第8卷第6期 中国科技论文 CHINA SCIENCEPAPER Vo1.8 No.6 2013年6月 June 2013 乙酰酯键和糖苷键温和氢氧化钠水解行为的研究 朱均均,朱圆圆,程 婷,季星岐,徐 勇,勇 强,佘世袁 (南京林业大学化学工程学院,南京210037) 摘要:为了水解木质纤维原料中半纤维素上的乙酰酯键而不水解或少水解高聚糖,实现从源头上分离乙酸和高聚糖,减少乙 酸对乙醇发酵的影响,以纤维二糖八乙酸酯为模型化合物,研究氢氧化钠浓度、温度、液固比和时间对乙酰酯键和糖苷键水解行 为的影响。结果表明,纤维二糖八乙酸酯在液固比100,NaOH 5 g/L,60℃下反应60 min,其乙酰酯键水解率达到90.34 。温 和氢氧化钠水解纤维二糖和葡萄糖的结果表明,氢氧化钠不仅能够水解糖苷键,也能水解碳一碳键。 关键词:乙酰酯键;糖苷键;氢氧化钠;水解行为 中图分类号:TQ031;TQ353 文献标志码:A 文章编号:2095—2783(2013)06—0565—04 Hydrolysis behavior of acetyl ester bond and glycosidic bond with mild sodium hydroxide solution Zhu JuNun,Zhu Yuanyuan,Cheng Ting,Ji Xingqi,Xu Yong,Yong Qiang,Yu Shiyuan (College of Chemical Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China) Abstract:Cellobiose octaacetate as a model compound was used to study the behavior of acetyl ester bond and glycosidic bond,in order to realize separation of acetic acid and polysaccharides from the source,and reduce the effect of acetic acid on ethanol fer— mentation through hydrolyzing acetyl ester bond from lignocellulosic hemicellulose without hydrolyzing or less hydrolyzing poly— saccharides.The effects of NaOH,temperature,liquid-solid ratio and time on the hydrolysis behavior were also explored.The results showed that the hydrolysis rate of acetyl ester bond in cellobiose octaacetate could reach 90.34 under the condition of liquid-solid ratio 100,NaOH 5 g/L,60℃,and 60 min.The hydrolysis result of cellobiose and glucose with NaOH showed that NaOH was not only able tO hydrolyze the glycosidic bond,but also capable of hydrolyzing the carbon-carbon bond. Key words:acetyl ester bond;glycosidic bond;sodium hydroxide;hydrolysis behavior 木质纤维原料生物炼制燃料乙醇的过程主要包 括预处理、纤维素酶制备及酶水解、糖液乙醇发酵等 几个关键技术[1≈]。