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竹黄制备戊糖的工艺研究

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《化学工业与工程技术杂志》2014年第二期

1试验方法

1.1竹黄半纤维素水解称取绝干重4.5g的竹黄废屑于250mL磨口锥形瓶中,按一定液固比加入实验设计浓度的稀硫酸,置于恒温加热磁力搅拌器中,开启磁力搅拌,并连接冷凝管进行水解。反应结束后,从油浴中取出锥形瓶,塞紧瓶塞,放入冷水浴中冷却,用已恒重的G2玻璃滤器进行抽滤,并用干净的250mL滤瓶收集水解液。水解残渣用蒸馏水反复洗涤至中性,在(105±2)℃烘箱中烘至恒重,水解液经离心得上清液进行戊糖含量的测定。

1.2竹黄水解戊糖收率和底物得率的计算水解液中戊糖浓度的测定采用间苯三酚比色法。该法具有灵敏度高、受葡萄糖干扰性小等优点,是戊糖含量测定的常用方法。精确吸取4mL水解液,用蒸馏水定容至50mL后,分别吸取0.4~0.6mL待测水解液于25mL比色管中,补加蒸馏水至2.0mL,加入新配制的间苯三酚显色剂10mL,沸水浴中加热10min(样品放入重新沸腾时计)。反应结束后,流水迅速冷却至室温,用蒸馏水定容至25mL,摇匀,以蒸馏水作参比,用1cm比色皿于553nm波长处测定吸光度值A553,查木糖标准曲线(见图1)得水解液戊糖浓度。戊糖收率计算方法如下:1.3正交试验在单因素试验的基础上选取影响戊糖收率的主要因素进行正交试验,根据单因素试验的最佳条件,分别选最优点左右各一点作为水平进行正交试验设计,考察竹黄半纤维素水解最优条件。

2结果与分析

2.1竹黄半纤维素水解单因素试验

2.1.1液固比固定水解温度110℃,保温时间2h,加药量相同的条件下考察了液固比对竹黄稀酸水解的影响,液固比变化范围为6∶1~12∶1(体积与质量比,下同),试验结果见图2。由图2可见:随着液固比的增加,戊糖收率呈先增加后降低趋势,在液固比为10∶1时达到最高值,且在10∶1~12∶1内趋于稳定。由此可知,当液固比较低时,在加药量一定的情况下,若液固比太低,会影响半纤维素与药液的混合均匀性,水解反应不充分;另外,在H+浓度较高的环境中,水解液中的戊糖发生副反应可能是戊糖收率较低的原因;随着液固比的增加,底物与药液混合均匀,有较多的半纤维素发生水解,从而戊糖收率会逐渐增加;当液固比过高时,水解体系中H+浓度较低,半纤维素水解速率较慢,与高H+体系相比,在相同时间内溶出的戊糖减少,从而导致液固比高于12∶1时,戊糖收率降低。底物得率随液固比的增加而呈下降趋势,这是因为随着液固比的增加,药液与原料混合均匀,半纤维素水解较多;但液固比过高时,硫酸浓度低,半纤维素的水解不彻底,并未完全转化为戊单糖。液固比在6∶1~12∶1,戊糖收率可以达到最高,戊糖收率为54.08%~65.09%,液固比的变化对戊糖收率的影响不是很大;液固比在10∶1~12∶1最佳。考虑液固比太高的水解液中戊糖浓度低,不利于水解液的浓缩,所以选择液固比10∶1为宜。

2.1.2反应温度固定液固比10∶1、反应时间2.0h、硫酸质量分数4%的条件下,探究了水解温度对竹黄半纤维素水解的影响,温度在90~120℃,试验结果见图3。由图3可见:随着温度的增高,戊糖收率先升高后降低,底物得率线性降低。温度为90℃,戊糖收率仅为7.45%;温度升高到110℃时,戊糖收率增加到65.09%;温度继续升高到115℃,戊糖收率增加平缓;在115~120℃之间,戊糖收率出现缓慢下降。温度从90℃升高到110℃,底物得率从90.03%降低到81.12%;继续增加到120℃,底物得率降低到79.02%,仅降低了约2百分点。由此说明,水解温度对稀酸预处理效果的影响很显著,在较低温度时半纤维素溶出量有限,戊糖收率较低;随着温度的增高,大量半纤维素发生降解溶出,戊糖收率随之增加;温度过高时,半纤维素水解速率增加,少量纤维素也可能发生降解,从而出现底物得率在110℃后缓慢降低的趋势;而戊糖收率出现下降趋势可能是由于戊糖副反应速率的增加所致。综合分析,水解温度对提高半纤维素化学反应活性有重要作用,选择适宜的水解温度为115℃。

