在試驗的過程中我們難免會出現(xiàn)小錯誤

致謝本專題的製作，首先要感謝 劉仁煥老師的教導(dǎo)，在實驗的過程中我們難免會出現(xiàn)小錯誤，但是老師還是會不厭其煩的給予我們很多實驗上的指導(dǎo)以及勉勵，讓我們在這次的實驗中增加了許多寶貴的經(jīng)驗 ，並且也讓我們成長了許多。本實驗?zāi)苋缙诘耐瓿?，也要感謝 汪信宏先生在實驗器材、實驗藥品以及實驗室方面的提供協(xié)助，也感謝系上老師們的教導(dǎo)，使我們擁有許多寶貴的知識。最後要感謝全體組員不辭辛勞的完成這次專題。I摘要在石油即將用完之際，許多學(xué)者正在研究利用蘊(yùn)藏豐富的纖維素資源，藉由水解的技術(shù)以得到葡萄糖，再經(jīng)由葡萄糖的發(fā)酵而得到乙醇以替代石油，但植物纖維被木質(zhì)素和半纖維素緊密的黏結(jié)著使得水解的效率不彰。本專題以自行調(diào)配的離子溶液在水溶液中設(shè)法瓦解棉花纖維的結(jié)晶構(gòu)造而溶於水，再以訂定的實驗條件，用鹽酸來水解纖維素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1.86%HCl、100℃水解40分鐘可得到74.42%的還原糖。在其他的溫度、時間及鹽酸添加量下也可得到相似的水解效果。在本專題中也用稻草、蔗渣、竹子為原料經(jīng)離子溶液前處理後再以鹽酸水解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的植物原料所需的離子溶液前處理時間不同，在相似的反應(yīng)條件下，棉花的糖化率最高為83.22%，蔗渣的糖化率最低為 32.88%。II目錄致謝.......................................................................................................................I摘要......................................................................................................................II第一章前言.......................................................................................................1(一)研究動機(jī).................................................................................................1(二)研究目的.................................................................................................1(三)纖維素水解的發(fā)展.................................................................................1(四)纖維素的結(jié)構(gòu)與特性.............................................................................2(五)前處理簡介.............................................................................................3(六)纖維素水解簡介.....................................................................................4(七)纖維素做為永續(xù)生質(zhì)能源之開發(fā)利用.................................................5第二章文獻(xiàn)回顧..............................................................................................6(一)木質(zhì)纖維素傳統(tǒng)的前處理製程.............................................................6(二)離子溶液溶解法前處理.........................................................................9(三)酸水解法...............................................................................................11(四)酵素水解法...........................................................................................14第三章實驗材料與方法????????????????????19(一)實驗儀器裝置.......................................................................................19(二)實驗藥品...............................................................................................20(三)實驗原料...............................................................................................21(四)實驗程序????????????????????????22(五)測定還原糖...........................................................................................22第四章結(jié)果與討論??????????????????????25(一)鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響...................................................25(二)離子溶液及鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響...............................27(三)離子溶液加熱對轉(zhuǎn)化率的影響...........................................................30III(四)溫度及鹽酸添加量對棉花纖維水解成還原糖的影響 32(五)離子溶液和鹽酸同時加入原料及水解時間對轉(zhuǎn)化率的影響 34(六)各種植物原料的水解效果 36第五章 結(jié)論 38附錄 39附錄(一)斐林試劑標(biāo)定 39附錄(二)還原糖計算 40附錄(三)葡萄糖樣品的保存與秤量 41參考文獻(xiàn) 42編後感言??????????????????????????? .46IV圖目錄圖1纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu) 3圖2木質(zhì)纖維素之前處理示意圖 7圖3各種纖維質(zhì)原料示意圖 21圖4中和與過濾流程圖 23圖5過濾及檢測還原糖示意圖 24圖6纖維分子形成結(jié)晶的示意圖 26圖7鹽酸添加量與還原糖含量的關(guān)係 28圖8離子溶液瓦解纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)之示意圖 29圖9棉花纖維之水解前後比較圖 29圖10棉花纖維於離子溶液中加熱時間與還原糖轉(zhuǎn)化率的關(guān)係 31圖11離子溶液和鹽酸同時加入原料及水解時間對轉(zhuǎn)化率的關(guān)係圖 35V表目錄表1各類不同的木質(zhì)纖維前處理法 ??????????? 