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摘 要 以硫酸、柠檬酸为催化剂，利用超声波、微波协同作用促进纤维素的水解。以还原糖产率为指标，探讨超声波处理时间、微波加热时间对纤维素水解反应的影响。实验结果表明，在最优条件下还原糖产率可达27.7%。
关键词 纤维素；水解；微波；超声波
中图分类号：G633.8 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）01-0131-02
1 前言
纤维素是自然界为人类提供的最丰富的多糖生物质资源，合理充分利用纤维素等生物质可以缓解温室效应、能源食物短缺等全球问题[1-4]。纤维素是一种稳定的高分子聚合物，其分子结构中的高度结晶区使得纤维素很难水解。超声波在溶液中引起的空化作用可以促进很多物质的水解，包括部分天然高分子化合物的降解。微波促使介质分子的剧烈震动，能在极短的时间内使反应体系达到所需的温度。将超声波和微波用于高中化学实验教学，可以将一些常规条件下无法进行或者现象不明显的显示实验变得具有可操作性。选择典型无机酸——硫酸和典型有机酸——柠檬酸做催化剂，在超声波、微波辅助下对多糖纤维素进行水解实验，取得比较满意的结果。
2 实验部分
试剂与仪器 微晶纤维素、氢氧化钠、3，5-二硝基水杨酸、酒石碳酸钾、苯酚、无水亚硫酸钠、葡萄糖、柠檬酸，DF-101B恒温电磁搅拌器、微波炉、KQ3200DB型数控超声波清洗器、ME203E电子天平。
纤维素水解反应 分别往两个100 mL圆底烧瓶中加入10%的硫酸30 mL，20 mL的20%的柠檬酸和10 mL水。先用超声波处理一段时间，然后用微波辐射处理。设定超声波功率为100 W，反应温度为80 ℃，微波温度为90 ℃；设定不同的时间，启动反应。
分析部分 采用DNS（3，5-二硝基水杨酸）比色法确定还原性糖（葡萄糖）的浓度[5]；在不同的试管里将3，5-二硝基水杨酸试剂0.5 mL与不同浓度的葡萄糖溶液0.5 mL混合均匀，煮沸5 min，冷却，每支试管中加入4 mL蒸馏水稀释，置紫外分光光度计上520 nm波段处测光密度值；以葡萄糖浓度为横坐标，光密度值为纵坐标做标准曲线。通过测定水解产物的光密度值，结合标准曲线葡萄糖与光密度值之间的关系，很容易计算得到水解产物中葡萄糖的浓度。
3 结果与讨论
超声波时间对纤维素水解的影响 在超声波功率100 W，
反应温度80 ℃，硫酸浓度10%，柠檬酸浓度20%的条件下，得到超声波处理时间对纤维素水解趋势图，如图1所示：无论是以硫酸还是以柠檬酸为催化剂，超声波对纤维素的水解都有一定程度的促进作用；随着反应时间的加长，还原糖产率有所提高，但加热时间超过30 min，还原糖产率有所降低；加热时间超过90 min，还原糖产率又开始上升，这可能是因为长时间的超声波振荡会使柠檬酸与已生成的还原糖发生反应生成醛酮等其他产物。数据显示超声波单独处理还原糖产率并不理想，这是因为虽然超声波的空化效果对纤维素的晶形区有一定破坏作用，但此温度下不足以使纤维素彻底水解。在单因素下，超声波处理时间为30 min
时，水解效果比较好。
微波加热时间对纤维素水解的影响 在微波功率500 W，
反应温度80 ℃，硫酸浓度10%，柠檬酸浓度20%的条件下，微波加热时间对纤维素水解的结果如图2所示：还原糖产率随反应时间的延长先升高后降低，可能原因是微波内加热方式在时间延长情况下对纤维素的水解起到促进作用，但随着加热时间的继续增长，在此温度下有可能使得生成的糖被炭化，从而导致还原性糖产率降低。所以，选择微波加热时间为35 min为最佳条件。
超声波—微波协同处理对纤维素水解的影响 在考察超声波和微波辐射对水解影响的基础上，研究微波辐射时间、超声波反应时间对纤维素水解的影响，可得出纤维素水解的最佳条件。由表1、表2可知，两两交叉因素对纤维素水解有影响，且比单独的因素对纤维素水解效果更为显著：10%的硫酸30 mL，加水15 mL，超声波100 W，温度为80 ℃
下处理90 min；微波700 W，温度为80 ℃下加热35 min时，还原糖产率可得27.7%。
4 结语
选取无机酸中的硫酸、有机酸中的柠檬酸作为催化剂，采用微波—超声波辅助处理的方法促进纤维素的水解。结果表明，微波与超声波协同作用能够大幅度提升纤维素水解还原糖的产率。最终得出在10%的硫酸，超声波辅助处理90 min，微波700 W，温度80 ℃下处理35 min，料水比为1：15的条件下，纤维素水解产生的还原糖产率达到27.7%。
参考文献
[1]马诚.生命科技对社会进步的影响[M]//中国科学院中国现代化研究中心.科学与现代化（第六辑）.北京：2005.
[2]阎立峰，朱清时.以生物质为原材料的化学化工[J].化工学报，2004，55（12）：1938-1943.
[3]安宏，王树荣，庄新姝，等.纤维素稀酸水解的实验研究[J].新能源及工艺，2005（2）：22-25.
