- 甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)离子液体，发现其对简单纤维素材料(微晶纤维素、棉短绒纤维素等)有更为突出的溶解能力，且离子液体方便循环回用.废弃棉织物相对于其他纤维素材料，结构和成分更加复杂且含有大量染料，更难被纤维素酶水解，因此，利用离子液体对棉织物进行预处理是获得较高酶解效率和得糖率的一种新途径.为研究[AMIM]Cl离子液体对棉织物的预处理效果，本文探讨了离子液体预处理条件对溶解棉织物的影响，并比较了处理前后棉织物的酶水解效率.

1　试验材料与方法

1.1原料和试剂

试验用废弃棉织物为一件旧的白色纯棉T恤衫，剪成1 mm×1 mm的小碎布后，在37 ℃恒温鼓风干燥箱中烘至恒重后密封于塑料袋中备用.

氯丙烯、乙醚、乙酸乙酯，国药集团化学试剂有限公司；N- 甲基咪唑，上海鲁尔化工贸易有限公司；纤维素酶R-10，上海源叶生物技术有限公司，酶活(CMC酶活)为807.5 U/g.

1.2[AMIM]Cl离子液体的合成

将200 mL氯丙烯与128 mL N- 甲基咪唑混于500 mL圆底烧瓶中，冰浴反应4 h后，58 ℃下反应8 h.反应过程中溶液逐渐由无色变为褐色，黏稠度增加，直至没有回流液体产生，反应基本完全.冷却至室温后，以无水乙醚作为萃取剂，萃取去除残余的N- 甲基咪唑，再用旋转蒸发仪35 ℃下去除残余乙醚和氯丙烯，最后得到褐色的透明液体，密封保存置于干燥器内备用[13].

1.3棉织物的离子液体溶解与再生

称取1 g棉织物碎布和10 g离子液体放入圆底烧瓶中.在90，110和130 ℃条件下强烈机械搅拌，直至纤维完全溶解.加入6倍于混合物体积的去离子水再生出纤维素，并在60 ℃下反复洗涤再生的纤维素，过滤得到再生纤维素[14]，置于4 ℃冰箱保藏备用.

1.4再生纤维素的酶水解

在再生纤维素中，加入pH值为5.0的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液(50 mmol)20 mL，并加入0.2 g的纤维素酶.在50 ℃和100 r/min恒温水浴条件下，分别在0.5，1，2，4，8，10，24和48 h时测试计算纤维素酶水解还原糖得率，如式(1)所示.

(1)

1.5还原糖的测定

采用3,5- 二硝基水杨酸法(DNS法)测定酶解液中总还原糖的含量[15].酶解液中葡萄糖、纤维二糖和低聚纤维寡糖通过配备Aminex HPX-42A柱(Bio-Rad)和L-3530蒸发光散射检测器的Rigol高效液相色谱仪(北京普源精电科技有限公司)检测.分析条件：超纯水为流动相，进样量为20 μL，流速为0.6 mL/min，柱温为80 ℃.

1.6棉织物溶解过程观察

取少量不同时间点的棉织物纤维与离子液体的混合溶液至载玻片上，利用偏振光显微镜(BX53F型，Olympus，日本)观察溶解情况.

1.7棉织物处理前后形貌和结构的表征

采用扫描电子显微镜(SEM，TM-1000型，日本)观察处理前后棉织物的微观结构.将经过冷冻干燥后的再生样品作为测试样，经镀金后利用SEM观察其微观结构.

处理前后棉织物的结晶度采用X- 射线衍射仪(XRD,D/MAX-2550型，日本)进行分析.测试条件：将冷冻干燥后的棉织物和离子液体处理再生后的纤维素样品固定在样品架上，铜靶，测试电压为40 kV，测试电流为200 mA，步宽为10°/min，2θ为5°～60°，大范围扫描测试样品结晶度.

处理前后棉织物的组成成分采用傅里叶变换红外-拉曼光谱仪(FTIR,NEXUS-670型，美国)进行定性分析.将冷冻干燥后的棉织物和离子液体处理再生后的纤维素样品采用KBr压片方法，扫描范围为4000～600 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为10次，得到样品图谱.

2　结果与讨论

2.1温度对废弃棉织物预处理效果的影响

文献[15]的研究结果表明，棉织物与离子液体的质量比例为1∶10时，溶解效果最佳，因此，本文直接采用该比例，考察在90，110和130 ℃温度下[AMIM]Cl离子液体对棉织物溶解效果的影响，结果如表1所示.