8表2鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響 25表3離子溶液及鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響 27表4棉花纖維於離子溶液中加熱對轉(zhuǎn)化率的影響 30表5溫度及鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響 33表6離子溶液和鹽酸同時加入原料及水解時間對轉(zhuǎn)化率的影響 34表7各種植物原料水解成還原糖的比較 37表8斐林試劑標(biāo)定 39VI第一章 前言(一)研究動機(jī)自工業(yè)革命以來隨著人口的增加 ，以及科技的日新月異對石油需求量就相對的越來越大，也對地球的環(huán)境及氣候造成了一些傷害，而在這樣的情況下石油終有用完或是被替代的一天，然而為了要解決這些問題 ，世界上化學(xué)工業(yè)的原料正逐步由石油資源向生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)變，其中生質(zhì)能源(biomassenergy)的纖維素原料來自大自然，已成為最受矚目的替代能源，因為纖維素是地球上最豐富的有機(jī)物質(zhì)，植物經(jīng)過光合作用，每年就可以產(chǎn)生1500億噸的纖維素物質(zhì)，並且可以生生不息循環(huán)再利用(1)。但有些含有纖維素的物質(zhì)外頭是被木質(zhì)素和半纖維素包裹著，如：木材、稻草等。要從中取出纖維素並將其水解是有一定的困難，因為木質(zhì)素是扮演著黏著劑的角色，而帶有黏性的木質(zhì)素和半纖維素緊密接合並且保護(hù)著纖維素，使得水解纖維素出現(xiàn)了一個棘手的課題。為此我們做這個專題就是為了有效瓦解纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)使其更容易被水解呈現(xiàn)出良好的還原糖含量。(二)研究目的地球上的纖維素含量相當(dāng)豐富，為了能有效的水解這些纖維素轉(zhuǎn)換成葡萄糖或木糖等，以便發(fā)酵蒸餾成生質(zhì)酒精。本實驗以自行調(diào)配的離子溶液，在水溶液中瓦解纖維素的結(jié)晶構(gòu)造而溶於水再以訂定的實驗條件，用鹽酸來水解纖維素以便開創(chuàng)使用纖維素的方便之門。(三)纖維素水解的發(fā)展自從19世紀(jì)的工業(yè)革命以來，化石燃料一直是重要的能源之一，而且隨著人口的增加以及科技的發(fā)展，對於化石燃料的需求也越來越大，根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測，石油大約可再使用 40年，天然氣約為 60年，煤炭約為200年，大約在50年後(2)，會發(fā)生化石能源危機(jī)。然而化石能源在生產(chǎn)、運輸及應(yīng)用上，都會產(chǎn)生大量的二氧化碳等溫室氣體，使得二氧化碳濃度日益增加，導(dǎo)致近年來，地球氣候的變遷越來越嚴(yán)重，夏季酷熱，冬季氣候更是怪異。氣候嚴(yán)重變遷的主因是產(chǎn)生大量的二氧化碳而造成溫室效1應(yīng)。在此時空背景之下，世界上的化學(xué)工業(yè)原料正逐步由石油資源向生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)變。而目前找尋替代能源的原料大多以製備糧食的澱粉與糖為主，導(dǎo)致生物質(zhì)原料與民爭食，為了避免這種情況發(fā)生，於是就有了第二套替代方案，轉(zhuǎn)由利用纖維素來取得生物質(zhì)原料，因為纖維素是以葡萄糖聚合而成的高分子化合物。纖維素的來源甚廣包括了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物和剩餘物如：稻草、蔗渣?等；林木包含針葉木和闊葉木以及林業(yè)加工廢棄物如：樹枝、木屑、草類，以及生活上所使用過的廢紙等各種再生資源(3)。(四)纖維素的結(jié)構(gòu)與特性植物的細(xì)胞壁組成主要是纖維素 (cellulose)、半纖維素（hemicellulose）、木質(zhì)素(lignin)。以木材來說，纖維素的成分約占 35~50％，半纖維素在闊葉樹中約占 35％，帶有黏性的木質(zhì)素和半纖維素緊密接合著植物中的纖維(4)。纖維素主要結(jié)構(gòu)是以葡萄糖為單體，並且藉由100~10,000個葡萄糖單體以β-1,4醣苷鍵(β-1,4-glycosidicbonds，如圖1)方式連結(jié)而成的直線聚合物其分子量範(fàn)圍介於200,000~2,000,000之間(5)。纖維素以平行的方式排列的凡得瓦力(vanderWaals'force)與分子間的氫鍵吸引力，若纖維素的結(jié)構(gòu)排列非常規(guī)則而且緊密則形成結(jié)晶區(qū)(crystallinedomains)；結(jié)構(gòu)排列鬆散為非結(jié)晶區(qū)(amorphousregions)，結(jié)晶型纖維素因為有非常強(qiáng)的氫鍵互相吸引，因此比非結(jié)晶型纖維素更不易被水解(6)，因此透過前處理程序，加入添加物（Additives）或能量來瓦解木質(zhì)素與半纖維素對纖維素之保護(hù)作用，破壞木質(zhì)纖維素之結(jié)構(gòu)與增加孔隙性（Porosity），使得反應(yīng)的藥劑容易接近纖維素，以便提高纖維素原料的反應(yīng)效率（如圖2）。2圖1纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖2木質(zhì)纖維素之前處理示意圖 (7)3(五)前處理簡介前處理的方法大致可分為物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法、生物法等。物理法主要是粉碎原料讓顆粒變小，增加反應(yīng)的接觸表面積，耗能較大。物理化學(xué)法包括高溫?zé)崴蛘魵馓幚?，後者包括蒸氣爆裂法、氨爆裂法和CO2爆裂法，主要是利用蒸氣讓原料處於高溫、高壓一段時間後，可使木質(zhì)素軟化，再瞬間洩壓，纖維素晶體便會爆裂。蒸氣爆裂法耗能低，但會產(chǎn)生對發(fā)酵有害的物質(zhì)，氨爆裂法雖不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，但是半纖維素並不會分解，因此須再投入半纖維素分解酵素進(jìn)行水解，而 CO2爆裂的效果較差。化學(xué)方法則包括：（1）鹼處理法：利用鹼溶液溶解木質(zhì)素；（2）稀酸前處理法：稀酸可使半纖維素水解成為單糖，使得結(jié)構(gòu)鬆散。生物法通常是利用腐生真菌，如白腐真菌，把生質(zhì)原料的木質(zhì)素分解。綜合而言，要把纖維素從細(xì)胞壁中分離出來需要有適當(dāng)?shù)那疤幚聿襟E，傳統(tǒng)上以高(8)溫、高壓或酸鹼處理為主，不但耗能而且會產(chǎn)生大量的廢水 。纖維素水解是把生質(zhì)中的聚合醣分解為可發(fā)酵的單糖，是生質(zhì)酒精發(fā)酵的首要步驟。一般分為酸水解法和酵素水解法，酸水解法又分濃酸水解法及稀酸水解法；濃酸水解是指濃度為41％~42％的鹽酸、65％?72％的硫酸或80％?85％的硝酸將纖維素水解成單糖。其濃酸水解的特點是：糖回收率高，最高可達(dá)90％以上，但所需的時間長、所用的酸必須回收、對設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重，環(huán)境汙染大。然而稀酸水解法是指用10％以內(nèi)的硫酸或鹽酸等無機(jī)酸為催化劑將纖維素、半纖維素水解成單糖的方法。是目前用於生物水解以及做為酶水解最經(jīng)濟(jì)的前處理方法，其稀酸水解的特點是：反應(yīng)溫度較高，條件劇烈、會得到對發(fā)酵有害的副產(chǎn)物、影響因素較多，包括原料粉碎度、固液比、反應(yīng)溫度、時間、酸種類和濃度等、糖產(chǎn)率較低，約為50％?70％。酶水解始於20世紀(jì)50年代的生化反應(yīng)，是較新的纖維素水解技術(shù)。而酶水解的優(yōu)點是：1.在常溫下進(jìn)行，過程能耗較低。2.酶的選擇性高，糖產(chǎn)率高，可大於95％。3.提純過程簡單，無汙染，缺點是：41.所需時間長，需要數(shù)天。 2.酶的生產(chǎn)成本高，水解原料需經(jīng)前處理 (9)。(七)纖維素做為永續(xù)生質(zhì)能源之開發(fā)利用纖維素以前雖然一直都是農(nóng)業(yè)或林業(yè) ，以及在工廠加工後所剩餘含有纖維素的殘渣或是紙類的廢棄物。臺灣每年經(jīng)由稻草、蔗渣及果菜加工廠所生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)廢棄物約有 600萬噸。如果以亞洲地區(qū)為例，每年會產(chǎn)生超過9億噸的農(nóng)業(yè)廢棄物，因此稻草廢棄物，提供一個很好的纖維素來源。稻草的成份若能善加利用此大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，不只能達(dá)成廢棄物減量、回收、再利用的作為，更能開發(fā)產(chǎn)出自主性替代能源，減少對進(jìn)口能源的依賴，同時減少環(huán)境污染，維護(hù)自然生態(tài)，促進(jìn)資源永續(xù)發(fā)展(10)。5第二章 文獻(xiàn)回顧木質(zhì)纖維素糖化技術(shù)包含纖維素、半纖維素水解以及木質(zhì)素移除等三大類。