预处理技术是第一步,其方法的 选择对后续的酶水解、乙醇发酵等技术产生很大的 影响,尤其在预处理过程中产生的抑制物,如弱酸 类、呋喃化合物类和酚类化合物对酶水解和乙醇发 酵产生一定的影响l4。]。在这些抑制物中来源于半 纤维素上乙酰酯键水解产生的乙酸影响最大|l8 ],并 且乙酸常常与糖液混合在一起。采用脱毒的方法去 除乙酸虽然可以取得一定效果,但也会增加工艺的 复杂性和经济成本_1。。 ]。研究表明,在酸性或碱性 条件下,乙酰酯键要比糖苷键更容易水解_1 。因此, 笔者主要着眼于半纤维素上乙酰酯键的水解而尽量 不水解糖苷键,从而保证乙酸与高聚糖采用固液分 离即可分开,从源头上解决乙酸与糖混在一起的问 题。因为木质纤维原料结构复杂,不利于说明乙酰 酯键和糖苷键的水解问题,因此笔者以纤维二糖八 乙酸酯为模型化合物,研究氢氧化钠浓度、温度、液 固比和时间等对纤维二糖八乙酸酯水解的影响,以 期为木质纤维原料中乙酰酯键的水解提供参考 依据。 1实验部分 1.1试剂 纤维二糖八乙酸酯,色谱纯(纯度大于98.0 ),购买于上海弘邦医药科技有限公司。氢氧化钠 及其他试剂,均为分析纯或色谱纯,购买于国药集团 化学试剂有限公司。 1.2温和氢氧化钠水解纤维二糖八乙酸酯 在150 mL三角瓶中,加入0.5 g绝干纤维二糖 八乙酸酯,然后再加入不同液固比(50~150,固体质 量以g计,液体体积以mL计,下同)、不同质量浓度 (0 ̄10.0 g/L)的氢氧化钠溶液,在不同温度(30~ 90℃)、150 r/min摇床中反应不同时问(30~9O min)。反应结束后,迅速冷却至室温,用硫酸中和至 pH 1~3采用高效液相色谱法测定纤维二糖、葡萄 糖、乙酸的质量浓度。 1.3温和氢氧化钠水解纤维二糖和葡萄糖 在150 mL三角瓶中,加入0.5 g绝干纤维二糖 或葡萄糖,然后再加入不同浓度(0~10.0 g/L)的氢 氧化钠溶液,采用上述温和氢氧化钠水解纤维二糖 收稿日期:2013—01—30 基金项目:国家自然科学基金资助项目(31100432);江苏省自然科学基金资助项目(BK2011819);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20113204120013) 作者简介:朱均均(1979一),男,副教授,主要研究方向:生物化工,zhujj@njfu.edu.cn 566 中国科技论文 第8卷 八乙酸酯的最佳液固比、温度和时间来分别水解纤 维二糖和葡萄糖,采用高效液相色谱法分析纤维二 糖、葡萄糖的质量浓度。 1.4分析方法 糖(纤维二糖、葡萄糖)、乙酸的定量分析在美国 Agillent 1100型高效液相色谱仪(HPLC)上进行。 采用Bio—Rad HPX-87H柱(7.8 mm×300 mm),柱 温55℃,流动相0.005 mol/L的硫酸,流速0.6 mL/ min,上样量1O L,示差折光检测器。外标法 测定 。 2结果与讨论 2.1纤维二糖八乙酸酯温和氢氧化钠水解去除乙酰 基条件的确定 2.1.1氢氧化钠质量浓度 纤维二糖八乙酸酯在液固比为100,不同质量浓 度(0、2.5、5.0、7.5、10.0 g/L)的氢氧化钠溶液中于 6O℃下反应6O min。氢氧化钠质量浓度对纤维二糖 八乙酸酯水解的影响如图1(a)所示。 从图1(a)中可以看出,随着氢氧化钠质量浓度 的不断增加,纤维二糖八乙酸酯的乙酰酯键不断水 解,乙酸的质量浓度从0直线增加至6.23 g/L(氢氧 化钠质量浓度5 g/L)后趋于缓慢增加的趋势,这说 明碱浓度的增加可以促进酯键的水解l_】 ;纤维二糖 则呈现先增加后下降的趋势,同时在反应体系中测 得含有葡萄糖,这说明糖苷键也发生了水解,葡萄糖 质量浓度呈现先增加后缓慢下降的趋势。如果氢氧 化钠只水解乙酰酯键和糖苷键,纤维二糖在氢氧化 钠质量浓度大于5 g/L时其浓度下降可以理解,但是 纤维二糖的糖苷键进一步水解产生的葡萄糖浓度应 该逐渐增加或者趋于不变,而实验结果则出现在氢 氧化钠质量浓度大于5 g/L时其浓度逐渐下降,这说 明氢氧化钠可能进一步水解葡萄糖,这需要在后面 通过实验来进一步证明。 