表1温度对1 g棉布完全溶于10 g离子液体中所需时间和再生纤维素质量的影响

Table 1Effects of dissolution temperature on the dissolution time required for that 1 g cotton dissolved in 10 g [AMIM]Cl and the weight of regenerated cotton cellulose after [AMIM]Cl-treatment

温度/℃90110130溶解时间/min3009060再生纤维素质量/g1.031.010.91

由表1可知，随着温度的升高，离子液体[AMIM]Cl对棉织物的溶解能力逐渐增强，90 ℃时需要300 min，而130 ℃时仅需60 min，130 ℃时的溶解能力为90 ℃时的5倍.文献[16-17]的研究表明，在80 ℃下，5%的木浆纤维素可以在30 min内迅速溶解于[AMIM]Cl中，通过延长溶解时间和提高溶解温度，木浆粕在[AMIM]Cl中溶解的质量分数可以达到14.5%，聚合度为1600的棉短绒纤维素溶解的质量分数也能达到8.0%.为了进一步研究温度对棉织物处理效果的影响，本文对不同温度处理的棉织物加水再生后的纤维素质量进行比较，结果如表1所示.

由表1可知，在90和110 ℃下处理后，再生纤维素质量相对于原始棉织物都有所增加，这可能是因为纤维素在加水再生时夹带入部分离子液体，没有洗净.但是，130 ℃处理后，再生纤维素质量降至0.91 g，比原来少了10%左右.这应该是高温下离子液体对纤维素分子内与分子间氢键破坏比较大，产生较大的降解作用[18].文献[19]的研究表明，玉米秸秆纤维素在120 ℃下经离子液体[AMIM]Cl处理后纤维的聚合度大大降低.因此，综合考虑棉织物的溶解时间和降解程度，离子液体处理棉织物的最佳处理温度为110 ℃，后续研究均采用该温度.

2.2棉织物在[AMIM]Cl中的溶解过程观察

采用偏振光显微镜观察记录110 ℃下1 g棉织物溶于10 g [AMIM]Cl中的过程，如图1所示.由图1可以看出，随着溶解时间的增加，棉织物中纤维的含量越来越低.溶解10 min时，离子液体中存在大量的形貌清晰的棉纤维，但随着溶解时间的延长，纤维逐渐溶解导致数量减少.到70 min时，离子液体中只含有少量棉纤维，90 min时仅观察到均匀的黑场，表明此时棉纤维已完全溶解.此结果与文献[19-20]所报道的玉米秸秆和蔗渣纤维素在离子液体[AMIM]Cl中的溶解结果类似.

图1　110 ℃下废弃棉织物在离子液体[AMIM]Cl中的溶解过程的偏振光显微镜图像Fig.1　Polarized optical microscopic images of dissolution of cotton fabrics in [AMIM]Cl at 110 ℃

2.3棉织物处理前后的形貌分析

采用扫描电镜观察离子液体处理前后棉纤维的结构和形貌特征，结果如图2所示.从图2可以看出，经离子液体处理后，废弃棉织物中的棉纤维被完全溶解，再生纤维素的表面致密均匀，结果与其他纤维素原料的溶解结果类似[19-20].这也说明离子液体[AMIM]Cl对棉织物具有优良的溶解特性.

(a) 处理前　　(b) 处理后图2　棉织物经离子液体[AMIM]Cl处理前后的SEM图Fig.2　SEM images of cotton fabrics before and after [AMIM]Cl pretreatment

2.4棉织物处理前后的X射线衍射分析

图3为离子液体处理前后棉纤维的广角X射线衍射图谱，由谱线上衍射峰的位置可看出，未处理棉织物在2θ为16.3°和22.6°处出现明显的纤维素Ⅰ晶型特征峰，而再生纤维素在2θ为20.8°的位置出现纤维素Ⅱ晶型的特征峰[21].这说明纤维素在溶解再生过程中发生了从Ⅰ型到Ⅱ型的转变.另外，与未处理棉织物相比，再生纤维素的衍射峰强度要低很多，采用文献[22]的方法计算可知纤维素结晶度由86.3%降为37.4%，降低了57%.

图3　棉织物经离子液体[AMIM]Cl处理前后的XRD图谱Fig.3　XRD spectra of cotton fabrics before and after [AMIM]Cl pretreatment

2.5棉织物处理前后的红外光谱分析

图4为离子液体处理前后棉织物的红外光谱图.由图4可以发现，再生纤维素的出峰位置与未处理织物的基本相同，且没有代表新物质的特征峰出现，说明废弃棉织物在离子液体中为物理溶解，并未发生衍生化反应，其结果也与其他纤维素的溶解结果相似[19-20].

图4　棉织物经离子液体[AMIM]Cl处理前后的FTIR图谱Fig.4　FTIR spectra of cotton fabrics before and after [AMIM]Cl pretreatment

2.6预处理棉织物的酶水解

由于前期在秸秆预处理研究[23]中发现一定浓度的残留的离子液体会对后续纤维素酶水解和生物发酵产生不利影响，因此，本文采用了60 ℃水浴浸泡结合剧烈搅拌洗涤的方法，降低再生纤维素中残留离子液体浓度，以避免其对后续的酶水解产生负面影响.

离子液体[AMIM]Cl的预处理时间不同，对棉织物酶水解效果的影响也不同，结果如图5所示.