其中，半纖維素水解與木質(zhì)素移除又稱作前處理技術(shù)，為開發(fā)纖維素利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。在木質(zhì)纖維素原料組成中，由於結(jié)構(gòu)上的差異，半纖維素會較容易被水解成各式單醣，剩餘的纖維素則需要再以稀酸水解或酵素水解法分解為葡萄糖。前處理是提高木質(zhì)纖維素水解效率與降低生產(chǎn)成本最有效的程序。一般而言，木質(zhì)纖維素因本身之異質(zhì)性（Heterogeneous），加上結(jié)構(gòu)上木質(zhì)素與半纖維素對於纖維素之保護(hù)作用與護(hù)套（Sheathing）效果、纖維素之結(jié)晶性（Crystallinity）與接觸表面積不足等問題，使得藥劑無法有效地進(jìn)入木質(zhì)纖維素內(nèi)層，對纖維素進(jìn)行水解，因此透過前處理程序，加入添加物Additives）或能量來瓦解木質(zhì)素與半纖維素對纖維素之保護(hù)作用，破壞木質(zhì)纖維素之結(jié)構(gòu)與增加孔隙性（Porosity），使得藥劑容易接近纖維素，進(jìn)而將碳水化合物轉(zhuǎn)換成可醱酵醣（Fermentablesugars）。在利用前處理程序提高後續(xù)酵素水解之糖化效率時，也必須防止副產(chǎn)品對後續(xù)之水解與醱酵程序產(chǎn)生抑制作用 (11)。(一)木質(zhì)纖維素傳統(tǒng)的前處理製程1.機(jī)器粉碎前處理（Mechanicalcomminutionpretreatment ）將木質(zhì)纖維素經(jīng)過切碎、研磨可達(dá)到縮小纖維素結(jié)晶之效果。一般而言，材料經(jīng)過切碎後，尺寸可達(dá) 10-30㎜，但經(jīng)過研磨後，尺寸可進(jìn)一步縮小到0.2-2㎜，且研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在縮小晶格尺度上，使用震動球磨研磨機(jī)器比傳統(tǒng)之球磨研磨機(jī)有更顯著之效果裂解前處理（Pyrolysispretreatment）裂解除了可以用來產(chǎn)製生質(zhì)燃油外，也是木質(zhì)纖維素原料之前處理方法之一。將木質(zhì)纖維素原料經(jīng)過高於 300℃加熱處理後，部分原料快速分解成氣體產(chǎn)物和殘餘炭，再將經(jīng)過裂解處理後之木質(zhì)纖維素放在弱酸環(huán)境中（1NH2SO4、97℃）歷經(jīng)2.5小時，會使其中高達(dá) 80-85％比例之纖維素轉(zhuǎn)6換成糖。研究也發(fā)現(xiàn)：若在裂解反應(yīng)過程中加入氯化鋅或碳酸鈉當(dāng)作催化劑，可以使纖維素在較低之溫度下發(fā)生分解。蒸汽爆裂前處理（Streamexplosionpretreatment）蒸汽爆裂法是處理木質(zhì)纖維素最常使用之前處理方法，具有能源與化學(xué)物需求較低等優(yōu)點。一般而言，蒸汽爆裂法是將木質(zhì)纖維素原料置於高溫高壓之環(huán)境中，然後迅速將壓力減小，使木質(zhì)纖維素原料歷經(jīng)爆炸性之減壓過程，其所需時間從數(shù)秒鐘到數(shù)分鐘不等，其間歷經(jīng)溫度從 160℃到260℃、壓力從0.69Mpa到4.83Mpa之變化。影響蒸汽爆裂法之因素有停留時間（Residencetime）、溫度、濕度與原料顆粒大小等。4.高壓熱水前處理（Liquidhotwaterpretreatment ）高壓熱水處理法係將木質(zhì)纖維素原料通過經(jīng)壓縮之熱水。高壓熱水前處理法之處理器有順向式（ co-current）、逆向式（counter-current）和流水式flow-through）等三種形式。順向式反應(yīng)器是將木質(zhì)纖維素原料與水一起於前處理反應(yīng)器內(nèi)加熱，並適當(dāng)控制停留時間。逆向式反應(yīng)器是將木質(zhì)纖維素原料與水以相反方向流過前處理反應(yīng)器。水流式反應(yīng)器是利用熱水流經(jīng)固定在反應(yīng)器內(nèi)之木質(zhì)纖維素原料，同時將溶解於超臨界水之木質(zhì)纖維素原料帶出反應(yīng)器 (12)。常見的前處理法整理歸納如下 :7表1各類不同的木質(zhì)纖維前處理法處理法說明機(jī)器粉碎前處理將木質(zhì)纖維素經(jīng)過切碎、研磨可縮小纖維素結(jié)晶之效果裂解除了可以用來產(chǎn)製生質(zhì)燃油裂解前處理外，也是木質(zhì)纖維素原料之前處理方法蒸汽爆裂法是處理木質(zhì)纖維素最常蒸汽爆裂前處理使用之前處理方法，具有能源與化學(xué)物需求較低高壓熱水前處理高壓熱水處理法係將木質(zhì)纖維素原料通過經(jīng)壓縮之熱水鹼處理法利用鹼溶液溶解木質(zhì)素稀酸前處理法稀酸可使半纖維素水解成為單糖，使得結(jié)構(gòu)鬆散生物處理法利用腐生真菌使生質(zhì)原料的木質(zhì)素分解離子溶液溶解法前處理溶解纖維素以破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)酸水解法酸水解為現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的水解技術(shù)纖維素分解酵素主要是把生質(zhì)物中酵素水解法的聚合醣分解為可發(fā)酵的單糖，以利生質(zhì)酒精發(fā)酵8(二)傳統(tǒng)上離子溶液溶解法前處理離子液體(ionicliquids)是一種只有陰、陽離子組成的，在 100℃下呈液態(tài)的物質(zhì)，也被稱為是溫離子液體 (13)。最早出現(xiàn)的離子液體可以追朔到 1914年，SeddonKR等人(14)而合成了第一個離子溶液是在 2002年，Rogers等人(15.16)首先發(fā)現(xiàn)離子液1-丁基-3-甲基咪唑氯([bmim]Cl)可溶解纖維素，這為纖維素的均相水解創(chuàng)造了條件。至今已合成出十幾種能夠溶解纖維素的離子液，並且溶解性能越來越強(qiáng)，可以在更低的溫度下溶解更多的纖維素。2007年，Li等人(17.18)以[bmim]Cl為溶劑，溶解了8％的微晶纖維，以硫酸、鹽酸和磷酸等無機(jī)酸為催化劑在短時間內(nèi)就實現(xiàn)了纖維素的水解，總還原糖收率及葡萄糖收率分別達(dá)到 77％和43％。該研究組又以稻稈和甘蔗渣等未經(jīng)處理的生物質(zhì)原料替代微晶纖維進(jìn)行水解 (19)也取得了較高的轉(zhuǎn)化率。但由於該體系依然採用無機(jī)酸作為催化劑，仍然避免不了對環(huán)境的污染。而離子液的高黏度會導(dǎo)致其在反應(yīng)器壁上黏附，從而造成後處理困難，且嚴(yán)重影響反應(yīng)體系的傳質(zhì)擴(kuò)散，導(dǎo)致反應(yīng)速率下降。根據(jù)文獻(xiàn) (20)報導(dǎo)，只需加入20mol％的共溶劑就可以使離子液絕對黏度降低50％。因此，採用已商品化的價格相對低廉的離子液[bmim]Cl作為纖維素的溶劑，同時對11種常見的有機(jī)溶劑進(jìn)行了篩選，從而找出合適的共溶劑。但結(jié)果只有乙腈、丙酮、DMSO和DMF既能夠溶解在離子液中，又不影響纖維素在其中的溶解。乙腈(bp.82℃)和丙酮(bp.57℃)的沸點較低，所以只有DMSO和DMF適合作共溶劑。還原糖收率也相應(yīng)增加到95％。利用高效液相色譜進(jìn)一步測得，此時葡萄糖及其水解產(chǎn)物5-羥甲基糠醛的收率分別為50％和13％。繼續(xù)加大催化劑用量至2.1g，水解速度進(jìn)一步加快，只需要15min即可達(dá)到最大值，但是還原糖收率略有下降，為90％左右。所以以離子液1-丁基-3-甲基咪唑氯為溶劑，溶解4%的微晶纖維素，以酸性離子液1-磺酸丁基-3-甲基咪唑氯為催化劑，加入15%的DMF作為共溶劑降低體系黏度，從而實現(xiàn)了纖維素的高效均相水解。在100℃酸性離子液催化劑用量0.7g，水含量3%的條件下，反應(yīng)30min即可將微晶纖維水解完全，達(dá)到95%的還原糖收9(2526)在率，且對於高聚合度的濾紙與棉花也有很好的水解效果 (21)。眾多研究者將離子液體用於纖維素製備生物乙醇的研究，通過離子液體將纖維素水解大大提高了纖維素的水解速度。 Dadi等人 (22、23)採用[C4mim]Cl溶解纖維素以破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與未處理的纖維素相比，再生纖維素的酶解速度提高了50倍，研究發(fā)現(xiàn)，其主要原因是結(jié)晶纖維素經(jīng)離子液體溶解後轉(zhuǎn)化成為無結(jié)晶結(jié)構(gòu)纖維素。Kamiya等(24)在一種新型離子液體1,2乙基2,3-2甲基咪唑二乙基膦酸酯鹽中進(jìn)行纖維素的原位酶解，該方法因不需對纖維素進(jìn)行再生而直接在離子液體中進(jìn)行酶解，大大降低了成本，可為生物乙醇的製備提供一種新方法。 