咪唑类离子液体应用于大豆皮和豆渣制备还原糖的研究

大豆种皮和豆腐渣是大豆精深加工的副产物，含有丰富的纤维素等多糖类物质。纤维素等多糖类物质主要是由葡萄糖通过糖苷键结合而成的聚合物，多糖类物质完全水解生成葡萄糖等还原糖，还原糖经发酵可以制备生物酒精，生物酒精是可再生的绿色有机能源。多糖中的纤维素分子内和分子间存在的大量氢键以及较高的结晶度致使其很难降解。绿色有机溶剂离子液体对纤维素有很好的溶解性能和催化性能。研究离子液体应用于大豆副产物制备还原糖对于大豆加工副产物的综合利用、开拓离子液体在纤维素降解中的应用和生物能源的制备都具有十分重要意义。
　　 以大豆种皮和豆渣为原料，研究了应用离子液体制备还原糖。试验合成了一系列功能化离子液体，包括:[Amim]Cl、[Bmim]Cl、[SO3-pmim][HSO4]、[mim]2C3[HSO4]2、[mim]2C4[HSO4]2、[mim]2C5[HSO4]2、[mim]2C6[HSO4]2、[Hmim]Cl、[Hmim]Ac、[Hmim]HSO4和[Hmim]H2PO4,通过1H-NMR对这些离子液体的结构进行了表征。
　　 研究了亚临界水法水解大豆皮制备还原糖。考察了温度、时间、液固比、压力对还原糖得率的影响。在单因素试验的基础上，通过二次回归正交旋转组合设计得出最优水解条件:水解温度170℃，水解时间为8.1min，液固比为69.3mL/g，压力为1MPa，最大还原糖得率为39.17％。
　　 研究了在亚临界水中应用离子液体催化大豆皮水解制备还原糖。考察了五种酸性离子液体对亚临界水中大豆皮水解制备还原糖的催化性能。研究结果表明:与亚临界水中无催化剂水解大豆皮相比，[SO3-pmim][HSO4]、[mim]2C3[HSO4]2、[mim]2C4[HSO4]2、[mim]2C5[HSO4]2和[mim]2C6[HSO4]2五种酸性离子液体对亚临界水中的大豆皮水解均表现出良好的催化活性，其中酸性离子液体[mim]2C4[HSO4]2催化活性最高。因此我们选用[mim]2C4[HSO4]2为催化剂，考察了反应温度、反应时间、液固比、催化剂的用量对还原糖得率的影响。在单因素试验的基础上，采用响应面组合设计，得出最佳水解条件:温度为175.4℃，时间为5min，液固比为81mL/g，催化剂的加入量为0.11g，还原糖得率为50.78％。
　　 研究了在超声波辅助下，应用离子液体制备还原糖。考察了[Amim]Cl和[Bmim]Cl两种离子液体作为溶剂，[SO3-pmim][HSO4]、[mim]2C3[HSO4]2、[mim]2C4[HSO4]2、[mim]2C5[HSO4]2、[mim]2C6[HSO4]2五种酸性离子液体和浓硫酸作为催化剂，研究大豆皮和豆渣水解制备还原糖。研究结果表明:以浓硫酸作为催化剂，[Amim]Cl预处理效果最优。在[Amim]Cl中，五种酸性离子液体都表现出较好的催化性能，其中酸性离子液体的催化活性均比浓硫酸强，以[mim]2C4[HSO4]2催化活性最优。因此我们以[Amim]Cl为溶剂，以[mim]2C4[HSO4]2为催化剂，考察了温度、时间、水的加入量和催化剂的用量对水解反应的影响，通过单因素和正交试验得出:温度为95℃，水解时间为65min，液固比为15mL/g，催化剂的质量为1.2g时纤维素的水解效果最好，还原糖得率高达71.15％。此最优条件也同样适合豆渣中纤维素水解制备还原糖。豆渣还原糖的最大得率为82.27％。
　　 研究了应用离子液体预处理豆渣，再进行纤维素酶解。考察了[Amim]Cl、[Bmim]Cl、[Hmim]Cl、[Hmim]Ac、[Hmim]HSO4和[Hmim]H2PO4六种离子液体预处理豆渣方法的选择以及对纤维素酶解效果的影响。研究结果表明:油浴温度为120℃，预处理时间为30min，预处理效果最好，其中以[Hmim]Cl最为明显。以[Hmim]Cl为预处理溶剂，考察了温度、时间、底物浓度、pH、酶的用量对酶解反应的影响。结果表明:酶解时间为10h，纤维素酶的质量为0.04g，底物浓度为20mg/mL，酶解温度为50℃，溶液的pH为4.8时酶解效果最好，还原糖得率为49.37％。