干燥和壓榨作用下纖維素水解障礙機理

楊曉敏 萬金泉，2 馬邕文，2 王 艷

(1.華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510640;2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

隨著世界性能源危機的加劇，尋找替代石油、煤炭等化石燃料的新能源是科研工作者的當(dāng)務(wù)之急。作為一種儲量豐富的可再生能源，纖維素的水解利用引人注目，一般采用的原料是秸稈、稻草等原生植物纖維，而再生植物纖維乙醇化的報道很少。隨著植物資源日益短缺和對環(huán)境保護(hù)的重視，再生植物纖維的回收利用以及將其用于水解已成為一種發(fā)展趨勢，然而如何將其有效轉(zhuǎn)化成為葡萄糖還存在很多障礙。

近年來，關(guān)于纖維素大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的研究主要集中在纖維素各種結(jié)晶變體間的轉(zhuǎn)化，廣角X射線衍射(XRD)和紅外光譜(FT-IR)是研究纖維素結(jié)構(gòu)的有效手段。其中，XRD在確定纖維素晶型轉(zhuǎn)化、纖維素結(jié)晶度、晶面指數(shù)和晶面尺寸等方面發(fā)揮了重要作用［1-3］。FT-IR是研究纖維素分子鏈中氫鍵結(jié)構(gòu)的有效方法［4-5］，氫鍵的形成使纖維素分子鏈的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為牢固，不利于纖維素的化學(xué)改性［6-8］。將XRD和FT-IR結(jié)合研究氫鍵類型間的轉(zhuǎn)化可以作為研究各種工藝條件下纖維素晶體結(jié)構(gòu)變化的一種新思路［9-10］。纖維素的氫鍵包括分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵，氫鍵類型和其相對含量的分布影響纖維素晶型、改性等物理化學(xué)性能。本研究通過改變不同的干燥和壓榨條件，結(jié)合XRD和FT-IR，從纖維素晶型變化以及氫鍵模式分布出發(fā)，研究其對再生植物纖維纖維素催化水解過程的影響，為進(jìn)一步研究纖維結(jié)構(gòu)，提高植物纖維纖維素水解率奠定基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 原料

初始原料為桉木，經(jīng)硫酸鹽法蒸煮(蒸煮條件:用堿量17%，硫化度25%，液比1∶4;用堿量和硫化度均以Na2O計)脫除木素，曬干后備用。

采用GBJ-A標(biāo)準(zhǔn)疏解器將脫除木素的纖維疏解后在Frank Rapid Kothen抄片器上按GB7981—87標(biāo)準(zhǔn)抄成定量為60 g/m2的手抄片。在抄紙過程中:壓榨分別采用0.1、0.2、0.3、0.4 MPa 進(jìn)行2 次壓榨，正反面各1次，然后自然風(fēng)干;分別采用60、80、100、120℃對樣品進(jìn)行干燥，干燥時間為15 min。所得手抄片使用微型植物粉碎機粉碎后作為水解反應(yīng)原料備用。

固體酸催化劑的制備:稱取20 g微晶纖維素在400℃ N2氣氛下加熱6 h。所得黃黑色固體經(jīng)過研細(xì)后，取1 g加入10 mL濃硫酸，在150℃ N2氣氛下處理10 h。隨后冷卻到室溫，用80℃以上的熱水洗滌，直至洗液中檢測不出SO2-4為止，即得到相應(yīng)的磺化碳固體酸催化劑。

1.2 實驗方法

催化纖維水解反應(yīng)在25 mL玻璃反應(yīng)管中進(jìn)行，反應(yīng)開始前將催化劑、再生植物纖維和蒸餾水按照一定比例加入，通過油浴鍋控制反應(yīng)溫度和磁力攪拌速率。反應(yīng)結(jié)束后取出玻璃反應(yīng)管自然冷卻，反應(yīng)液經(jīng)0.22 μm濾膜過濾，轉(zhuǎn)移至試管中待測定。

