TEMPO-NaBr-NaClO體系對細(xì)菌纖維素的氧化過程研究

廖世波 奚廷斐，2，* 賴 琛 廖世玉 黃 濤 王甩艷

1(溫州醫(yī)科大學(xué)信息與工程學(xué)院，溫州 325035)

2(北京大學(xué)深圳研究院生物醫(yī)學(xué)工程研究中心，深圳518057)

3(安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥230601)

4(溫州醫(yī)科大學(xué)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院與生命科學(xué)學(xué)院，溫州325035)

引言

纖維素是自然界分布最廣、含量最多的可再生高分子材料，其來源包括植物(陸生植物木材、棉、麻等和水生植物海藻等)和微生物。其中，微生物纖維素(細(xì)菌纖維素)因具有高純度、高機(jī)械強(qiáng)度、高持水性和高規(guī)則的織態(tài)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，成為近年來國內(nèi)外生物材料研究的熱點(diǎn)。

細(xì)菌纖維素獨(dú)特的三維納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與天然的細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)極為相似，加之其良好的生物相容性，使其在生物醫(yī)用材料尤其是組織工程支架領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。細(xì)菌纖維素在創(chuàng)傷敷料、皮膚替代品和人工血管等方面被廣泛研究和應(yīng)用［1］。細(xì)菌纖維素可以在某些細(xì)菌或真菌分泌的纖維素酶的作用下分解降解，由于人體缺乏纖維素酶，導(dǎo)致其不易在人體組織中降解吸收［2］。而一些學(xué)者認(rèn)為，理想的支架材料必須具有良好的可生物降解性，以利于種子細(xì)胞增殖，進(jìn)而分泌自身細(xì)胞外基質(zhì)，并最終替代植入物［3］?？梢酝ㄟ^表面改性等途徑來改善細(xì)菌纖維素的降解能力，如有研究表明，氧化后細(xì)菌纖維素的降解性明顯增大［4－6］，但通常的過度氧化方法使纖維素的納米微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，其優(yōu)異的機(jī)械性能也隨之喪失［7］。

2，2，6，6-四 甲 基 哌 啶-1-氧 化 物 自 由 基(TEMPO)是一種哌啶類氮氧自由基。TEMPO作為催化劑加入到NaClO和NaBr水溶液中，可形成共氧化體系TEMPO/NaBr/NaClO。研究表明，該體系對纖維素C6位伯醇羥基具有良好的選擇性，而對C2，C3位仲醇羥基無作用［8－9］。在目前公開報(bào)道的文獻(xiàn)中，所用纖維素的原料來源主要集中在植物纖維［9－11］或再生纖維素纖維［12］。Isogai等最先嘗試用上述體系，對包括細(xì)菌纖維素在內(nèi)的天然纖維素及相對應(yīng)的再生纖維素進(jìn)行氧化，得出天然纖維素(包括細(xì)菌纖維素)很難被氧化的結(jié)論［13］。Nge等在研究BC體外礦化性能時(shí)，用上述體系氧化制備了羧基含量為0.25 mol/kg的 BC膜［14］;Ifuku等將TEMPO介導(dǎo)的氧化型BC膜作為銀納米粒子的合成模版，制備的BC膜的羧基含量達(dá)0.84 mol/kg，相當(dāng)于在每7個(gè)葡萄糖重復(fù)單元上引入了1個(gè)羧基［15］。在上述研究中，均直接以 BC膜作為反應(yīng)物。在隨后的研究中，Nge等［16］和Okita等用BC分散漿料經(jīng)TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化，分別制得了羧基含量為0.74 mol/kg和1.05 mol/kg的氧化型BC［17］，但均未對最佳氧化條件進(jìn)行探索。最近，Luo等用上述體系在BC膜表面引入功能性醛基，結(jié)果表明氧化后BC膜優(yōu)異的機(jī)械性能得以保留，故認(rèn)為TEMPO氧化型BC在組織工程支架中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值［18］。筆者也用上述體系對BC分散漿料進(jìn)行氧化，并對產(chǎn)物的微觀形態(tài)、表面成分、潤濕性和表面自由能等進(jìn)行了研究和報(bào)道［19］?，F(xiàn)將TEMPO/NaBr/NaClO體系對BC分散漿料的氧化規(guī)律研究結(jié)果報(bào)道如下，以期為類似的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