根据产生的乙酸浓度计算的乙酰酯键水解率可 以看出,在氢氧化钠质量浓度为5 g/L时,乙酰酯键 水解率达到9O.34 ,如果继续增加氢氧化钠浓度, 将会进一步促进糖苷键的水解。因此,为了尽可能 多地水解乙酰酯键而不水解或少水解糖苷键,确定5 g/L的氢氧化钠质量浓度进行下一步实验。 2.1.2温度 纤维二糖八乙酸酯在液固比为i00,5.0 g/L的 氢氧化钠溶液中于不同温度(30、45、60、75、90℃)下 反应60 min。温度对纤维二糖八乙酸酯水解的影响 如图1(b)所示。 从图1(b)中可以看出,随着温度的不断升高,乙 酸的质量浓度先快速增加后趋于缓慢上升,纤维二 糖质量浓度一直下降,从3o℃的2.04 g/L一直下降 到90℃的0.67 g/I ,而葡萄糖质量浓度从30℃的 0.07 g/L快速增加到45℃的0.71 g/L后趋于缓慢 增加的趋势。因此,结合乙酰酯键水解率和糖苷键 的水解程度,选择60℃作为最佳温度。 2.1.3液固比 纤维二糖八乙酸酯在5.0 g/L的氢氧化钠溶液 中于不同液固比(50、75、100、125、150),温度60℃ 下反应60 min。为了便于数据的比较,纤维二糖八 乙酸酯在不同液固比下的浓度均转化为液固比为 100时的浓度。液固比对纤维二糖八乙酸酯水解的 影响如图1(c)所示。 从图1(c)中可以看出,随着液固比的不断增加, 乙酸质量浓度呈现先直线增加后缓慢增加的趋势; 纤维二糖呈现先增加后下降的趋势,在液固比为100 时,纤维二糖质量浓度达到最大值,为2.41 g/L;而 葡萄糖质量浓度也呈现先增加后下降的趋势。因 此,综合考虑乙酰酯键水解率和糖苷键的水解程度, 确定最佳液固比为100。 2.1.4时间 纤维二糖八乙酸酯在液固比为100,5.0 g/L的 氢氧化钠溶液中于60℃下反应不同时间(15、30、 45、6O、75 rain)。时问对纤维二糖八乙酸酯水解的影 响如图1(d)所示。 从图1(d)中可以看出,随着时间的延长,乙酸质 量浓度呈现先增加后缓慢增加的趋势,在时间为30 min时,乙酸质量浓度已达到6.17 g/L,相当于乙酰 酯键水解率为88.95 ;纤维二糖呈现缓慢下降的 趋势,葡萄糖质量浓度则呈现缓慢增加的趋势。因 此,综合考虑乙酰酯键水解率和糖苷键的水解程度, 确定最佳时间为60 min,此时的乙酰酯键水解率为 90.34 p(NaOH)/(g・L ) 3o 篇: 90 一纤维二糖一葡萄糖一乙酸 纤维二糖一葡萄糖一乙酸 液固比 t/rain 一纤维■糖一葡萄糖—.-乙酸 — f维二糖— 葡萄糖一乙酸 (c) (d) 图1各因素对纤维二糖八乙酸酯水解的影响 Fig.1 Effects of the factors on the hydrolysis of ceUobiose octaacetate 2.2温和氢氧化钠水解纤维二糖 纤维二糖在液固比为100,不同质量浓度(0、2. 第6期 朱均均,等:乙酰酯键和糖苷键温和氢氧化钠水解行为的研究 567 5、5.0、7.5、10.0 g/L)的氢氧化钠溶液中于60℃下 反应60 rain。氢氧化钠质量浓度对纤维二糖水解的 影响如表1所示。 表1 氢氧化钠质量浓度对纤维二糖水解的影响 Table 1 Effect of the mass concentrations of NaOH on cellobiose hydrolysis reaction 序号 NaOH 纤维二糖 葡萄糖 9.82 0.15 0.32 2.00 0.18 0.84 0.00 0.50 b l0.0 0.00 0.2/ 从表l中可以看出,随着氢氧化钠质量浓度的 不断增加,纤维二糖质量浓度呈现先快速下降,当氢 氧化钠质量浓度为2.5 g/L时,纤维二糖质量浓度为 0.32 g/L,后逐渐趋于零,这说明氢氧化钠能够水解 纤维二糖中的糖苷键,这才导致纤维二糖的质量浓 度下降。