表1 HPAEC-PAD的測試條件

1.3 分析方法

葡萄糖采用HPAEC-PAD(Dionex ICS-3000)進(jìn)行分析，測試條件見表1。

XRD測定采用德國 Bruker公司產(chǎn)的 D8 ADVANCE型X射線衍射儀。測試條件:Cu靶，Lynx-Exe陣列探測器，管壓40 kV，管流40 mA，掃描步長 0.04°，掃描速率0.2 s/步，掃描范圍 4°～60°。

FT-TR測定采用美國Nicolet公司生產(chǎn)的NEXUS 670型傅里葉變換紅外光譜儀，OMNIC7.3.0.94操作軟件，掃描范圍4000～500 cm-1。

TOC測定采用日本島津TOC-4100總有機碳分析儀測定。TOC為水解液中的碳含量，是由固相轉(zhuǎn)化而來，其變化可以間接衡量纖維的水解程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥溫度對再生植物纖維纖維素的影響

2.1.1 樣品的XRD譜圖分析

圖1為不同干燥溫度下再生植物纖維纖維素的XRD譜圖。從圖1可以看出，不同樣品特征衍射峰的位置基本沒變，說明晶型沒有發(fā)生改變，仍然是纖維素Ⅰ，但是隨干燥溫度的升高，樣品的衍射峰相對強度明顯增強，特別是002面的結(jié)晶峰，其相對衍射強度分別為1660、2391、3000、3289。

圖1 不同干燥溫度下再生植物纖維纖維素的XRD譜圖

2.1.2 纖維素的結(jié)晶度和晶面尺寸的變化

對于不同干燥溫度處理后植物纖維纖維素的XRD譜圖進(jìn)行分峰擬合分析，分峰后得到的不同干燥溫度下纖維素的結(jié)晶度和晶面尺寸的參數(shù)列于表2。由表2可以看出，隨干燥溫度的升高，結(jié)晶度明顯 上 升， 分 別 為 57.41%、64.37%、68.10% 和68.93%，同時垂直002面微晶體尺寸也發(fā)生改變，4種樣品的晶面尺寸經(jīng)過計算分別為11.38、11.87、13.10、12.64 nm，微晶橫截面積分別為 139.18、151.88、164.08、159.26 nm2。由此可以看出，在低于100℃時，隨著干燥溫度的升高，晶面尺寸與橫截面積明顯增大，與結(jié)晶度的變化規(guī)律一致。但經(jīng)過120℃處理后，結(jié)晶度仍然增大，晶面尺寸與橫截面積卻減小。這可能是由于纖維素分子鏈表面的羥基與水分子結(jié)合的氫鍵較弱，在干燥過程中發(fā)生脫水?dāng)嗔眩瑪嗔押蟮淖杂闪u基之間重新結(jié)合形成新的分子內(nèi)和分子間氫鍵，使纖維素分子鏈排列更加有序，從而導(dǎo)致結(jié)晶度上升。當(dāng)溫度升高至120℃，新形成的分子間氫鍵在熱力作用下收縮，平行的晶面之間聚集使得晶面尺寸減小，導(dǎo)致纖維素的共結(jié)晶現(xiàn)象［11-12］。

表2 不同干燥溫度下纖維素結(jié)晶度和晶面尺寸的變化

2.1.3 FT-IR分析

圖2為不同干燥溫度下再生植物纖維纖維素的紅外譜圖。如圖2所示，經(jīng)不同溫度處理后，沒有新的吸收峰出現(xiàn)，說明沒有在纖維素分子中引入新的基團(tuán);吸收峰強度的差異表明干燥溫度對原有基團(tuán)的振動強度產(chǎn)生了影響。隨干燥溫度的升高，代表氫鍵的3650～3000 cm-1間的吸收峰強度有所降低，這主要是因為經(jīng)干燥后，胞腔發(fā)生塌陷，形成部分不可逆的鍵合。而120℃時氫鍵吸收峰明顯增強，可能是因為溫度的提高使得纖維素分子鏈的斷面運動加劇，氫鍵重排的可能性變大，這一點也與采用XRD分析的結(jié)論一致。