細(xì)菌纖維素濕膜(海南光宇生物科技有限公司，中國)粉碎打漿后過濾，用蒸餾水反復(fù)洗滌3次后放于超低溫保存箱(DW-86L386，海爾集團(tuán)，中國)，最后置于凍干機(jī)(Alpha 1－4 LSC，Christ公司，德國)中干燥，即得純細(xì)菌纖維素;NaClO溶液(有效氯≥10%，AR級，天津富宇精細(xì)化工有限公司，中國)，加雙蒸水配置成0.6 mol/L NaClO溶液，避光低溫保存?zhèn)溆?TEMPO(AR級，Sigma公司，美國);NaBr(AR級)，NaOH(AR 級)，鹽酸(AR 級)，無水乙醇(AR級)，均購自天津大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 方法

1.2.1 細(xì)菌纖維素的選擇性催化氧化

采用TEMPO/NaBr/NaClO體系，對細(xì)菌纖維素進(jìn)行表面羥基的氧化。

取干燥的細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose，BC)1.00 g，加水100 mL混合打漿;稱取TEMPO 0.016 g，NaBr 0.10 g，加水20 mL混合攪拌至完全溶解。將上述兩種體系混合后，置于磁力攪拌器上攪拌。

取0.6 mol/L NaClO 8 mL，以滴加的方式在1 min內(nèi)全部加入到上述混合體系中。從滴加第一滴開始計(jì)時(shí)，反應(yīng)8 h(滴加完畢后，體系pH達(dá)最大時(shí)，另計(jì)時(shí)為0 min，并同時(shí)記下此時(shí)的體系pH值，以后每隔1 min記一次體系pH值，直至體系pH小于10.50加入0.5 mol/L NaOH溶液之前為止)。在反應(yīng)過程中，用0.5 mol/L NaOH保持體系pH在10.50～11.00之間，記下消耗的NaOH總體積。反應(yīng)完畢時(shí)，向體系中加5 mL無水乙醇終止反應(yīng)，然后用0.5 mol/L HCL調(diào)體系pH至7.00。將體系高速離心后留取沉淀物用蒸餾水反復(fù)洗滌3次，置于低溫保存箱，最后冷凍干燥，即得BC氧化產(chǎn)物。

考察了以下因素對反應(yīng)的影響:

1)氧化劑 NaClO的量。其他條件不變，0.6 mol/L NaClO取1～10 mL(每次遞增1 mL)，分別制樣。

2)反應(yīng)時(shí)間。其他條件不變，反應(yīng)時(shí)間設(shè)1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、24、28、32、36、40、44、48 h，分別制樣。

3)催化劑 TEMPO的量。其他條件不變，TEMPO用量分0.003、0.006、0.009 g 3個(gè)等級，每個(gè) TEMPO 等級的反應(yīng)時(shí)間又分 0.5、1、1.5、2、3、5 h，分別制樣。

1.2.2 氧化細(xì)菌纖維素羧基含量的表征1.2.2.1 反應(yīng)耗堿量

在反應(yīng)過程中，隨著羧基的生成，體系pH會逐漸下降;通過加入0.5 mol/L NaOH溶液，保持體系pH在10.50～11.00之間。雖然可能有少部分NaOH參與到副反應(yīng)中去，但絕大多數(shù)用于與產(chǎn)物羧基發(fā)生中和反應(yīng)，故NaOH溶液的消耗量與反應(yīng)生成的羧基量大體成正比例關(guān)系［12］。因此，可用消耗的NaOH溶液量來反映產(chǎn)物的羧基含量。

1.2.2.2 電導(dǎo)滴定法測產(chǎn)物羧基含量

取0.20 g干燥的氧化后BC加水70 mL，加入0.01 mol/L NaCl 5 mL，用高速分散機(jī)(T25 DS25，德國IKA)分散成勻漿后加0.1 mol/L HCl，調(diào)體系pH至2.5～3.0之間。

以0.04 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液作為滴定液，用電導(dǎo)滴定儀(ZDJ-5，上海精密科學(xué)儀器有限公司)，對上述勻漿體系進(jìn)行自動電導(dǎo)滴定;根據(jù)軟件記錄的電導(dǎo)值和電導(dǎo)滴定曲線，可得BC氧化產(chǎn)物的羧基含量。

