纤维素水解方法的研究
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试验研究
ShiyanYanjiu
纤维素水解方法的研究
许洪铭，龚倩云
（重庆市西南大学食品科学学院，重庆400716）
摘要：纤维素是葡萄糖聚合物，在自然界中储量极其丰富，在纤维素酶的催化条件下可分解产生二糖或葡萄糖，鉴于纤维素水解发酵生产乙醇对解决能源危机有很大帮助，通过讨论常用的纤维素水解方法以及酶解效率的测定方法，旨在提高纤维素酶解效率。关键词：纤维素；纤维素酶；酶解中图分类号：Q586
文献标志码：A
纤维素是葡萄糖聚合物，在自然界中储量极其丰富，在纤维素酶的催化条件下可分解产生二糖或葡萄糖，目前尚未完全开发利用。我们期望能将地）、最廉价的可球上最丰富（占全球总生物量80％再生资源纤维素转化为能直接利用的能源和资源。目前常用的水解纤维素方法为酸解法，超临界水水解和酶解法，但对于纤维素酶解效率的测定尚无统一的方法，本文对该方法进行了讨论。1
酸解法
的影响见图2。
30还原糖得率/%
20100
◆◆▲▲▲
▲
◆▲
▲◆
▲◆8
10
2
46硫酸质量分数/%◆-滤纸；▲-脱脂棉
图180min、180℃下硫酸浓度与还原糖得率关系
30还原糖得率/%
20100
1.1试验方法
准确称取烘干至恒重的纤维素原料，与稀硫酸
充分混合，定温加热，冷却至室温。采用硫酸作为催化剂，水解液中残留酸用石灰石处理，防止二次污染，用98%硫酸配制0.8%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%和9%浓度梯度的稀酸溶液进行糖化反应以确定最佳硫酸浓度。将水解液转8000r/min），移到50mL离心管中，离心10min（
将上清液转移到100mL容量瓶中，所得沉淀用蒸馏水洗涤后再离心，所得上清液一并转移至容量瓶中，定容，混匀，作为还原糖待测液。
60
80
时间/min--脱脂棉
90
图2180℃、4%硫酸条件下反应时间对还原糖得率的影响
由图2可知，还原糖得率随反应时间的增加而升高。但这个关系不是无限的，还原糖得率是一个动态数据，随着反应时间的延长，纤维素不断转化为还原糖，但同时大量的还原糖转化为副产物，使还原糖得率不断下降。1.2.3
反应温度的影响
80min、4%硫酸条件下反应温度对还原糖得率的影响见图3。
如图3可知，还原糖得率在80min、4%硫酸的反应条件下2种纤维素都是在170℃条件下还原糖得率最大。
1.21.2.1
结果与分析酸浓度的影响
在180℃条件下应用不同浓度硫酸处理2种
纤维素原料。80min、180℃下硫酸浓度与还原糖得率关系见图1。
如图1可知，在180℃的反应条件下，4%硫酸是最佳酸浓度。1.2.2
反应时间的影响
180℃、4%硫酸条件下反应时间对还原糖得率
2010农产品加工79
试验研究
ShiyanYanjiu
30还原糖得率/%
20100
栏目主持人：刘润平
续反应，避免水解产物的裂解和脱水从而提高其产量。超临界和近临界状态下水的性质是不同的，水在前者中的密度、离子积和介电常数都发生了变化，可能是由于水的这些特性不同，所以在两种状态下发生的反应也不同。2.2.3
催化剂的影响
在无催化剂存在时，纤维素的水解实验条件为25MPa、320℃~400℃。其中在400℃，停留时间为0.01s~0.05s时水解物产率达到65％~77％，转化率为98％~100％，但是葡萄糖产量很低，仅为2.3％~24.2％。所以，在超临界纯水条件下通过调节温度、压力可提高纤维素转化率，但是目标产物的产率不高。通过使用硫酸铜、硫酸亚铁和硫酸镁等硫酸盐为催化剂对纤维二糖在超临界水中的转化进行了研究，结果发现在CuSO4加入量为3.2mol/L时的催化效果最好，纤维二糖的转化率为82.3％~96.7％，葡萄糖的产率为44.6％~51.5％，是无催化剂体系中的3倍~4倍。3
酶解法[3]
研究人员对纤维素酶使纤维素转化为葡萄糖的过程提出了不同看法。1950年Reese对纤维素酶的作用方式提出了著名的C1~Cx假说，并得到大多数人的支持。C1~Cx理论要点是C1酶首先作用于结晶纤维素，使其改变成可被Cx酶作用的形式，Cx酶随机水解非结晶纤维素，即可溶性纤维衍生物和葡萄糖的-1,4-寡聚糖，葡萄糖苷酶将纤维二糖和纤维三糖水解成葡萄糖。
C1和Cx分阶段水解纤维素的理论尚没得到证实。若先用C1酶作用结晶纤维素，然后将C1酶与底物分开再加入Cx酶，如此顺序作用并不能将结晶纤维素水解，只有当C1、Cx以及葡萄糖苷酶同时存在才能水解天然纤维素。对于纤维素酶的作用机理，目前尚不十分明确，有待进一步研究。参考文献：[1][2][3]
王攀.纤维素超临界水水解糖化研究进展[J].天津化工，2007，11（6）：1-3.
包怡红，秦蕾.植物半纤维素生物降解条件的研究[J].酿酒，2007，11（6）：37-39.
张继泉，王瑞明，孙玉英.利用木质纤维素生产燃料酒精的研究进展[J].酿酒科技，2003（1）：39-42.◇
160
170
温度/℃--脱脂棉
180
图380min、4%硫酸条件下反应温度对还原糖得率的影响2
超临界水解法
2.1水解反应动力学[1]
在低于超临界温度下葡萄糖和低聚糖的转化速
率高于纤维素的水解速率，水解生成的葡萄糖和低聚糖等水解产物会被快速的分解掉，所以目的产物产量很低。然而在临界点附近，纤维素的水解速率会提升一个数量级，这时水解速率超过目的产物的分解速率，使目的产物的产率升高。因此，纤维素在超临界水中的水解产量大于亚临界水中的水解产量，从而使葡萄糖等单糖得到积累。
水解速率在临界点附近突然上升，普遍认为是由于在超临界条件下水的性质发生了改变，纤维素溶解度增大，反应成为均相反应，从而提高了反应速率。水解速率在超临界点附近增大是因为纤维素的膨胀和在水中的溶解，当温度达到400℃（压力为25MPa）时，反应成为均相反应。
2.22.2.1
水解反应条件及影响[2]温度的影响
温度较低（＜35℃）时的主要产物是葡萄糖
的水解产物，如赤藓糖、甘油醛、丙酮醛、1,6-葡萄糖酐、5-羟甲基糠醛、糠醛和酸；然而在温度较高（＞35℃）时的主要产物是纤维素的水解产物，包括单糖（葡萄糖和果糖）和低聚糖（纤维六糖、纤维五糖、纤维四糖、纤维三糖）。2.2.2
停留时间的影响
对不同种类的纤维素进行研究的结果发现所有纤维素水解的模式是一样的，只是葡萄糖的产量不同。大部分纤维素在5s~10s时水解产物量最大，随着停留时间的延长水解产物又发生热解反应，葡萄糖逐渐消失。在超临界条件下纤维素的水解产物会发生裂解，使得水解产物产量降低。当改变了实验条件，纤维素在连续式反应器中，在超临界状态下停留很短时间（0.1s），然后在近临界状态下继
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