酶解废纸脱墨浆使用固体催化剂制备5-羟甲基糠醛的工艺研究

田 野，张 翼，陈向斌

（湖北轻工职业技术学院制浆造纸省级实习实训基地，武汉 430070）

化石能源在人类社会的发展过程中起到了重要的作用，但其弊端使得人们不得寻找和开发清洁能源，清洁能源已经成为绿色化学的主要研究内容之一[1]。生物质资源分布广泛、应用便利，是一种相对干净的新型可再生资源，由生物质制备高附加值化学品已成为近年研究的热点[2]。

当前的环境污染和能源损耗问题严重，所以将废弃的生物质资源利用起来，转化为能源及化学品具有重要的意义。废纸是一种生物质资源，其纤维含量丰富，而且价格低廉，在原料取材方面具有天然的优势，开发利用的前景可观。对废纸进行脱墨制浆，经生物转化制备生物基燃料和化学品就是一种有效的利用方式[3-5]。

5-羟甲基糠醛(5-HMF)在一种重要的生物基化学品，其性质相对较活泼，而且容易制备，可通过后续催化转化合成一系列重要的生物基材料单体或作为高分子塑料的原材料[6-7]。因此，5-HMF 的制备成为了生物质领域研究的热点[8]。

选用酶解后的废纸脱墨浆为反应底物，经过固体酸催化剂WO3/ZrO2的催化作用，可以将浆液中含有的糖类物质转化为目标产物5-HMF。由酶解后的废纸脱墨浆制备5-HMF 时，反应温度、催化剂用量、反应时间等反应条件会对5-HMF 产率产生影响，本文在设定底物溶液体积为10 mL 的条件下对此进行了实验研究。

1 实验

1.1 实验原料与试剂

葡萄糖，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；废纸脱墨浆，博汇造纸厂；纤维素酶，Sigma 公司；DNS，工业品，百灵威科技有限公司；氢氧化钠，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；酒石酸钾钠，分析纯，中久科技(上海)有限公司；苯酚，分析纯，上海阿拉丁生化科技有限公司；亚硫酸钠，分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

固体酸催化剂为WO3/ZrO2，在马弗炉中的焙烧温度为750 ℃，W 原子与Zr 原子的摩尔比为0.1。

1.2 主要仪器

集热式恒温加热磁力搅拌器，郑州长城科工贸有限公司；100 mL 不锈钢高压釜，大连通达反应釜厂；UV 紫外-可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；FA1004 型电子天平，上海良平仪器仪表有限公司。

1.3 酶解液中葡萄糖含量的测定

1.3.1 葡萄糖标准曲线的测定

（1）DNS 试剂配置：称取6.3 g DNS，加入蒸馏水中，置于温度在45 ℃的水浴中搅拌溶解。用量筒量取262 mL 的2 mol/mL 氢氧化钠溶液，不断搅拌的条件下逐滴加入DNS 溶液中至完全溶解。将185 g酒石酸钾钠、5 g 苯酚、5 g 亚硫酸钠溶于500 mL 蒸馏水中，把以上所有溶液混合，继续于45 ℃下搅拌至完全溶解为止。待溶液冷却，再定容于1 000 mL容量瓶中，静置6～7 d 待用。

（2）葡萄糖标准曲线的绘制：表1 是葡萄糖标准溶液、蒸馏水和DNS 试剂的反应实验条件。用紫外分光光度计于540 nm 处测出每支试管中样品溶液的吸光度值A。绘制葡萄糖浓度C 的标准曲线如图1 所示。可得到回归方程为