Li等人[C4mim]Cl中採用無機(jī)稀酸對纖維素進(jìn)行酸水解，發(fā)現(xiàn)無需任何預(yù)處理，在100℃常壓下即可顯著提高纖維素的水解速度。纖維素纖維和生物乙醇製備過程中離子液體的應(yīng)用在一定程度上是相互矛盾的，製備再生纖維素纖維要求得到的纖維素為結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而獲得較好的纖維性能;而製備生物乙醇則需要纖維素轉(zhuǎn)化為無定形纖維素，從而提高纖維素水解速度，但有意思的是在這兩個方面國內(nèi)外很多研究者同時獲得了成功，因而需要對纖維素在離子液體中的溶解機(jī)理進(jìn)行深入研究，解析纖維素晶態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變規(guī)律及其調(diào)控途徑。到了2010年離子液體已成為新一代的纖維素溶劑，隨著基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，其工業(yè)應(yīng)用潛力也日益受到重視。但一些問題仍有待探討:1.離子液體的毒性，安全性、生物降解性和生物蓄積性這些指標(biāo)對人類和環(huán)境的影響急需研究。離子液體的毒性和對環(huán)境的潛在影響仍存在很大的不確定性，並不是所有的離子液體都是綠色或無毒無害的，應(yīng)針對在纖維工業(yè)中作為溶劑使用的離子液體，對人體毒性和健康安全性進(jìn)行評價，發(fā)展更加“綠色”的離子液體。2.離子液體的不穩(wěn)定性雖然大多數(shù)離子液體的熱穩(wěn)定性溫度可高達(dá)200℃，但是文獻(xiàn)報導(dǎo)的數(shù)據(jù)大多是在氮氣下的熱分解溫度參數(shù)，與離子液體實際使用過程中所處的10複雜化學(xué)環(huán)境有著很大的差別。此外，離子液體在 100℃下長期加熱的降解與分解會導(dǎo)致自身損耗並形成副產(chǎn)品。因此，研究離子液體在高溫、長時間、多次循環(huán)使用等條件下的相對穩(wěn)定性，監(jiān)控並減少加工過程中熱降解積累的副產(chǎn)品和發(fā)展有效的去除方法也是極需研究的課題。3.離子液體的成本離子液體與纖維素的分離、回收再利用以及廢棄離子液體處理方法的建立等也已成為離子液體在纖維素化學(xué)中大規(guī)模應(yīng)用極待解決的關(guān)鍵問題之一。(三)酸水解法酸水解為現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的水解技術(shù)，其作用原理係於高溫下添加鹽酸，利用酸劑釋出的氫離子將半纖維素間的醣甘鍵水解形成單醣。文獻(xiàn)上操作溫度多介於 160~190℃。酸水解法的適用範(fàn)圍很廣，於木材、農(nóng)業(yè)廢棄物、草本作物等大多數(shù)種類的纖維生質(zhì)原料均有不錯的效果。基於大規(guī)模應(yīng)用上的限制主要包括稀酸腐蝕性、產(chǎn)生發(fā)酵抑制物及需要酸鹼中和等問題。以下是學(xué)者們所研究的酸水解相關(guān)文獻(xiàn)：在2007年劉凱等人(27)以稻草為原料，高壓酸水解法製備乙酰丙酸，採用氣相色譜法測定水解液中乙酰丙酸的含量，考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、固液比和硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對乙酰丙酸得率的影響，通過單因素試驗確定了最佳水解條件。結(jié)果表明，在高壓1.6MPa條件下，反應(yīng)溫度170℃，反應(yīng)時間60min，固液比1：10，硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，所製得乙酰丙酸得率為24.35%，此條件下水解殘渣中纖維素和多戊糖均已完全反應(yīng)。在2008年張金萍等人(28)採用含催化劑的甲酸溶劑體系水解竹細(xì)粉，研究了液固比、時間、溫度、催化劑濃度以及水解次數(shù)等因素對還原糖得率的影響。試驗結(jié)果表明，液固比為25：1，溫度為60℃，水解6hr後，所得還原糖得率達(dá)72.7%。減小液固比、增加水解次數(shù)和延長水解時間，還原糖得率可達(dá)60.2%。在2009年王玉高等人(29)取烘至恆重的纖維素與原料，稀硫酸充分混11合，定溫加熱，冷卻至室溫。採用硫酸作為催化劑，殘餘酸用石灰石處理，防止二次污染，用98%硫酸配製0.8%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8％和9%程度的稀酸溶液進(jìn)行糖化反應(yīng)以決定最佳硫酸程度。將水解液轉(zhuǎn)移到50mL離心管中，離心10min(8000rlmin)，將上清液轉(zhuǎn)移到100mL容量瓶中，所得沉澱用蒸餾水洗滌後再離心，所得上清液一並轉(zhuǎn)移至定量瓶中，定量，混勻，作為還原糖待測液。結(jié)果與分析酸程度的影響，在180℃條件下並用不同程度硫酸處理纖維素原料。80min，180℃下硫酸程度與還原糖得率?？芍?80℃的反應(yīng)條件下，4%硫酸是最佳酸。反應(yīng)時間的影響180℃、4%硫酸條件下反應(yīng)時間對還原糖得率，隨反應(yīng)時間的增加而升高。但是關(guān)係不是無限的，還原糖得率是一個動態(tài)數(shù)據(jù)，隨著反應(yīng)時間的延長，纖維素不斷轉(zhuǎn)化為還原糖，但同時大量的還原糖轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)物，使還原糖得率不斷下降。反應(yīng)溫度的影響80min、4%硫酸條件下反應(yīng)溫度對還原糖得率。還原糖得率在80min、4%硫的反應(yīng)條件下兩種纖維素都是在170℃條件下還原糖得率最大。溫度的影響度較低(<35℃)時的主要產(chǎn)物是葡萄糖的水解產(chǎn)物，如亦薛糖、甘油醛、丙酮醛、1，6-葡萄糖酐；然而在溫度較(>3℃)時的主要產(chǎn)物是纖維的水解產(chǎn)物，包括單糖(葡萄糖和果糖)和低聚糖(纖維糖六糖、纖維五糖、纖維四糖、纖維三糖 )。同年劉天成等人(30)在木屑硫酸水解的研究中提出對木屑分別進(jìn)行濃硫酸和稀硫酸水解，稀硫酸水解時水解溫度為200℃，硫酸質(zhì)量為2.5%時，得糖率最高為64.5%；濃硫酸水解時水解溫度為60℃，硫酸質(zhì)量為70%，得糖率可達(dá)到96.4%。採用低酸固比硫酸水解楊木屑，考察水解溫度、時間及二次水解時間對糖率的影響，結(jié)果表明：較好的條件是水解溫度95℃，時間0.5hr，二次水解時間2hr，糖率可達(dá)到61.9%。此方法與濃硫酸、稀硫酸水解相比較，酸量少，反應(yīng)條件較溫和，能取得較好的水解效果。在2010年林俊雄(31)研究農(nóng)業(yè)廢棄物稻穀液化利用，把稻穀照前敘述的條件，並配成10Wt％濃度下，反應(yīng)五分鐘，則產(chǎn)生17.12Wt％葡萄糖和48.15Wt％碳渣，其中葡萄糖產(chǎn)率略比纖維素的 22.0Wt％為低，然比熱裂解12的10.1Wt％為高，表示水相液化回收可回收較多有用的產(chǎn)物。至於碳渣產(chǎn)率比纖維素的35.1Wt％較多13Wt％，因穀殼含有20Wt％左右木質(zhì)素50~60Wt％纖維素，相對的木質(zhì)素不易分解而變成碳渣有關(guān)。至於 C2產(chǎn)物中亦有如醋酸、乙醛、乙二醇、環(huán)氧乙烷、和乙醇等化合物。當(dāng)在反應(yīng)液內(nèi)加3.3Wt％鹼如HCOONa、NaOH、Na3PO4等，則可把葡萄糖產(chǎn)率提升至20Wt％以上，因此若能以葡萄糖回收基礎(chǔ)，在做石化原料探討配合利用為目標(biāo)，並可取代以石油為原料，且不需經(jīng)劇烈氧化作用，直接回收高價石化原料，如C2和C5等產(chǎn)物。以纖維素為主成分農(nóng)、林產(chǎn)廢棄物，可利用水相熱化學(xué)處理方法與最新分離技術(shù)，先回收葡萄糖作為基礎(chǔ)原料，再依序裂解反應(yīng)機(jī)構(gòu)直接回收 C2脂肪屬和C5雜環(huán)屬石化原料以彌補(bǔ)石油不足 。環(huán)氧乙烷既為碳水化合物熱處理中之化學(xué)活性高中間物，其對農(nóng)產(chǎn)品於熱加工處理產(chǎn)生副作用影響，值得注意探討。在2010年根據(jù)美國國家再生能源實驗室 (NationalRenewableEnergyLaboratory.NREL)(32)在1996年出版第一份木質(zhì)纖維成分分析程序，正式以高效能液向?qū)游鰞x為分析儀器之定量標(biāo)準(zhǔn)方法，分析步驟如下：木質(zhì)纖維素以3.00ml的72％(w∕w)硫酸在30度下反應(yīng)兩小時後，稀釋4％(w∕w)硫酸且於121℃下反應(yīng)1小時第二次水解醣化最後再以HPLC分析組成。