如果氢氧化钠只水解纤维二糖的糖苷键, 则水解产物只有葡萄糖(理论上10 g/L纤维二糖水 解产生10.53 g/L葡萄糖),并且随着纤维二糖的不 断水解,葡萄糖的质量浓度则不断增加。但从表1舳加∞∞∞∞加m 舳 ∞如∞∞加m 中的数据来看,产生的葡萄糖最高为氢氧化钠为2 黜 黜黜黜 g/L时的2.O0 g/L,并且随着氢氧化钠质量浓度的 增加,葡萄糖质量浓度也在不断降低,这说明氢氧化 钠不仅能够水解糖苷键,也能水解葡萄糖生成更小 分子的物质,因此有必要研究温和氢氧化钠水解葡 萄糖的行为。 2.3温和氢氧化钠水解葡萄糖 葡萄糖在液固比为100,不同质量浓度(0、2.5、 5.0、7.5、10.0 g/L)的氢氧化钠溶液中于60℃下反 应60 min。氢氧化钠质量浓度对纤维二糖水解的影 响如表2所示。 表2氢氧化钠质量浓度对葡萄糖水解的影响 Table 2 Effect of the mass concentrations of NaOH on glucose hydrolysis reaction 序号 NaOH 葡萄糖 5 10.0 0.64 从表2中可以看出,随着氢氧化钠质量浓度的 不断增加,葡萄糖的质量浓度呈现不断下降的趋势, 从氢氧化钠为0 g/L的9.86 g/L下降到10.0 g/L 的0.64 g/L,这说明氢氧化钠能够进一步水解葡萄 糖。因此,这可以说明采用氢氧化钠进行预处理木 质纤维原料后所得到的预水解液中半纤维素含量较 高而单糖含量较低的原因,并且木质纤维原料结构 复杂,碱主要破坏木质素的酯键连接和木聚糖,碱浓 度很高时木聚糖的平均聚合度也会降低口 。 2.4纤维二糖和葡萄糖氢氧化钠水解行为的比较 为了进一步说明纤维二糖和葡萄糖在不同氢氧 化钠质量浓度(0、2.5、5.0、7.5、10.0 g/L)下于60 ℃下反应60 rain的情况,两者的HPLC色谱图如图 2所示。 8 9 10 1l l2 l3 14 l5rain tim (b) 图2纤维二糖(a)和葡萄糖(b)氢氧化钠水解色谱图 Fig.2 HPLC chromatograms of cellobiose(a)and glucose(b)hydrolysis with NaOH 从图2(a)中的纤维二糖水解图可以看出,峰工 是纤维二糖,峰Ⅱ是葡萄糖,随着氢氧化钠质量浓度 的不断增加,峰I快速降低,峰Ⅱ先增高后降低,峰 Ⅱ之后又出现了大小不一的若干个峰,这说明产生 的糖也不断发生降解生成更小分子的物质。从图2 (b)中葡萄糖水解可以看出,随着氢氧化钠质量浓度 的不断增加,峰工葡萄糖不断降低,峰I之后出现了 若干个峰,进一步说明了葡萄糖在氢氧化钠作用下 碳一碳键发生了进一步水解生成更小分子的物质,这 些小分子物质有待进一步研究。 3结论 1)纤维二糖八乙酸酯在液固比为100,5 g/L氢 氧化钠溶液下于6O℃下反应60 rain,此时的乙酰酯 键水解率为9O.34 。 2)纤维二糖在液固比为100,不同氢氧化质量钠 浓度下于60℃下反应60 rain,随着氢氧化钠质量浓 度的不断增加,纤维二糖质量浓度快速下降后逐渐 趋于零,葡萄糖质量浓度先增加后降低,说明葡萄糖 会进一步水解。 3)葡萄糖在液固比为100,不同氢氧化钠质量浓 度下于60℃下反应60 rain,随着氢氧化钠质量浓度 的不断增加,葡萄糖质量浓度快速下降后缓慢下降, 这说明氢氧化钠能够进一步水解葡萄糖中的碳一碳键 生成更小分子的物质。 (由于印刷关系,查阅本文彩色图片,请浏览 http://j ourna1.paper.edu.cn) [参考文献](References) Eli朱均均,陈尚钎,勇强,等.玉米秸秆生物炼制燃料乙 568 中国科技论文 第8卷 醇的研究_LJ].林产化学与工业,2011,31(6):35—40. 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