圖2 不同干燥溫度下再生植物纖維纖維素的紅外譜圖

2.1.4 紅外譜圖的氫鍵擬合分析

纖維素結(jié)晶區(qū)的羥基通過氫鍵產(chǎn)生作用，由于氫鍵分為分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵，表現(xiàn)在紅外光譜的吸收波數(shù)是不一樣的。對紅外譜圖求二階導(dǎo)數(shù)，尋找分峰的位置，根據(jù)文獻(xiàn)報道［13］，纖維素Ⅰ分子內(nèi)氫鍵O(2)H…O(6)、O(3)H…O(5)和分子間氫鍵O(6)H…O(3')的特征吸收波數(shù)分別為3455～3410、3375～3340、3310～3230 cm-1，由此結(jié)合導(dǎo)數(shù)光譜進(jìn)行高斯分峰擬合。

圖3列出了不同干燥溫度下纖維素的紅外譜圖氫鍵區(qū)域擬合，分出了纖維素中的3種主要氫鍵形式，分別用譜帶1、2、3表示。表3列出了氫鍵擬合結(jié)果和分峰的強度。

圖3 不同干燥溫度下纖維素紅外譜圖氫鍵區(qū)域擬合圖

表3 不同干燥溫度下纖維素紅外譜圖氫鍵區(qū)域的擬合結(jié)果

從4個樣品的紅外譜圖氫鍵區(qū)域擬合結(jié)果可以看出，再生植物纖維纖維素中分子間氫鍵占據(jù)主導(dǎo)，纖維素鏈間主要靠分子間氫鍵結(jié)合在一起，穩(wěn)定纖維素鏈，而分子內(nèi)氫鍵處于輔助地位，符合分子間氫鍵的鍵能大于分子內(nèi)氫鍵的規(guī)律［14］。隨干燥溫度的升高，樣品結(jié)晶度增大，4個樣品的分子內(nèi)氫鍵O(2)H…O(6)的強度從3.71%上升到6.72%，分子內(nèi)氫鍵O(3)H…O(5)的強度從21.05%上升到35.14%，分子間氫鍵O(6)H…O(3')的強度從75.24%下降到58.14%。這主要是由于隨干燥溫度的升高，纖維素分子中的結(jié)合水被不斷脫除，纖維素表面的自由羥基會相互結(jié)合形成新的分子內(nèi)和分子間氫鍵，當(dāng)溫度超過100℃時，纖維素分子內(nèi)氫鍵的強度明顯增大，從而使無定形區(qū)有序性增強，纖維內(nèi)部晶態(tài)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，導(dǎo)致纖維難于水解。

2.1.5 再生植物纖維纖維素催化水解產(chǎn)糖率分析

纖維素微觀結(jié)構(gòu)的變化必然會對其宏觀性質(zhì)和反應(yīng)性能造成影響。如圖4所示，在干燥溫度為60℃時，纖維素水解率和葡萄糖產(chǎn)率最高，之后隨干燥溫度的升高，纖維素水解率逐漸降低，葡萄糖產(chǎn)率也隨之降低，兩者的變化與纖維素結(jié)晶度的變化規(guī)律一致，由此可以看出，干燥溫度通過對纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)等微觀結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)一步影響其水解性能。在催化水解過程中，溫度的升高使得纖維素的無定形區(qū)更有序，阻礙了催化劑的有效官能團(tuán)與纖維素自由羥基之間的接觸，從而增大了纖維素水解的難度，導(dǎo)致葡萄糖產(chǎn)率下降。