图5　110 ℃下不同预处理时间对棉织物酶水解效率的影响Fig.5　Influence of the dissolution time on the sugar yield of hydrolysis of regenerated cotton fabrics after pretreatment in [AMIM]Cl at 110 ℃

由图5可知，随着预处理时间的增加，酶水解效率先增加后降低.其中，预处理时间为90 min时，再生纤维素的酶水解效率最高，酶解48 h后还原糖得率可达96%，约为未处理(17.3%)的6倍.通过高效液相色谱分析发现，酶解液中葡萄糖的得率约为90%，此外还含有除纤维二糖以外的少部分纤维寡糖.由表1可知，90 min是棉织物在110 ℃下完全溶解的时间.由图3可知，棉织物处理后的纤维素结晶度比未处理时大幅降低，这是其酶水解效率大幅提高的主要原因.因此，可推测得知在预处理时间为30和60 min时，由于棉纤维还未全部溶解，纤维结构没有被完全破坏，结晶度仍较高，因此酶水解效率相对较低；而120和150 min的预处理时间过长，已溶解的棉纤维素则会发生降解损失，致使酶水解还原糖得率降低.由此可见，1 g棉织物在10 g离子液中的最佳预处理条件应是110 ℃下处理90 min，即棉纤维恰好完全溶解时效果最佳.

文献[24]尝试利用离子液体NMMO、[BMIM]Cl和85%磷酸对废弃棉织物进行预处理，酶水解72 h后还原糖得率为87%～95%.本试验中酶水解48 h后还原糖得率可达到96%，说明离子液体[AMIM]Cl对废弃棉织物有较好的预处理效果，经预处理后酶水解效率大大提高，可以获得更多可发酵性糖，为今后的微生物发酵提供足够的碳源.

3　结　语

本文采用离子液体[AMIM]Cl对废弃棉织物进行预处理，再经纤维素酶水解制备可发酵糖.研究结果表明，离子液体[AMIM]Cl预处理废弃棉织物的最佳条件为110 ℃下处理90 min.[AMIM]Cl对棉织物的预处理是物理溶解过程，溶解后纤维形态消失，纤维素晶型由I型转为Ⅱ型，结晶度比未处理时下降了57%.棉织物经最佳条件预处理后，酶水解效率最高，48 h后还原糖得率可达96%以上，约为未处理的6倍，其中葡萄糖的得率可达90%左右.由此可见，废弃棉织物经离子液体[AMIM]Cl预处理后能被高效酶水解，获得的可发酵性糖可为微生物培养提供乙醇和丁醇等生物燃料，以及为细菌纤维素和聚羟基脂肪酸酯等生物材料提供充足的碳源.今后仍需开展的工作包括评价染料和残留离子液体对酶水解及后续微生物培养的影响等.

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Pretreatment of Cotton-Based Waste Textiles by Ionic Liquid and Enzymatic Hydrolysis

GUOXiang1,TANGJing-yu1,ZOUXiao-zhou1,TANGXiao-yan2,CHENLin1,HONGFeng1

(1.College of Chemistry,Chemical Engineering and Biotechnology,Donghua University，Shanghai 201620,China;2.Nanjing Institute of Environment Sciences,Ministry of Environmental Protection of China,Nanjing 210042,China)

Pretreatment of cotton-based waste textiles by ionic liquid 1-allyl-3-methylimidazolium chloride ([AMIM]Cl) and enzymatic hydrolysis with cellulose were studied.The dissolution process of cotton fabrics was inspected by polarizing microscopy and the changes in the morphology and structures of cotton fiber and regenerated cellulose after pretreatment were characterized by scanning electron microscopy,X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectrometry.The results showed that the optimal condition for pretreatment cotton fabrics was 110 ℃ and 90 min.The dissolution of fabrics by [AMIM]Cl was a physical process.Under this condition,the morphology of cotton fiber disappeared and the cotton cellulose was transformed completely from cellulose Ⅰ to cellulose Ⅱ after dissolution and regeneration,and the crystallinity of the cotton cellulose was reduced by 57% as compared to the untreated one.Enzymatic hydrolysis indicated that the ionic liquid-pretreated cotton fabric exhibited a higher hydrolytic efficiency and the conversion of reducing sugars reached 96% after 48 h,which was 6-times larger than that of untreated one.

cotton-based waste textiles; ionic liquid; 1-allyl-3-methylimidazolium chloride ([AMIM]Cl); dissolution; enzymatic hydrolysis

1671-0444(2015)02-0210-05

2014-01-12

教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-12-0828)；上海市科委国际合作资助项目(11230700600)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

郭香(1987—)，女，四川泸州人，博士研究生，研究方向为木质纤维素资源的生物转化及应用.E-mail: guoxiang@mail.dhu.edu.cn

洪枫(联系人)，男，教授，E-mail: fhong@dhu.edu.cn

TQ 353；TS 119

A