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固体酸催化纤维素水解制备葡萄糖的工艺研究及糖液食用安全性评价

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第1章 文献综述

1.1纤维素概述

1.2 固体酸概述

1.3 硅磺酸概述

1.4 纤维素水解技术研究现状

1.5 研究意义、目的、内容和创新点

第2章 催化剂的制备和表征

2.1材料与仪器

2.2 实验方法

2.3 结果与分析

2.4 本章小结

第3章 硅磺酸催化纤维素水解制备葡萄糖的工艺研究

3.1材料与仪器

3.2 实验方法

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

第4章 纤维素水解液的脱毒脱色处理

4.1材料与仪器

4.2 实验方法

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

第5章 葡萄糖浓缩液的食用安全性毒理学评价

5.1材料与仪器

5.2 实验方法

5.3 结果与分析

5.4 本章小结

第6章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

论文发表情况

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摘要

葡萄糖是一种在食品、生物、医药、化工以及能源等行业都十分重要的基础物质，但传统工业水解淀粉提供葡萄糖的方式所造成的粮食安全问题日益凸显，纤维素是生物质的主要组成成分，广泛的存在于自然界中，是一种最大的葡萄糖资源，因此，水解纤维素生产葡萄糖具有重大的科学价值和经济价值。目前，文献中报道的水解纤维素的方法有酸水解法、酶水解法和超/亚临界水解法，但这些方法存在诸多缺陷，严重阻碍了纤维素水解制备高品质葡萄糖的工业发展，这使得非均相催化纤维素水解的理念应运而生，固体酸催化剂就是在这种情况下被提出来的。与其它方法相比，固体酸催化纤维素水解具有产品易于分离、可循环利用、对设备腐蚀小、环境友好等优点。硅磺酸属于硅胶负载型固体酸，目前主要用于有机化合物合成方面的研究，在纤维素水解等其他方面的应用还未见报道。因此，本研究将硅磺酸应用于纤维素的水解反应中，以期为纤维素水解制备葡萄糖提供一条绿色的新方法。
　　本文首先以硅胶和氯磺酸为原料制备硅磺酸固体催化剂，然后优化了硅磺酸催化纤维素水解制备葡萄糖的生产工艺，并对纤维素水解液脱毒脱色的工艺条件进行了研究，最后对葡萄糖浓缩液进行了食用安全性毒理学评价，研究结果表明：
　　1.以硅胶和氯磺酸为原料制备硅磺酸固体催化剂，并对所制得的催化剂的官能团、表面形貌、热力学稳定性和表面特性等通过红外光谱（IR）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、示差扫描量热（DSC）和酸碱中和滴定进行分析表征。通过红外光谱图可知，除与原料硅胶共有的官能团振动峰外，催化剂中还有O=S=O的反对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰，以及 S-O键的伸缩振动峰，这些特征峰表明催化剂中成功引入了磺酸基团；由SEM和XRD图谱分析可知，催化剂的晶粒尺寸较原料硅胶小，呈无定形态；通过DSC曲线分析可知，氯磺酸与载体表面的羟基成功发生了化学反应，形成了-SO3H基团；通过酸碱中和滴定，得催化剂的表面酸量为6.8 mmol/g，比Shaterian课题组所制备的硅磺酸表面酸量高，原因可能是因为本研究所用原料氯磺酸的质量较高以及所选硅胶表面羟基更多所致。
　　2.将制备出的硅磺酸用于催化纤维素的水解，并以纤维素转化率和葡萄糖产率作为评价硅磺酸催化活性的指标。在单因素试验的基础上，选取反应温度、反应时间、催化剂用量和加水量进行Box-Behnken试验设计，使用Design-expert软件进行数据拟合，得到硅磺酸催化纤维素水解制备葡萄糖的最佳工艺条件为反应温度137.64℃、反应时间2.16 h、催化剂用量0.5 g、加水量11.67 ml，回归方程预测纤维素转化率为80.09％，葡萄糖产率为50.99%，考虑可操作性，将最佳工艺条件修改为反应温度138℃、反应时间2.2 h、催化剂用量0.5 g、加水量12 ml，在此条件下，纤维素转化率和葡萄糖产率分别为82.23%、51.15%，与理论预测值基本一致，可见模型是可靠的。采用GC-MS对最佳工艺条件下的水解液中的副产物进行定性分析，得水解液中的副产物主要以5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、糠醛、乙酸和甲酸为主。
　　3.采用过 Ca(OH)2中和与活性炭吸附相结合的方法，对纤维素水解液进行脱毒脱色处理。首先对纤维素水解液经过量 Ca(OH)2预处理，以脱除一些呋喃类杂质，后用活性炭对水解液进行脱色处理。为得到活性炭对水解液的最佳脱色工艺，进行了单因素试验，考察了活性炭添加量、pH和脱色时间等条件对水解液脱色效果的影响，然后在单因素试验的基础上，采用正交试验对活性炭添加量、pH和脱色时间等条件进行了优化，得出最佳脱色工艺为：活性炭添加量4.0 g/L、pH6.0，脱色时间20 min。
　　4.对经过脱毒脱色处理、旋转蒸发浓缩而得的葡萄糖浓缩液进行食用安全性毒理学评价，选用健康 SPF级昆明种小鼠作为受试动物，先后进行急性毒性实验和30天喂养实验。
　　葡萄糖浓缩液急性毒性试验可知，给药后，经过14 d的观察发现小鼠无明显中毒症状、无死亡情况，解剖后小鼠脏器未发现异常，小鼠体重变化、脏器系数、血液学指标与同性别对照组相比，均无显著性差异。以上结果证明葡萄糖浓缩液对昆明小鼠的经口半数致死剂量LD50>19.2 g/kg，根据我国食品急性毒性分级标准，判断葡萄糖浓缩液属无毒级；葡萄糖浓缩液30 d喂养试验可知，小鼠体重变化、脏器系数和组织病理学检查与同性别对照组相比，均无显著性差异（P＞0.05）。对于小鼠血液生化学，各剂量组小鼠血糖、肌酐、总蛋白、谷草转氨酶、谷丙转氨酶、血尿素氮与同性别对照组相比均无显著性差异（P＞0.05），而高剂量组雌性小鼠胆固醇含量与对照组相比有显著性差异（P＜0.05），但仍在本实验室历史参考范围内，且无剂量-反应关系，故无毒理学意义。以上结果表明，葡萄糖浓缩液对小鼠肝、脾、肺、肾等脏器均未产生明显损伤。

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