圖4 不同干燥溫度下再生植物纖維纖維素催化水解產(chǎn)糖率的變化

2.2 壓榨壓力對再生植物纖維纖維素的影響

2.2.1 樣品的XRD譜圖分析

圖5為不同壓力條件下再生植物纖維纖維素的XRD譜圖。從圖5可知，不同樣品特征衍射峰的位置基本沒變，說明晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，仍然是典型的纖維素Ⅰ，但是隨壓榨壓力的升高，樣品的衍射峰相對強度逐漸增強，002面的結(jié)晶峰相對衍射強度分別為1986、2857、3142、3581。

圖5 不同壓力條件下再生植物纖維纖維素的XRD譜圖

2.2.2 纖維素的結(jié)晶度和晶面尺寸的變化

對于不同壓榨壓力的纖維素XRD譜圖進(jìn)行分峰擬合分析，分峰后得到了不同壓榨壓力下再生植物纖維纖維素的結(jié)晶度和晶面尺寸的參數(shù)(見表4)。隨壓榨壓力的增大，結(jié)晶度明顯上升，分別為53.58%、65.14%、67.92% 和 70.09%，同時垂直002面微晶體尺寸也隨之增大，4種纖維素樣品的晶面尺寸分別為 11.60、12.83、14.34、17.11 nm，微晶橫截面積分別為215.18、218.05、275.11、286.76 nm2。由此可以看出，經(jīng)壓力作用后，纖維素的結(jié)晶度以及微晶體尺寸都明顯增大，這可能是纖維素各晶區(qū)之間在壓力作用下相互靠近發(fā)生了晶區(qū)間的合并所致，同時壓力的增大使得纖維素分子鏈被壓實，分子間更易結(jié)合，特別是無定形區(qū)內(nèi)部的自由羥基得以靠近并結(jié)合，從而導(dǎo)致結(jié)晶度上升。

表4 不同壓榨壓力下纖維素結(jié)晶度和晶面尺寸的變化

2.2.3 FT-IR分析

圖6為不同壓榨壓力條件下再生植物纖維纖維素的紅外譜圖。從圖6可知，4個樣品的紅外譜圖基本相同，經(jīng)過壓力作用后，沒有新的吸收峰出現(xiàn)，說明在纖維素分子中沒有引入新的基團(tuán)，仍然是典型的植物纖維纖維素紅外圖譜。隨壓榨壓力的升高，纖維素紅外結(jié)晶指數(shù)增大，分別為 90.89%、93.17%、94.41%和95.84%，這說明壓力作用使得分子間的氫鍵發(fā)生了重排，且其強度隨壓力增大而增強。

圖6 不同壓榨壓力條件下再生植物纖維纖維素的紅外譜圖

2.2.4 紅外譜圖的氫鍵擬合分析

圖7顯示了不同壓榨壓力下纖維素紅外譜圖氫鍵區(qū)域擬合，表5列出了氫鍵擬合結(jié)果和分峰的強度。

從表5可知，不同壓力作用后，纖維素分子的氫鍵仍然以分子間氫鍵O(6)H…O(3')為主導(dǎo)，但是隨壓榨壓力的升高，纖維素的分子內(nèi)氫鍵O(2)H…O(6)和O(3)H…O(5)明顯向高頻移動，而分子間氫鍵也向高頻移動，不過在壓力0.4 MPa作用后卻向低頻移動，這說明分子間發(fā)生了重排。隨壓榨壓力的升高，分子間氫鍵的強度先增強后減弱，分別為 32.59%、53.31%、64.33%、59.04%，而分子內(nèi)氫鍵的強度卻隨壓力作用的增大而減小，在壓力達(dá)到0.4 MPa之后再次增強。這可能是壓力作用的增大一方面使得部分分子內(nèi)氫鍵發(fā)生斷裂，轉(zhuǎn)化成為分子間氫鍵的連接，另一方面導(dǎo)致晶區(qū)結(jié)合，分子間更加容易接觸，纖維素?zé)o定形區(qū)的自由羥基得以靠近，形成更多的分子間氫鍵，這一點也在XRD分析過程中得到證實。當(dāng)壓力升高到0.4 MPa以后，由于外力的增強，分子間氫鍵發(fā)生斷裂，在單個纖維素分子鏈上，葡萄糖內(nèi)部斷裂的分子間氫鍵重新結(jié)合成為分子內(nèi)氫鍵O(2)H…O(6)和O(3)H…O(5)，也就是分子間氫鍵發(fā)生重排向分子內(nèi)氫鍵轉(zhuǎn)化。