2 結(jié)果

2.1 氧化劑(NaClO)量對反應(yīng)的影響

2.1.1 氧化劑的量對反應(yīng)初始階段的影響

氧化劑NaClO量不同時(shí)，從其滴加完畢、體系pH達(dá)最大時(shí)開始計(jì)時(shí)，各體系pH隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1(a)所示，對其中各點(diǎn)的斜率取絕對值，得圖1(b)。

由圖1(a)可以看出，在反應(yīng)的初始階段，NaClO量不同的各體系pH均隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸降低。對圖1(a)中各點(diǎn)的斜率取絕對值即為相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)pH的變化速率，記為ΔpH。由圖1(b)可以看出，為0.6 mol/L NaClO用量在3～10 mL之間時(shí)，在記錄范圍內(nèi)任一時(shí)間點(diǎn)，ΔpH隨著NaClO用量的增大而減小;各體系ΔpH均在最初幾分鐘內(nèi)逐漸增大，其中NaClO用量在6～10 mL之間時(shí)，ΔpH增大到一個(gè)極值后又逐漸減小。

圖1 NaClO量對反應(yīng)體系初始階段的影響。(a)體系pH隨反應(yīng)時(shí)間的變化;(b)圖(a)中各點(diǎn)切線斜率的絕對值對反應(yīng)時(shí)間作圖Fig.1 Effect of the NaClO charge on the initial stage of the reaction system.(a)The pH of solution changing with the oxidation time in different system.(b)The absolute value of the slope of the tangent at every point in figure(a)varying with the oxidation time.

各體系出現(xiàn)最大ΔpH的時(shí)間點(diǎn)及相應(yīng)時(shí)刻的pH值如表1所示。可以看出，NaClO的用量在6～10 mL之間時(shí)，體系最大ΔpH隨著NaClO量的增大而逐漸減小，ΔpH達(dá)到最大值所需的時(shí)間也逐漸延長。各體系出現(xiàn)最大ΔpH相應(yīng)時(shí)刻的pH值均在10.50～11.00之間，均值為10.77。

表1 NaClO量對ΔpH最大值及其出現(xiàn)時(shí)間的影響Tab.1 Effect of the NaClO dosage on the maximum ΔpH and its appearing time

2.1.2 氧化劑的量對整個(gè)反應(yīng)過程的影響

BC=1.00 g，TEMPO=0.016 g，NaBr=0.10 g，反應(yīng)8 h，0.6 mol/L NaClO的用量與反應(yīng)所消耗的0.5 mol/L NaOH量之間的關(guān)系如圖2所示。由圖可以看出，NaClO的用量在2～10 mL之間時(shí)，反應(yīng)所消耗的NaOH量與NaClO的用量呈正相關(guān)，且二者呈良好的線性關(guān)系，直線擬合結(jié)果為y=0.627 5x+0.635 0，r=0.995 2。

圖2 NaClO量對反應(yīng)體系消耗NaOH量的影響Fig.2 Effect of the NaClO dosage on NaOH consumption

2.1.3 氧化劑的量對反應(yīng)產(chǎn)物的影響

BC=1.00 g，TEMPO=0.016 g，NaBr=0.10 g，反應(yīng)8 h，0.6 mol/L NaClO的用量與產(chǎn)物羧基含量之間的關(guān)系如圖3所示。可以看出，當(dāng)其他反應(yīng)條件一定、NaClO用量在1～10 mL之間時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物羧基的含量隨NaClO用量的增加而增大;當(dāng)NaClO用量在1～8 mL之間時(shí)，二者之間呈良好的線性關(guān)系，直線擬合結(jié)果為 y=0.111 9x+0.175 5，r=0.997 5。

圖3 NaClO量對反應(yīng)產(chǎn)物羧基含量的影響Fig.3 Effect of the NaClO dosage on carboxyl content of the product