在2011年王旺霞等人(33)提出以160℃下以不同的醋酸用量(0?4%)對稻草進(jìn)行處理，預(yù)處理後稻草的木質(zhì)素含量基本保持不變，約 60%酸溶木質(zhì)素被脫除；灰分含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))約下降30%，稻草於160℃下經(jīng)不添加醋酸的自水解預(yù)處理後，其酶解還原糖得率均高於經(jīng)醋酸預(yù)處理的稻草，當(dāng)纖維素酶用量為 40FPU/g(對底物)時，稻草中高聚醣的酶水解轉(zhuǎn)化效率最高，葡聚醣、木聚醣的轉(zhuǎn)化率分別為 67.8%和45.3%，總糖轉(zhuǎn)化率為58.8%。在2013年王風(fēng)芹等人(34)利用2％稀硫酸122度下處理24min，可使用蔗渣92％木具糖水解圍木糖；2％稀硫酸122度下處理71min，高粱纖的木糖產(chǎn)量為18.17g／100g(原料)。提高酸濃度處理可加速纖維素水解，提高葡萄糖的產(chǎn)量。舉例：橡木在83％硫酸、140度水解結(jié)果有80％的水解葡萄13糖。(四)酵素水解法纖維素分解酵素主要是把生質(zhì)中的聚合醣分解為可發(fā)酵的單糖，是生質(zhì)酒精發(fā)酵的首要步驟。包括液化和醣化步驟的技術(shù)已相當(dāng)成熟，纖維素的分解酵素是製造纖維酒精的主要成本所在。在 2004年，克服這個障礙的研究終於有了突破性的進(jìn)展，全球知名的兩大酵素公司Novozymes（總部位於丹麥）和Genenco（美國加州），在美國能源部的經(jīng)費補(bǔ)助和國家再生能源實驗室（NREL）支援下，分別研發(fā)出遺傳基因工程菌體，能大量生產(chǎn)有效分解纖維素的纖維素分解瓷。因應(yīng)國際能源存量的減少和價格的攀升，發(fā)展生質(zhì)酒精是勢在必行的。根據(jù)國際能源總署的估計，全球生質(zhì)酒精取代汽油做為汽車燃料的比率，在2030年會成長到百分之六。從生質(zhì)酒精絕對使用量來看，則會成長3倍，也就是從目前每年全球生產(chǎn)量3800萬公秉，增加到2030年的每年1.2億公秉。因此生質(zhì)酒精，尤其是纖維酒精工廠的建立，將如雨後春筍般快速擴(kuò)增，以因應(yīng)越來越多的燃料酒精需求(35)。纖維素酶並不是單一物質(zhì)其主要成分為內(nèi)切型纖維素分解酵素(Endo-1，4-β-D-glucanase)、外切型纖維素分解酵素(Exo-1，4-β-D-glucanase)以及β-葡萄糖苷酵素(β-1，4-D-glucosidase)。酶水解其缺點是：1.所需時間長2.酶生產(chǎn)成本高所以目前無法較大的推廣(36)。在1993年薛伯忠等(37)人對擬康氏木黴TrichodermaPseudokoningiiS—38菌株在玉米稈粉上生長後得到的初酶液進(jìn)行了全組分純化分離。得到了一個物化和酶學(xué)性質(zhì)與已有的外切葡聚醣纖維二糖水解酶Ⅰ和Ⅱ性質(zhì)不同的一個可酶解天然纖維素的組成CBHX。它不水解CMC(carboxymethycellulose)、HEC(hydroxyethylcellulose)、PNPG(P—nitrophyglucoside)和水楊素，但能水解Avicel和磷酸膨脹纖維素，在有內(nèi)切葡聚醣酶存在時則能水解棉花。與CBHI在水解Avicel或棉花時無協(xié)同作用。相對分子質(zhì)量為340,000，等電14點7.0。在2004年汪群慧等人(38)用纖維素酶對氨預(yù)處理後的大豆稈進(jìn)行酶水解，利用纖維素酶的作用使纖維素、半纖維素水解為可溶性糖，繼而研究了用干酪乳桿菌及清酒乳桿菌進(jìn)行L-乳酸發(fā)酵，通過微生物發(fā)酵將生成的可溶性糖轉(zhuǎn)化為用于生產(chǎn)具有可生物降解性的聚乳酸塑料的原料乳酸，實現(xiàn)可再生資源的充分利用。結(jié)果表明，實驗條件下，5%的大豆稈經(jīng)酶水解後濃度為242.25mg·g，-1纖維素糖化率為51.22%.清酒乳桿菌、干酪乳桿菌及該兩種混合菌種發(fā)酵酶解液所得L-乳酸的轉(zhuǎn)化率分別為48.27%、56.42%和71.05%。在2005年詹小明等(39)人在玉米蕊酸法提取木糖，在工業(yè)中採取了加入結(jié)晶，冷卻結(jié)晶法，最終木糖固形的產(chǎn)率18％~21％，純度在95％~98％。前處理方法使用鹼處理取100g玉米蕊，按固液比1：8與2％氫氧化鈉溶液混合，室溫下反應(yīng)24小時，過濾，將纖維素殘渣洗至中性。此殘渣含纖維素64.7％，半纖維素64.7％，半纖維素9.1％，木質(zhì)素13.9％，其他12.3％。酸處理取100g玉米蕊按固液比1：8與1％硫酸溶液混合，110℃下反應(yīng)3小時，過濾，將殘渣洗至中性。此殘渣含纖維素57.82％，半纖維素5.01％，木質(zhì)素21.20％，其他15.97％。酶液，纖維素酶液，每毫升含25個濾紙酶活力國際單位；纖維二糖酶液，每毫升含5個纖維二糖酶液國際單位。測定方法，濾紙酶活力和纖維二糖酶液活力國際方法測定，外切型以水解脫脂棉的活力表示，內(nèi)型β-葡聚糖酶採用甲基纖維素鈉為底物測定活力。還原糖含量，採用3，5-二硝基水楊酸法測定。纖維水解得率計算：水解得率=還原糖*0.9/底物中纖維素及半纖維素總量*100％。纖維素酶吸附實驗，在500ml三角瓶中加入30g經(jīng)前處理的底物，按15FPIU的酶用量加入纖維素酶液，調(diào)節(jié)pH值至4.8，最終底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％，然後在50℃下恆溫震盪反應(yīng)，靜置取樣，測定酶解液中C1酶、CMC酶和CB酶3個酶活。纖維底物上纖維素酶不同組份吸附量以各自的相對酶活力表示：吸附酶量=(初始狀態(tài)酶活-酶解液中酶活)/初始狀態(tài)酶活X100％。纖維素酶回收復(fù)用吸附實15驗，取10g檢處理玉米蕊纖維底物，按15FPIU的酶用量加入纖維素酶液，至反應(yīng)體為100ml(底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％)，在pH值4.8、50℃下酶解48小時後，濾去糖液，保留纖維殘渣，10g新鮮底物，並添加適量酶液和水，使得總體保持為 100ml。pH值4.8、50℃下繼續(xù)酶解48小時，如此循環(huán)。影響纖維素酶吸附主要因素，玉米蕊為酶解底物，分析 20和100目的吸附差異。100目玉米蕊的C1酶和CMC酶吸附量較於20目的高，分別95％和98％。由於玉米蕊力度小，表面積大，纖維底物表面吸附纖維素酶的機(jī)率也隨之增大。在2008年劉碩惠等人(40)研究分別在纖維二醣的存在與不存在的狀況下進(jìn)行水解初速率的量測，建立描述纖維二醣抑制作用的動力學(xué)模型。利用Michaelis-Menten動力學(xué)模式模擬纖維素分解與纖維二醣抑制作用，求出以纖維素酶水解濾紙的動力學(xué)參數(shù) Km，c、Km，g、Vmax，c、Vmax，g和Ki，b分別為39.4gL-1h-1、13.0gL-1h-1、7.76gL-1h-1、2.09gL-1h-1和29.83gL-1h-1。在濾紙、微晶纖維素AvicelPH101、羧甲基纖維素以及α-纖維素四種纖維材料的反應(yīng)時間曲線中，纖維材料的濃度持續(xù)下降，纖維二醣濃度隨著反應(yīng)時間進(jìn)行，先是快速增加，在約 6小時之後達(dá)最高值，之後漸漸降低，而葡萄糖濃度則是持續(xù)增加?；|(zhì)消耗速率依序為微晶纖維素AvicelPH101最高，濾紙次之，α-纖維素第三，羧甲基纖維素最小。羧甲基纖維素的水解速率最小可能是因為羧甲基纖維素並非纖維素酶的天然基質(zhì)，並且僅內(nèi)切型纖維素酶對非晶形羧甲基纖維素有水解作用的緣故。纖維材料的結(jié)晶度與酵素可及比表面積會影響纖維素酶催化纖維材料的水解，但其影響性需更進(jìn)一步評估。在2011年段國仁等人(41)拿市售榨完果汁後的柳橙皮撕成小塊，至於鐵盤於70℃烘箱烘烤48小時，使水分及部分精油發(fā)揮，待乾燥後，使用研磨機(jī)將柳橙皮磨成粉狀，以40mech之篩網(wǎng)過篩。首先配製10％柳橙皮水懸浮液100ml，在震盪反應(yīng)器轉(zhuǎn)速150rpm震盪10分鐘，溶出水溶性的糖，接著以離心機(jī)將為溶出的殘渣離心，烘乾水不溶性的殘渣，烘乾秤重，由16此推算柳橙皮中可溶性成分的重量。臺灣柳橙皮經(jīng)過前處理後，結(jié)果顯示確定有61.2％的乾基是可溶於水即被酵素水解出來，有38.8％是無法利用的物質(zhì)，不可溶半纖維素、木質(zhì)素以及果膠。胡蘿蔔渣水解與成分分析，胡蘿蔔渣是取市售的胡蘿蔔利用果汁機(jī)榨汁後，在 70℃烘乾備用，並通過40mech之篩網(wǎng)過篩裝袋，置於室溫保存。用二次水配製100毫升，5％(w∕v)的胡蘿蔔渣水洗液，以磁石慢速攪拌60分鐘，離心，取出上清液及沉澱物。