圖7 不同壓榨壓力條件下纖維素紅外譜圖氫鍵區(qū)域擬合圖

表5 不同壓榨條件下紅外譜圖氫鍵區(qū)域的擬合結(jié)果

2.2.5 再生植物纖維纖維素催化水解產(chǎn)糖率分析

圖8為不同壓榨壓力下再生植物纖維纖維素催化水解產(chǎn)糖率的變化。如圖8所示，隨壓榨壓力的增加，再生植物纖維纖維素水解率逐漸降低，但葡萄糖產(chǎn)率卻呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。經(jīng)過壓力作用，纖維素結(jié)晶度明顯上升，纖維素中分子內(nèi)氫鍵向分子間氫鍵轉(zhuǎn)化，阻礙了催化劑與纖維素的相互作用，從而導(dǎo)致纖維素水解率下降。在經(jīng)過0.4 MPa處理后，葡萄糖產(chǎn)率略有回升，這可能是纖維素分子中發(fā)生了氫鍵重排，分子內(nèi)氫鍵強度增大所致。

圖8 不同壓榨壓力下再生植物纖維纖維素催化水解產(chǎn)糖率的變化

3 結(jié)論

3.1 經(jīng)不同溫度干燥后，纖維素I的基本晶型結(jié)構(gòu)沒有改變，也沒有新的基團(tuán)產(chǎn)生或引入，但是結(jié)晶度隨干燥溫度的升高而增大，晶面尺寸從11.60 nm增至17.11 nm，微晶橫截面積從 215.18 nm2增至286.76 nm2，結(jié)晶區(qū)明顯增加，這說明溫度作用使得纖維素?zé)o定形區(qū)更加有序，向結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化。

3.2 經(jīng)過不同壓力作用后，纖維素晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，纖維素結(jié)晶度由53.58%提高至70.09%，晶面尺寸由11.60 nm增至17.11 nm，微晶橫截面積由215.18 nm2增至286.76 nm2，這是壓力作用下纖維素晶區(qū)間結(jié)合所致。

3.3 經(jīng)過不同干燥溫度和壓榨壓力處理后植物纖維纖維素的水解率均下降，葡萄糖產(chǎn)率也隨之降低，只有壓力達(dá)到0.4 MPa時才略有回升。溫度的升高使得纖維素中羥基結(jié)合更緊密，排列更有序，催化劑的官能團(tuán)與纖維素自由羥基不能大量結(jié)合;壓力增大導(dǎo)致晶區(qū)間結(jié)合，使得水解過程中纖維素晶體結(jié)構(gòu)的破除難度增大，催化劑的官能團(tuán)不能有效滲入到分子中，從而造成纖維素水解率下降，影響葡萄糖產(chǎn)率。

3.4 紅外譜圖氫鍵區(qū)域擬合結(jié)果表明，纖維素鏈間主要靠分子間氫鍵O(6)H…O(3')結(jié)合在一起，穩(wěn)定纖維素鏈，而分子內(nèi)氫鍵處于輔助地位。不同干燥溫度處理后，纖維分子內(nèi)的結(jié)合水被逐漸脫除，表面的自由羥基增加，而自由羥基通過分子內(nèi)氫鍵O(2)H…O(6)和O(3)H…O(5)結(jié)合，其強度隨溫度升高而增加;不同壓榨壓力處理后，分子間氫鍵的強度先增強后減弱，而分子內(nèi)氫鍵變化規(guī)律正好相反，主要由于壓力作用的增強使得部分氫鍵斷裂重排，分子間氫鍵向分子內(nèi)氫鍵轉(zhuǎn)化。

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