2.1.3硫酸质量分数木质生物质的预处理就是化学试剂与生物质中的特定成分发生反应,化学药品的用量关系到化学反应发生的程度,对化学反应的进行极为重要。固定液固比10∶1,温度115℃,水解时间2.0h,改变硫酸质量分数1%~5%,探究硫酸质量分数对竹黄半纤维素水解过程中的影响,试验结果如图4所示。由图4可见:随着硫酸质量分数的增加,戊糖收率呈先上升后下降趋势;当硫酸质量分数为4%时,戊糖收率最高。当硫酸质量分数增加时,半纤维素水解速率和戊糖的副反应速率均增加;硫酸质量分数过高时,戊糖的副反应速率快于其产生速率,导致戊糖收率降低,故硫酸质量分数大于5%时,戊糖收率的变化主要是因为副反应速率的影响;硫酸质量分数低于3%时,半纤维素的水解速率降低,反应不完全,戊糖收率降低。综合分析,硫酸质量分数对半纤维素水解反应进程有很大影响,对戊糖收率影响显著,选择硫酸质量分数4%为宜。

2.1.4水解时间在预处理过程中,保温时间是一个重要的参数,选择适宜的保温时间既能保证反应充分又能降低能耗。固定液固比10∶1,温度115℃,硫酸质量分数4%,水解时间变化范围1.0~2.5h,对竹黄废屑进行预处理,研究处理后的戊糖收率和底物得率,试验结果见图5。由图5可见:随着水解时间的延长,戊糖收率呈逐渐增加趋势,底物得率呈逐渐降低趋势,在1.0~2.0h内增加明显,随后趋于平稳,两者变化一致。在保温时间1.0h时,戊糖收率12.04%;时间延长至2.0h时,戊糖收率增加至65.79%,提高了5倍,底物得率由85.20%降为80.89%;进一步将保温时间延长至2.5h,戊糖得率增加至67.78%,相比2.0h时仅提高约2个百分点,但在2.25h时有个峰值68.15%;底物得率为80.44%,与2.0h相比基本没有发生变化。分析原因可能是因为时间的延长促进了半纤维素的溶出,同时水解液中的少量戊糖发生副反应,在半纤维素水解率达到一定时,戊糖的生成速率低于副反应速率,导致戊糖收率出现下降趋势。选择适宜的保温时间,尽量减少副反应带来的损失。在竹屑预处理的过程中,保温时间为2.25h时,半纤维素的水解比较充分,戊糖收率达到最高68.15%。

2.2正交试验

由于液固比对预处理效果影响不明显,所以选取A(水解温度,℃)、B(水解时间,h)、C(硫酸质量分数,%)为影响因素进行正交试验。根据单因素试验较好的水解条件进行正交试验设计,水平和试验结果见表1和表2。表2中,k1,k2,k3分别表示在各因素各水平条件下戊糖收率的平均值,用来反映同一因素的各不同水平对戊糖收率影响的大小,并以此来确定各因素应取的最佳水平;同一因素各水平条件下平均戊糖收率的极差R用来反映各因素的水平变动对戊糖收率影响的大小,极差越大对戊糖收率的影响越明显。由表2可见:各因素对戊糖收率的影响由大到小的顺序为A,C,B。由表2正交试验结果可见:竹黄半纤维素最佳水解条件为A2B2C3,即反应温度115℃,反应时间2.25h,硫酸质量分数5%。在此水解条件下,戊糖收率73.78%,底物得率78.67%。

3结论

1)在竹黄半纤维素稀酸水解过程中,反应温度、反应时间和稀酸浓度对戊糖收率的影响较明显,液固比对戊糖收率的影响不明显,各因素对竹黄水解的影响由大到小顺序为A(反应温度)、C(稀酸浓度)、B(反应时间)。2)在液固比为10∶1的条件下,竹黄稀酸水解的最优条件为:水解温度115℃,水解时间2.25h,硫酸质量分数5%。在此条件下戊糖收率为73.78%,底物得率为78.67%。

作者:别士霞沈葵忠房桂干焦健单位:中国林业科学研究院林产化学工业研究所 中国林业科学研究院林业新技术研究所

化学工业与工程技术杂志责任编辑:田老师    阅读:人次