表1 葡萄糖标准溶液、蒸馏水和DNS试剂的反应实验条件

图1 葡萄糖溶液标准曲线

1.3.2 废纸脱墨浆酶解后溶液的葡萄糖浓度测定

将少量废纸脱墨浆酶解液加入到比色皿中，测定其吸光度值A，依据式（1）回归方程计算反应液中葡萄糖浓度C。

1.4 分析与计算方法

采用紫外分光光度计法测定反应液中5-HMF的含量，选定284 nm 为特征吸收波长[9]。

1.5 5-HMF 的制备

首先将酶解后的废纸脱墨浆溶液浓缩或稀释到合适的浓度，准确量取一定体积的上述酶解溶液与一定体积的二甲基亚砜混合，同时加入一定质量的固体酸催化剂，置于反应釜中，在100～180℃温度条件下搅拌反应一定时间后取样待测。采用紫外分光光度法测定样品的反应液中5-HMF 的含量，依据式（2）计算5-HMF 产率。

5-HMF 产率=n（反应后5-HMF）/n(反应前葡萄糖)×100% （2）

2 结果与讨论

用紫外分光光度计法测定酶解后的废纸脱墨浆溶液的吸光度，得到未处理的样品溶液中葡萄糖含量为25 mg/mL。将未处理的样品在油浴锅80 ℃下进行浓缩，由于浓缩之后的浓度不好控制，所以只需将底物浓度控制在200 g/L 左右，浓缩后的反应底物浓度为220 g/L。因此在接下来的实验中固定反应的底物浓度为220 g/L，催化剂用量为0.6 g，水相与有机相比例为1:5，在反应釜中磁力搅拌反应，研究反应温度及反应时间对产物5-HMF 产率的影响[10]。

2.1 反应时间与5-HMF 产率关系

设定反应温度为160℃，保持其他反应条件不变，反应时间对5-HMF 产率的影响如图2 所示。

图2 反应时间对5-HMF产率的影响

实验结果表明：最佳的反应时间为8 h，此时5-HMF 产率最大为44.0%。开始阶段，随着反应时间的延长，产物5-HMF 的产率增加；8 h 以后继续延长反应时间，产率减小。原因可能是超过最佳的反应时间会造成5-HMF 的降解，从而引发产物聚合使得产率降低。

2.2 反应温度对5-HMF 产率的影响

设定反应时间为8 h，其他反应条件不变。观察反应温度对5-HMF 产率的影响，结果如图3 所示。

图3 反应温度对5-HMF产率的影响

实验结果表明：最佳的反应温度为160 ℃。当温度低于160 ℃时，温度越高越有利于5-HMF 的生成，因为反应过程中的烯醇缩合反应和葡萄糖的水解反应在温度较高时更容易进行，从而获得更高的5-HMF 产率。当温度高于160 ℃时，5-HMF 产率开始下降。可见反应温度过高会使生成的5-HMF 的选择性降低，同时也会造成反应中腐黑物的生成，并且在5-HMF 浓度增加到一定程度时会进一步降解，使得分子之间聚合。

2.3 催化剂用量对5-HMF 产率的影响

固定底物浓度为220 g/L，反应温度为160 ℃，反应时间为5 h，对不同催化剂用量进行实验，产率与催化剂用量的关系如图4 所示。为节省固体酸催化剂用量，实验中选定反应底物溶液体积为10 mL。

图4 结果表明：10 mL 底物溶液中加入0.6 g 固体酸催化剂时的5-HMF 产率最大，继续增加催化剂用量很有可能5-HMF 收率继续增大，然而当进一步增加催化剂时，产率增加缓慢。原因是废纸脱墨浆酶解后溶液中产生了很多影响反应进行的抑制物，因此在反应中需要更多的催化剂来催化反应[11]。

3 结束语

本文以酶解后的废纸脱墨浆为反应底物，讨论了固定应底物浓度条件下反应过程中反应温度、反应时间、催化剂用量三个因素对产物5-HMF 产率的影响。实验结果表明这三个因素均对葡萄糖制备5-HMF 有影响。

通过实验确定了本文实验的最佳的反应条件：以酶解后的废纸脱墨浆作为反应底物的反应温度为160 ℃，反应时间为8 h。在此条件下，产物5-HMF产率最大为44.0%。在其他条件不变的情况下，增加催化剂的用量会提高5-HMF 产率。