將沉澱物用二次水回溶定量至100ml。將上清液及沉澱液分別加入Accellerase100(15FPU∕g進(jìn)dry行matter)纖維素水解酵素反應(yīng)。添加不同劑量的果膠水解沒對胡蘿蔔渣進(jìn)行水解，反應(yīng)48小時最後的葡萄糖與半乳糖的濃度可以發(fā)現(xiàn)若不佳果膠水解酶，半乳糖的濃度，半乳糖的濃度只有5.2g，∕L加入1倍劑量的果膠水解酶，則半乳糖的濃度馬上提高。在2011年魏玉蓮等(42)人在以稻草進(jìn)行固體發(fā)酵產(chǎn)氫酶的研究篩選合適的碳源、氮源和硫酸銅濃度的基礎(chǔ)上，開展四因素正交實驗，篩選出最優(yōu)培養(yǎng)方案，即以稻草粉為基質(zhì)，澱粉0.5%、尿素0.3%、硫酸銅1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，濕度為70%的條件下培養(yǎng)7天後漆酶活性即可達(dá)到145.42U/gds。在最優(yōu)方案條件下連續(xù)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該菌在稻草粉培養(yǎng)基質(zhì)上培養(yǎng)28天產(chǎn)生的漆酶活性能達(dá)到最高，為1518.76U/gds。而在增加培養(yǎng)規(guī)模的情況下，以最優(yōu)方案培養(yǎng)28天的漆酶活性平均能達(dá)到 1753.49U/gds。在2011年陳牧等人(43)研究了8種添加物輔助單、雙酶水解蒸汽爆破玉米稈的效果和規(guī)律。結(jié)果表明，在8種外源物中，添加Tween-80對β-葡萄糖苷酶和纖維素酶水解的促進(jìn)作用最佳，可顯著提高酶水解得率和酶活的穩(wěn)定性。在植物纖維素質(zhì)量濃度為50g/L、纖維素酶用量為15.0μmol/(min·、g)β-葡萄糖苷酶用量為30.0μmol/(min·的g)條件下，添加4.0g/LTween-80反應(yīng)48hr，纖維素水解生成葡萄糖和總還原糖的酶解得率分別達(dá)到86.85％和93.45％，較空白對照分別提高了7.34％和9.59％，其中可發(fā)酵性葡萄糖占總還原糖的92.94％。進(jìn)一步考察該酶解條件下的蛋白質(zhì)和酶活回收率，結(jié)果表明：添加 Tween-80後可溶性總蛋白質(zhì)的回收率提高17了56.83％，β-葡萄糖苷酶和纖維素酶酶活回收率分別提高了16.87％和40.04％。在2011年李鑫等人(44)非離子型表面活性劑輔助酶水解玉米桿蒸爆渣研究纖維素酶對蒸汽爆破預(yù)處理玉米秸桿的水解過程。實驗結(jié)果表明，玉米桿蒸爆渣中的木質(zhì)素對纖維素酶存在非生產(chǎn)性吸附，降低了纖維素酶對玉米桿蒸爆渣的水解率；通過添加非離子型表面活性劑 PEG6000，減少纖維素酶的非生產(chǎn)性吸附，改善纖維素酶對玉米桿蒸爆渣的水解性能；在 pH值為4.8，溫度為50℃，PEG6000濃度為3.5g/L的優(yōu)化條件下，纖維素酶水解玉米桿蒸爆渣 48hr，還原糖水解率和葡萄糖水解率分別為 83.61%和64.15%。在2013年羅小林等人(45)採用中性亞硫酸鹽對蔗渣進(jìn)行預(yù)處理，研究了脫木素率對蔗渣中纖維素酶水解效率的影響。結(jié)果表明，脫木素率越高，纖維素酶水解的轉(zhuǎn)化率也越高；較優(yōu)的脫木素率為45％，其對應(yīng)的葡萄糖回收率約為80％。糖化後葡萄糖的回收率與脫木素率和預(yù)處理後固體基質(zhì)得率的對應(yīng)變化趨勢均呈Boltzmann函數(shù)關(guān)係。達(dá)到相同葡萄糖回收率時，初始亞硫酸鈉用量越大，預(yù)處理液中殘餘硫化物的濃度也越高。這些文獻(xiàn)告訴我們在物理性或化學(xué)性前處理要將木質(zhì)素打開讓水解液能容易碰觸纖維素都有一定困難點，而在水解方面不是要在高溫下水解就是要把水解時間拉長，可是用這些方法其還原糖產(chǎn)率還是相當(dāng)?shù)牡汀?8第三章 實驗材料與方法(一)實驗儀器裝置編號器材名稱數(shù)量1.粗秤天平1臺2.精秤天平1臺3.加熱器4臺4.200目篩網(wǎng)3個5.燒杯(500、250ml)4個6.果汁機(jī)1臺7.塑膠滴管2支8.定量瓶250ml5個9.定量瓶100ml6個10.定量瓶1000ml3個11.漏斗4個12.滴定管8支13.玻棒16支14.玻璃滴管2支

編號器材名稱數(shù)量15.刻度吸量管10ml4支16.刻度吸量管5ml2支17.刻度吸量管1ml2支18.安全吸球2個19.試管架1個20.試管20支21.錐形瓶4個22.量筒10ml2個23.量筒100ml5個24.量筒1000ml2個25.滴定管架4個26.藥勺4支27.溫度計4支28.塑膠洗瓶4個19(二)實驗藥品1.氫氧化鈉(NaOH)Sodiumhydroxide(聯(lián)工試藥級)。2.葡萄糖(C6H12O6)Glucose(聯(lián)工試藥級)。3.鹽酸(HCl)Hydrochloricacid(聯(lián)工試藥級)。4.酒石酸鉀鈉(KNaC4H4O6?4H2O)K-Na-tartarate-4H2O(聯(lián)工試藥級)。5.硫酸銅(CuSO4?5H2O)Copper(Ⅱ)sulfatepentahydrate(聯(lián)工試藥級)。6.硫酸(98%H2SO4)Sulfuricacid(聯(lián)工試藥級)。7.離子溶液Z005：由氯化鋅(ZnCl2)Zincchloride(FERAK試藥級)陽離子界面活性劑及適量水溶性之有機(jī)溶劑配製而成。20(三)實驗原料1.影印紙:A4，基重70g/m2，(中華紙漿公司)2.棉花:東和鑽石醫(yī)用棉花，(東河衛(wèi)生材料工業(yè)股份有限公司 )3.衛(wèi)生紙:春風(fēng)，正隆股份有限公司4.稻草5.蔗渣6.竹子影印紙蔗渣圖3各種纖維質(zhì)原料示意圖21(四)實驗程序水解程序：秤取原料 加入離子溶液 加入鹽酸水解液 水解反應(yīng)(溫度、時間)冷卻 分析還原糖秤取0.4克的棉花分別放入大試管中 ，配製離子溶液 Z005並加入10ml至大試管中，攪拌至棉花呈現(xiàn)黏稠狀的透明溶液，依實驗條件分別加入定量的濃鹽酸於訂定的溫度及時間以水浴進(jìn)行加熱水解，在水解期間須不斷地攪拌，水解完成後以斐林試劑測定還原糖的含量。2.還原糖化驗程序：配製斐林試液甲、乙液 標(biāo)定求R值 還原糖的樣品測定。(五)測定還原糖斐林試劑的配製與標(biāo)定斐林試劑的配製：斐林試劑甲液配製：秤取 69.28g硫酸銅，溶於水中並稀釋至 1000ml，靜置小時，用濾紙過濾後備用。斐林試劑乙液配製：分別秤取酒石酸鉀鈉346g和氫氧化鈉100g，溶於水中並稀釋至1000ml，靜置48小時，用濾紙過濾後備用。斐林試液的標(biāo)定：精秤取在 105℃烘乾至恆重後冷卻置於乾燥器內(nèi)的分析級純葡萄糖0.8g，以蒸餾水溶解，移入 250ml定量瓶中並稀釋至刻度，搖勻。用移液管分別吸取斐林試劑甲、乙液各 5ml和蒸餾水20ml於150ml錐形瓶中，以電熱板加熱至沸騰，將上述葡萄糖溶液置於 25ml滴定管中，滴定至藍(lán)色接近消失時，加入1%的亞甲基藍(lán)指示劑 2滴，繼續(xù)用葡萄糖溶液滴定至藍(lán)色剛好消失。此操作須在 1分鐘內(nèi)完成。據(jù)此滴定之葡萄糖溶液體積計算 R值(10ml斐林試劑相當(dāng)於葡萄糖的質(zhì)量 )。(詳細(xì)R值計算方式見附錄一)2.樣品中的還原糖轉(zhuǎn)化率測定(1)水解完成後將試管裏的水解液洗移到定量瓶並滴兩滴酚酞，然後以滴管22取0.5MNaOH慢慢滴入定量瓶，直至溶液呈現(xiàn)淡粉紅色完成中和（註:因斐林試劑乙液是鹼性的若未將水解的酸中和會影響還原糖的化驗，在中和過程中離子溶液會生成不溶性的氫氧化物），用蒸餾水定量到刻度，攪拌後以重力過濾法將沉澱之固體濾出，將濾液置入滴定管中備測定還原糖含量。(2)用移液管分別吸取斐林試劑甲、乙液各5ml和蒸餾水20ml於250ml錐形瓶中，以電熱板加熱至沸騰，以步驟(1)之滴定管中的還原糖濾液滴定斐林試劑，滴定至藍(lán)色接近消失時，加入1%的亞甲基藍(lán)指示劑2滴，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好消失。此操作須在1分鐘內(nèi)完成。根據(jù)樣品之還原糖濾液消耗的體積計算還原糖含量。中和反應(yīng)加入氫氧化鈉會和離子水解完成之後用蒸溶液反應(yīng)產(chǎn)生白色沉澱。中餾水洗移到定量瓶和並滴2滴酚酞。完之後過濾沉澱重力過濾，取濾液分析還原糖的含量。