[4]安宏.纤维素稀酸水解制取燃料酒精的试验研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[5]张惟杰.糖复合物生化研究技术[M].杭州：浙江大学出版社，2006.
关键词 纤维素；水解；微波；超声波
中图分类号：G633.8 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）01-0131-02
1 前言
纤维素是自然界为人类提供的最丰富的多糖生物质资源，合理充分利用纤维素等生物质可以缓解温室效应、能源食物短缺等全球问题[1-4]。纤维素是一种稳定的高分子聚合物，其分子结构中的高度结晶区使得纤维素很难水解。超声波在溶液中引起的空化作用可以促进很多物质的水解，包括部分天然高分子化合物的降解。微波促使介质分子的剧烈震动，能在极短的时间内使反应体系达到所需的温度。将超声波和微波用于高中化学实验教学，可以将一些常规条件下无法进行或者现象不明显的显示实验变得具有可操作性。选择典型无机酸——硫酸和典型有机酸——柠檬酸做催化剂，在超声波、微波辅助下对多糖纤维素进行水解实验，取得比较满意的结果。
2 实验部分
试剂与仪器 微晶纤维素、氢氧化钠、3，5-二硝基水杨酸、酒石碳酸钾、苯酚、无水亚硫酸钠、葡萄糖、柠檬酸，DF-101B恒温电磁搅拌器、微波炉、KQ3200DB型数控超声波清洗器、ME203E电子天平。
纤维素水解反应 分别往两个100 mL圆底烧瓶中加入10%的硫酸30 mL，20 mL的20%的柠檬酸和10 mL水。先用超声波处理一段时间，然后用微波辐射处理。设定超声波功率为100 W，反应温度为80 ℃，微波温度为90 ℃；设定不同的时间，启动反应。
分析部分 采用DNS（3，5-二硝基水杨酸）比色法确定还原性糖（葡萄糖）的浓度[5]；在不同的试管里将3，5-二硝基水杨酸试剂0.5 mL与不同浓度的葡萄糖溶液0.5 mL混合均匀，煮沸5 min，冷却，每支试管中加入4 mL蒸馏水稀释，置紫外分光光度计上520 nm波段处测光密度值；以葡萄糖浓度为横坐标，光密度值为纵坐标做标准曲线。通过测定水解产物的光密度值，结合标准曲线葡萄糖与光密度值之间的关系，很容易计算得到水解产物中葡萄糖的浓度。
3 结果与讨论
超声波时间对纤维素水解的影响 在超声波功率100 W，
反应温度80 ℃，硫酸浓度10%，柠檬酸浓度20%的条件下，得到超声波处理时间对纤维素水解趋势图，如图1所示：无论是以硫酸还是以柠檬酸为催化剂，超声波对纤维素的水解都有一定程度的促进作用；随着反应时间的加长，还原糖产率有所提高，但加热时间超过30 min，还原糖产率有所降低；加热时间超过90 min，还原糖产率又开始上升，这可能是因为长时间的超声波振荡会使柠檬酸与已生成的还原糖发生反应生成醛酮等其他产物。数据显示超声波单独处理还原糖产率并不理想，这是因为虽然超声波的空化效果对纤维素的晶形区有一定破坏作用，但此温度下不足以使纤维素彻底水解。在单因素下，超声波处理时间为30 min
时，水解效果比较好。
微波加热时间对纤维素水解的影响 在微波功率500 W，
反应温度80 ℃，硫酸浓度10%，柠檬酸浓度20%的条件下，微波加热时间对纤维素水解的结果如图2所示：还原糖产率随反应时间的延长先升高后降低，可能原因是微波内加热方式在时间延长情况下对纤维素的水解起到促进作用，但随着加热时间的继续增长，在此温度下有可能使得生成的糖被炭化，从而导致还原性糖产率降低。所以，选择微波加热时间为35 min为最佳条件。
超声波—微波协同处理对纤维素水解的影响 在考察超声波和微波辐射对水解影响的基础上，研究微波辐射时间、超声波反应时间对纤维素水解的影响，可得出纤维素水解的最佳条件。由表1、表2可知，两两交叉因素对纤维素水解有影响，且比单独的因素对纤维素水解效果更为显著：10%的硫酸30 mL，加水15 mL，超声波100 W，温度为80 ℃
下处理90 min；微波700 W，温度为80 ℃下加热35 min时，还原糖产率可得27.7%。
4 结语
选取无机酸中的硫酸、有机酸中的柠檬酸作为催化剂，采用微波—超声波辅助处理的方法促进纤维素的水解。结果表明，微波与超声波协同作用能够大幅度提升纤维素水解还原糖的产率。最终得出在10%的硫酸，超声波辅助处理90 min，微波700 W，温度80 ℃下处理35 min，料水比为1：15的条件下，纤维素水解产生的还原糖产率达到27.7%。
参考文献
[1]马诚.生命科技对社会进步的影响[M]//中国科学院中国现代化研究中心.科学与现代化（第六辑）.北京：2005.
[2]阎立峰，朱清时.以生物质为原材料的化学化工[J].化工学报，2004，55（12）：1938-1943.
[3]安宏，王树荣，庄新姝，等.纤维素稀酸水解的实验研究[J].新能源及工艺，2005（2）：22-25.
[4]安宏.纤维素稀酸水解制取燃料酒精的试验研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[5]张惟杰.糖复合物生化研究技术[M].杭州：浙江大学出版社，2006.