固體酸催化纖維素水解制備葡萄糖的工藝研究及糖液食用安全性評價.pdf

1、葡萄糖是一種在食品、生物、醫(yī)藥、化工以及能源等行業(yè)都十分重要的基礎(chǔ)物質(zhì)，但傳統(tǒng)工業(yè)水解淀粉提供葡萄糖的方式所造成的糧食安全問題日益凸顯，纖維素是生物質(zhì)的主要組成成分，廣泛的存在于自然界中，是一種最大的葡萄糖資源，因此，水解纖維素生產(chǎn)葡萄糖具有重大的科學(xué)價值和經(jīng)濟(jì)價值。目前，文獻(xiàn)中報(bào)道的水解纖維素的方法有酸水解法、酶水解法和超/亞臨界水解法，但這些方法存在諸多缺陷，嚴(yán)重阻礙了纖維素水解制備高品質(zhì)葡萄糖的工業(yè)發(fā)展，這使得非均相催化纖維素水解

2、的理念應(yīng)運(yùn)而生，固體酸催化劑就是在這種情況下被提出來的。與其它方法相比，固體酸催化纖維素水解具有產(chǎn)品易于分離、可循環(huán)利用、對設(shè)備腐蝕小、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。硅磺酸屬于硅膠負(fù)載型固體酸，目前主要用于有機(jī)化合物合成方面的研究，在纖維素水解等其他方面的應(yīng)用還未見報(bào)道。因此，本研究將硅磺酸應(yīng)用于纖維素的水解反應(yīng)中，以期為纖維素水解制備葡萄糖提供一條綠色的新方法。
　　本文首先以硅膠和氯磺酸為原料制備硅磺酸固體催化劑，然后優(yōu)化了硅磺酸催化纖維素

3、水解制備葡萄糖的生產(chǎn)工藝，并對纖維素水解液脫毒脫色的工藝條件進(jìn)行了研究，最后對葡萄糖濃縮液進(jìn)行了食用安全性毒理學(xué)評價，研究結(jié)果表明：
　　1.以硅膠和氯磺酸為原料制備硅磺酸固體催化劑，并對所制得的催化劑的官能團(tuán)、表面形貌、熱力學(xué)穩(wěn)定性和表面特性等通過紅外光譜（IR）、掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、示差掃描量熱（DSC）和酸堿中和滴定進(jìn)行分析表征。通過紅外光譜圖可知，除與原料硅膠共有的官能團(tuán)振動峰外，催化劑中還有O=S=

4、O的反對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰，以及 S-O鍵的伸縮振動峰，這些特征峰表明催化劑中成功引入了磺酸基團(tuán)；由SEM和XRD圖譜分析可知，催化劑的晶粒尺寸較原料硅膠小，呈無定形態(tài)；通過DSC曲線分析可知，氯磺酸與載體表面的羥基成功發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了-SO3H基團(tuán)；通過酸堿中和滴定，得催化劑的表面酸量為6.8 mmol/g，比Shaterian課題組所制備的硅磺酸表面酸量高，原因可能是因?yàn)楸狙芯克迷下然撬岬馁|(zhì)量較高以及所選硅膠表面

5、羥基更多所致。
　　2.將制備出的硅磺酸用于催化纖維素的水解，并以纖維素轉(zhuǎn)化率和葡萄糖產(chǎn)率作為評價硅磺酸催化活性的指標(biāo)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、催化劑用量和加水量進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用Design-expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到硅磺酸催化纖維素水解制備葡萄糖的最佳工藝條件為反應(yīng)溫度137.64℃、反應(yīng)時間2.16 h、催化劑用量0.5 g、加水量11.67 ml，回歸方程預(yù)測纖維素轉(zhuǎn)化率

6、為80.09％，葡萄糖產(chǎn)率為50.99%，考慮可操作性，將最佳工藝條件修改為反應(yīng)溫度138℃、反應(yīng)時間2.2 h、催化劑用量0.5 g、加水量12 ml，在此條件下，纖維素轉(zhuǎn)化率和葡萄糖產(chǎn)率分別為82.23%、51.15%，與理論預(yù)測值基本一致，可見模型是可靠的。采用GC-MS對最佳工藝條件下的水解液中的副產(chǎn)物進(jìn)行定性分析，得水解液中的副產(chǎn)物主要以5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸、糠醛、乙酸和甲酸為主。
　　3.采用過 Ca(OH)2中和

7、與活性炭吸附相結(jié)合的方法，對纖維素水解液進(jìn)行脫毒脫色處理。首先對纖維素水解液經(jīng)過量 Ca(OH)2預(yù)處理，以脫除一些呋喃類雜質(zhì)，后用活性炭對水解液進(jìn)行脫色處理。為得到活性炭對水解液的最佳脫色工藝，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，考察了活性炭添加量、pH和脫色時間等條件對水解液脫色效果的影響，然后在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)對活性炭添加量、pH和脫色時間等條件進(jìn)行了優(yōu)化，得出最佳脫色工藝為：活性炭添加量4.0 g/L、pH6.0，脫色時間20 m

8、in。
　　4.對經(jīng)過脫毒脫色處理、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮而得的葡萄糖濃縮液進(jìn)行食用安全性毒理學(xué)評價，選用健康 SPF級昆明種小鼠作為受試動物，先后進(jìn)行急性毒性實(shí)驗(yàn)和30天喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。
　　葡萄糖濃縮液急性毒性試驗(yàn)可知，給藥后，經(jīng)過14 d的觀察發(fā)現(xiàn)小鼠無明顯中毒癥狀、無死亡情況，解剖后小鼠臟器未發(fā)現(xiàn)異常，小鼠體重變化、臟器系數(shù)、血液學(xué)指標(biāo)與同性別對照組相比，均無顯著性差異。以上結(jié)果證明葡萄糖濃縮液對昆明小鼠的經(jīng)口半數(shù)致死劑量LD50>

9、19.2 g/kg，根據(jù)我國食品急性毒性分級標(biāo)準(zhǔn)，判斷葡萄糖濃縮液屬無毒級；葡萄糖濃縮液30 d喂養(yǎng)試驗(yàn)可知，小鼠體重變化、臟器系數(shù)和組織病理學(xué)檢查與同性別對照組相比，均無顯著性差異（P＞0.05）。對于小鼠血液生化學(xué)，各劑量組小鼠血糖、肌酐、總蛋白、谷草轉(zhuǎn)氨酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶、血尿素氮與同性別對照組相比均無顯著性差異（P＞0.05），而高劑量組雌性小鼠膽固醇含量與對照組相比有顯著性差異（P＜0.05），但仍在本實(shí)驗(yàn)室歷史參考范圍內(nèi)，且無劑