中和後由白色轉(zhuǎn)為粉紅色再定量至刻度。圖4中和與過濾流程23(3)還原糖計算公式：還原糖(%)=(R×V/W×G)×100%)R=10ml斐林試劑相當(dāng)於葡萄糖的質(zhì)量 (g)V=葡萄糖定容量體積(ml)W=葡萄糖溶液消耗的體積 (ml)G=葡萄糖質(zhì)量(g)註：1.還原糖含量計算例詳見附錄二2. 還原糖是指分子中含有游離醛基的單糖或含有游離醛基的雙糖 ，具有還性的醣類，如葡萄糖、果糖、乳糖、麥芽糖。中和並定量完成後， 將過濾後的澄清液滴定過濾白色固體沉澱物。 錐形瓶中的斐林試劑。圖5過濾及檢測還原糖示意圖24第四章結(jié)果與討論(一)鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響表2鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響編號A1A2A3A4濃鹽酸152030添加量(mL)鹽酸濃度(%)3.5612.5624.2026.97還原糖(％)---------15.94註：原料：棉花0.408g，35%HCl加水10mL，水解條件100℃，40min由表2可以發(fā)現(xiàn)，以棉花為原料在不同的鹽酸濃度煮沸水解下，需要在26.97%的高濃度下水解40分鐘才可測得15.94%的還原糖，而在35.3%、12.56%及24.20%之狀況下因酸的濃度太低均無法測得水解的效果。例如：張繼泉(46)將玉米稈磨碎至20~40目然後用1.0%H2SO4在120℃水解2h，結(jié)果得到19.2%的還原糖。江滔等(47)人在2008年也用1.5%H2SO4在125℃水解80分鐘，結(jié)果得到32.71%的還原糖。纖維素是由葡萄糖所組成的高分子聚合物，若能將此聚合物水解成葡萄糖將有利於纖維素用途的開發(fā) ，但是由表2的實驗結(jié)果及張繼泉與江滔的研究現(xiàn)象都足以證明棉花纖維的結(jié)晶性質(zhì)及玉米桿的纖維素被木質(zhì)素緊緊的包裹所呈現(xiàn)的水解困難度，因此如何瓦解植物纖維素的結(jié)晶現(xiàn)象是利用纖維素水解的關(guān)鍵技術(shù)。25圖6呈現(xiàn)的是棉花纖維形成氫鍵而生成結(jié)晶現(xiàn)象的示意圖。圖6纖維分子形成結(jié)晶的示意圖26(二)離子溶液及鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響表3離子溶液及鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響編號A5A6A7A8A9濃鹽酸0.51.01.52.55.0添量(mL)鹽酸濃(%)1.863.565.037.6612.56還原糖(％)74.4289.2474.3665.8864.02成品照片註:原料:棉花0.4000g，Z00510ml加熱到膠狀透明，水解條件 100℃，40min表3所顯示的是棉花纖維經(jīng)過離子溶液Z005瓦解結(jié)晶結(jié)構(gòu)而溶解後所進(jìn)行的鹽酸水解結(jié)果。由表2的A5發(fā)現(xiàn)在1.86%HCl的情況下於100℃水解40分鐘後即可得到74.42%的還原糖，在水解的初期棉花溶液的黏度很大，但隨著水解程序的進(jìn)行，黏度逐漸下降，到最後得到淡黃色的稀糖溶液，當(dāng)鹽酸濃度提高到3.56%時得到的還原糖最高(89.24%)，但隨著酸濃度增高至7.66%及12.56%時，水解的糖液呈現(xiàn)黑色的碳化現(xiàn)象，其還原糖亦降至65.88%及64.02%，這可能是過高的鹽酸濃度導(dǎo)致糖的成分變質(zhì)所致。27959085)(率化75轉(zhuǎn)糖70原還656055500 1 2 3 4 5 6鹽酸(ml)圖7鹽酸添加量與還原糖含量的關(guān)係由這些實驗的結(jié)果可以證明纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞而溶解對於水解是很有幫助的。這時只需用1.86%的HCl就可得到顯著的水解效果。28圖8說明了離子溶液 Z005能瓦解纖維素結(jié)晶的示意圖。圖8離子溶液瓦解纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)之示意圖圖9棉花纖維之水解前後比較圖用離子溶液Z00510mL，加入0.4克棉花，並在100℃隔水加熱下攪拌至半透明黏稠狀，用吸量管加入0.5鹽酸並繼續(xù)隔水加熱攪拌開始水解，當(dāng)水解時間越久，液體顏色會由半透明逐漸變黃到深褐甚至轉(zhuǎn)黑，水解液也會由黏稠轉(zhuǎn)稀(如圖9)。29(三)離子溶液加熱對轉(zhuǎn)化率的影響表4棉花纖維於離子溶液中加熱對轉(zhuǎn)化率的影響編號A10A11A12A13A14A15A16A17加熱5 10 15 20 40 60 70 80(min)還原63.3 69.13 72.55 84.13 84.55 75.08 73.58 71.44糖(％)成品照片註：原料:棉花0.400g，Z00510mL，前處理加熱溫度 100℃水解條件100℃，40min，，35%HCl0.5mL30圖10棉花纖維於離子溶液中加熱時間與還原糖轉(zhuǎn)化率的關(guān)係當(dāng)離子溶液Z005加入棉花原料時，棉花並未立即溶解而先變粘稠，在攪拌的情況下才逐漸溶解，這說明了棉花纖維的結(jié)晶構(gòu)造並非立即被離子溶液Z005瓦解，表4說明結(jié)晶體瓦解的現(xiàn)象對水解效率的影響。當(dāng)離子溶液Z005加入棉花原料且於100℃加熱5分鐘後，開始加入鹽酸水解得到63.3%的還原糖，當(dāng)加熱時間增加至20分至80分鐘使其徹底解離溶成透明的溶液後才開始加入鹽酸水解，在20~40分鐘時之得率最高，約84％，但隨著加熱時間的增加，其還原糖逐漸下降，足以見得棉花與離子溶液 Z005充分接觸20分鐘後即可得到完全瓦解纖維素結(jié)晶的功效。棉花纖維於離子溶液Z005中加熱到80分鐘後再進(jìn)行水解時產(chǎn)物的褐色逐漸變深其還原糖亦逐漸降低，這可說明棉花纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被離子溶液拆解得越完成越容易進(jìn)行水解反應(yīng)但在較高的酸濃度下也較易受分解而變質(zhì)。由表4之照片顯示從20分鐘之後開始呈現(xiàn)較深的褐色，一直到 80分鐘褐色變的更深，這可說明棉花纖維被離子溶液 Z005溶解得越完全。31(四)溫度及鹽酸添加量對棉花纖維水解成還原糖的影響由前面那些實驗可以發(fā)現(xiàn)，離子溶液 Z005甚有助於棉花纖維的酸水解反應(yīng)，但是前面實驗的水解溫度都是 100℃，本項實驗探討在較低溫時對水解的轉(zhuǎn)化影響，從表 4可以發(fā)現(xiàn)溫度越高，顏色會越深在鹽酸的添加量為0.8ml時須達(dá)80℃才可顯現(xiàn)得到還原糖的現(xiàn)象，其得率甚高達(dá)85.75％且糖液的色澤頗淡，推估其糖變分解的狀況應(yīng)較少，但是在室溫 (28℃)、40℃及60℃下時卻測定不出還原糖，這可能是溫度太低無法跨越水解所需的活化能或是水解時間太短使得還原糖濃度太低，而無法用斐林試液的分析方法檢測。在條件相同情況下，當(dāng)濃鹽酸添加量增加至 3ml時發(fā)現(xiàn)在60℃就可得到62.27%的還原糖，在80℃時更可得到87.14%的還原糖，但其糖液之色澤較深，糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)或許有此遭受破壞。由此項實驗得知，水解反應(yīng)的溫度及酸的添加量直接影響棉花纖維的水解效率。32表5溫度及鹽酸添加量對棉花纖維水解的影響編號A18A19A20A21溫度(℃)28406080酸添加---------85.75還原量0.8ml糖酸添加(％) --- --- 62.27 87.14量3ml酸添加量0.8ml成品照片酸添加量3ml註：原料:棉花0.400g，Z00510ml，水解條件：20min，35%HCl3.0ml及0.8ml，前處理時間20min33(五)離子溶液和鹽酸同時加入原料及水解時間對轉(zhuǎn)化率的影響由表5的實驗發(fā)現(xiàn)棉花纖維在離子溶液Z005做前處理後再加入鹽酸水解，對還原糖的產(chǎn)率有明顯的影響，本項實驗在探討將前處理和水解的步驟合併進(jìn)行，亦即離子溶液Z005和鹽酸同時加入棉花原料中進(jìn)行水解反應(yīng)，其目的在於可以減少化工製程和減少前處理所需的時間與熱能，以達(dá)節(jié)省製程上的成本，達(dá)到更高的經(jīng)濟(jì)效益。表6離子溶液和鹽酸同時加入原料及水解時間對轉(zhuǎn)化率的影響編號A22A23A24A25水解時間10203040(min)還原糖(％)79.0078.7678.4478.21成品照片註:原料:棉花0.400g，Z005:10ml，水解條件：100℃，35%HCl1.00ml34由表6顯示水解時間越久，顏色會越黑，水解10分鐘後即可明顯的得到糖液且溶液是淺褐色顯示水解時被鹽酸碳化之情形較不嚴(yán)重，轉(zhuǎn)化率有79%，水解40分鐘的溶液則是黑色的，顯示碳化掉的糖比較多，其還原糖已降至78.21%，同樣的現(xiàn)象在圖7也可看得出來。圖11離子溶液和鹽酸同時加入原料及水解時間對轉(zhuǎn)化率的關(guān)係圖由此可見前處理和水解的步驟合併進(jìn)行是可行的，這可節(jié)省了很多製造程序時間與熱能，可降低很多的生產(chǎn)成本，但是本項實驗之糖液色澤較黑，顯示糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)或許有頗多的破壞，若能減少鹽酸的添加量或許可以改善此現(xiàn)象。35(六)各種植物原料的水解效果由前面實驗證明，離子溶液 Z005對於棉花纖維的瓦解結(jié)晶而溶於水的現(xiàn)象十分明顯，由於棉花是植物中不含木質(zhì)素的纖維素，然而其他的植物如木材、竹子、稻草、蔗渣，其中雖然含有豐富的纖維素，但他們都被木質(zhì)素所粘結(jié)，致使在水解糖化的程序中，水解藥劑不易碰到纖維素而大為降低水解的效率，雖然可透過蒸煮的方式以藥品溶解木質(zhì)素而得到較純的纖維，但卻會在製造過程中造成嚴(yán)重的廢水汙染、空氣汙染及耗費巨大的熱能及電能，因為這反應(yīng)程序須在 170℃維持四小時。如果能直接在不分離木質(zhì)素的狀況下以離子溶液 Z005溶解纖維素而且其水解糖化時可節(jié)省很高的生產(chǎn)成本。本試驗以棉花、衛(wèi)生紙、影印紙、稻草、蔗渣、竹子做為原料，前三者為分離出的纖維素而後三者為原植物組織含有纖維素、半纖維素及木質(zhì)素，由表6實驗的結(jié)果顯示，它們都可以在離子溶液 Z005的作用下順利的水解而得到還原糖，其中棉花的糖化率最高為 83.22%，蔗渣的糖化率最低為32.88%。由於植物的組織較為緊密且纖維素被木質(zhì)素包圍，故需較久的前處理作用時間，實驗中須觀察前處理至呈現(xiàn)變稀且呈現(xiàn)膠狀才加入濃鹽酸開始水解。前處理的時間依不同的原料而異，如稻草及竹子分別須40及60分鐘，而纖維只須 10分鐘。當(dāng)加入濃鹽酸水解稻草、蔗渣以及竹子會出現(xiàn)黑色固體，這些固體應(yīng)是木質(zhì)素和雜質(zhì)。本實驗亦探討原料在濕潤狀態(tài)下加入離子溶劑處理的現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在濕潤狀態(tài)下需要較久的前處理時間，例如稻草要150分鐘，足見在濕潤狀態(tài)下雖可有利於離子的擴(kuò)散速率但過多的水分會降低離子溶液濃度而導(dǎo)致使原料膠化溶解的速率較慢。雖然如此，在表6中亦可見其糖化的效果。36表7各種植物原料水解成還原糖的比較編號A26A27A28A29A30A31原料棉花衛(wèi)生紙影印紙漿稻草蔗渣竹子前處理加406361熱時間102060(150)(110)(150)(min)還原糖(％)83.2274.9257.5035.0232.8839.05(37.91)(34.82)(38.30)註：Z00510ml，35%HCl0.8mL，水解條件100℃10min，()內(nèi)之?dāng)?shù)字係指濕潤狀態(tài)之原料在本項實驗中證實了離子溶液Z005可使植物原料在未經(jīng)過蒸煮而溶解木質(zhì)素的過程也能順利的使植物中的纖維素糖化，實具有開發(fā)植物纖維利用的極大潛能，值得更深入的進(jìn)行探討。37第五章 結(jié)論本研究探討以棉花纖維於自行調(diào)配的離子溶液Z005中瓦解其結(jié)晶構(gòu)造而得到均勻的水溶液，再以訂定的實驗條件，用鹽酸水解而得到還原糖，研究中也用稻草、蔗渣、竹子為原料進(jìn)行試驗，根據(jù)實驗的結(jié)果得到 5點結(jié)論如下：1.離子溶液可瓦解棉花纖維的結(jié)晶構(gòu)造而溶於水，在 1.86%HCl、100℃水解40分鐘可得到74.42%的還原糖。但於酸的濃度太高時水解糖液會逐漸分解而呈黑色，還原糖的含量也會降低。2.棉花纖維於離子溶液中的前處理時間會影響水解糖液的色澤及轉(zhuǎn)化率 ，以加熱20分鐘時之84％為最高。3.水解反應(yīng)的溫度及鹽酸的添加量直接影響棉花纖維的水解效率 。水解溫度在60℃以下無明顯的糖化效果，當(dāng)80℃時可得到87.14%的還原糖，酸的濃度太高時，水解糖液的顏色會越深。4.離子溶液和鹽酸同時加入棉花原料中進(jìn)行 10分鐘的水解反應(yīng)，可得到79%還原糖，但水解 40分鐘的溶液呈現(xiàn)黑色，還原糖降至 78.21%。5.以含有木質(zhì)素的稻草、蔗渣、竹子之植物原料，經(jīng)離子溶液前處理後再以鹽酸水解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的植物原料所需的離子溶液前處理時間不同，在相似的反應(yīng)條件下，棉花的還原糖最高為 83.22%，竹子39.05%居次，稻草為35.02%，蔗渣為32.88%居末。原料在濕潤狀態(tài)下加入離子溶劑需要較久的前處理時間，例如稻草需要 150分鐘，可得還原糖 37.91%。38附錄附錄(一)斐林試劑標(biāo)定程序：配製斐林試液甲、乙液 葡萄糖0.8克定量到 250mL 葡萄糖液到50mL滴定管備用 甲、乙液各取5mL和25mL蒸餾水到錐形瓶加熱至沸騰(配製數(shù)瓶) 開始滴定並且重複滴定 計算出R值(10mL斐林試劑相當(dāng)於葡萄糖的含量 )。表8斐林試劑標(biāo)定編號B1B2B3B4B5滴定體積(ml)18.2118.0918.1517.8018.10R(g/10ml)0.05830.05790.05810.05790.0569平均(g/10ml)0.0578註:葡萄糖:0.80g定量:250mlR=(W×G)/VR=10ml斐林試劑相當(dāng)於葡萄糖的質(zhì)量 (g)V=葡萄糖定容量體積(ml)W=葡萄糖溶液消耗的體積 (ml)G=葡萄糖質(zhì)量(g)編號B1的數(shù)據(jù)：R=18.21X0.8/250=0.0583(g/10ml)編號B2的數(shù)據(jù)：R=18.09X0.8/250=0.0579(g/10ml)編號B3的數(shù)據(jù)：R=18.15X0.8/250=0.0581(g/10ml)編號B4的數(shù)據(jù)：R=17.80X0.8/250=0.0579(g/10ml)編號B5的數(shù)據(jù)：R=18.10X0.8/250=0.0569(g/10ml)39附錄(二)還原糖計算利用葡萄糖具有還原性的半縮醛末端能把斐林試劑中的硫酸銅氧化成亞硫酸銅的紅棕色沉澱。將樣品中的纖維素用酸水解成具有還原性的單糖，然後依還原糖的測定方法，在加熱條件下，以亞甲基藍(lán)做指示劑，用樣品溶液直接滴定標(biāo)定過的斐林試劑(鹼性酒石酸銅溶液)，然後根據(jù)樣品液消耗的體積計算還原糖含量。以表3為例列出詳細(xì)的計算式如下:編號A5A6A7A8A9濃鹽酸0.51.01.52.55.0添加量(mL)鹽酸濃度1.863.565.037.6612.56(%)滴定糖液17.5014.8017.7820.0020.08(ml)還原糖(％)74.4289.2474.3665.8864.02註：原料:棉花0.4000g，Z00510ml加熱到膠狀透明，水解條件 :100℃，40min例如：編號A5之棉花為0.4097g，水解後定量至100ml，滴定體積為17.5ml重新標(biāo)定後得R值為0.05336(g/10ml)。還原糖(%)=(R×V/W×G)×100%)計算式如下：編號A5的數(shù)據(jù)：(0.05336×100/17.50×0.4097)×100%=74.42%編號A6的數(shù)據(jù)：(0.05336×100/14.80×0.4040)×100%=89.24%編號A7的數(shù)據(jù)：(0.05336×100/17.78×0.4036)×100%=74.36%編號A8的數(shù)據(jù)：(0.05336×100/20.00×0.4050)×100%=65.88%編號A9的數(shù)據(jù)：(0.05336×100/20.08×0.4007)×100%=64.02%40附錄(三)葡萄糖樣品的保存與秤量將準(zhǔn)備好的的葡萄糖分批放入多個乾淨(jìng)的燒杯中並放入烘箱 (105℃)中烘至恆重，烘到恆重的方法可以先把烘大約 2個小時的葡萄糖放到乾燥器冷卻。乾燥器底部的粒狀矽膠須呈現(xiàn)吸溼能力的藍(lán)色，若呈現(xiàn)淡紅色則表示已無吸溼能力，此時可拿去 150℃烘乾會再度呈現(xiàn)藍(lán)色而可重複使用。為了使乾燥器能完全密封，乾燥器玻璃蓋的邊緣都要塗上一層薄薄的凡士林。葡萄糖精秤並記錄重量後繼續(xù)放入烘箱，重複操作直到秤得的重量誤差在0.3mg以下，放到乾燥器冷卻備用。秤量葡萄糖時，從乾燥器將蓋子慢慢推開，避免空氣中多餘的水分跑進(jìn)去，因為乾燥器裡的秤量瓶是真空狀態(tài)，所以拿出秤量瓶後把秤量的蓋子開出一小縫讓空氣進(jìn)去再迅速蓋上以免使秤量時出現(xiàn)誤差。秤量後剩餘的葡萄糖再放回乾燥器保存?zhèn)溆谩?1參考文獻(xiàn)1.蔡俊宇，利用棉花纖維素酸化降解糖為基質(zhì)進(jìn)行生物產(chǎn)氫 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