2.2 反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)的影響

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)過程的影響

BC=1.00 g，TEMPO=0.016 g，NaBr=0.10 g，0.6 mol/L NaClO 8 mL，反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)所消耗的0.5 mol/L NaOH量之間的關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯觯谠囼?yàn)時(shí)間范圍內(nèi)(0～48 h)，NaOH的消耗量總體上隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增大，其中在0～8 h之間時(shí)，NaOH的消耗量隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而急劇增大;在8～18 h之間時(shí)，NaOH的消耗量不再增大，保持相對穩(wěn)定，在約5.95 mL的水平;在18～48 h之間時(shí)，NaOH的消耗量又隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而逐漸增大，且二者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，直線擬合結(jié)果為 y=0.143 1x+3.572 1，r=0.985 5。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)體系NaOH消耗量的影響Fig.4 Effect of the oxidation time on NaOH consumption

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)產(chǎn)物的影響

BC=1.00 g，TEMPO=0.016 g，NaBr=0.10 g，0.6 mol/L NaClO 8 mL，反應(yīng)時(shí)間與產(chǎn)物羧基含量之間的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?，在1～18 h之間時(shí)，產(chǎn)物羧基含量隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而急劇減少;在18～48 h之間時(shí)，產(chǎn)物的羧基含量保持相對穩(wěn)定，維持在0.70～0.75 mol/kg之間。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)產(chǎn)物羧基含量的影響Fig.5 Effect of the oxidation time on carboxyl content of the product

2.3 催化劑(TEMPO)量對反應(yīng)的影響

2.3.1 催化劑的量對反應(yīng)初始階段的影響

催化劑TEMPO量不同時(shí)，從0.6 mol/L NaClO溶液8 mL滴加完畢后體系pH達(dá)最大時(shí)開始計(jì)時(shí)，各體系的pH隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6(a)所示，圖6(b)為圖6(a)中各點(diǎn)的斜率取絕對值所得。

由圖6(a)可以看出，在反應(yīng)的初始階段，TEMPO量不同的各體系pH均隨著反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸降低。圖6(a)中各點(diǎn)的斜率取絕對值即為相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)pH的變化速率，記為ΔpH。由圖6(b)可以看出，ΔpH隨TEMPO用量和反應(yīng)時(shí)間不斷變化。TEMPO用量在0.003～0.016 g之間時(shí)，各體系ΔpH均在最初幾分鐘內(nèi)逐漸增大，ΔpH出現(xiàn)最大值后又逐漸減小。在所記錄范圍內(nèi)任一時(shí)間點(diǎn)，TEMPO用量 0.003、0.006、0.009 g 3個(gè)等級中，ΔpH與TEMPO用量成正相關(guān);TEMPO用量0.016 g時(shí)，任一時(shí)間點(diǎn)的ΔpH小于TEMPO用量為0.003、0.006、0.009 g的3個(gè)等級相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的ΔpH;總體而言，4個(gè)TEMPO等級同一時(shí)間點(diǎn)的ΔpH差異不明顯。

圖6 TEMPO量對反應(yīng)體系初始階段的影響。(a)體系pH隨反應(yīng)時(shí)間的變化;(b)圖(a)中各點(diǎn)切線斜率的絕對值對反應(yīng)時(shí)間作圖Fig.6 Effect of the dosage of TEMPO on the initial stage of the reaction system.(a)The pH of solution changing with the oxidation time in different system.(b)The absolute value of the slope of the tangent at every point in figure(a)varying with the oxidation time.

TEMPO量不同時(shí)，反應(yīng)初始階段各體系出現(xiàn)最大ΔpH的時(shí)間點(diǎn)及對應(yīng)的pH值如表2所示。由表2可以看出，TEMPO用量在0.003～0.016 g之間時(shí)，ΔpH達(dá)到最大值所需的時(shí)間基本一致，約為反應(yīng)體系pH達(dá)最大值后第9 min;各體系出現(xiàn)最大ΔpH相應(yīng)時(shí)刻的pH值均在10.50～11.00之間，均值為10.78。

表2 TEMPO量對ΔpH最大值出現(xiàn)時(shí)間的影響Tab.2 Effect of the TEMPO dosage on the appearing time of maximum ΔpH

2.3.2 催化劑的量對反應(yīng)過程的影響

BC=1.00 g，NaBr=0.10 g，0.6 mol/L NaClO 8 mL，TEMPO量不同時(shí)，反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)所消耗的0.5 mol/L NaOH量之間的關(guān)系如圖7所示。可以看出，TEMPO用量在0.003～0.009 g之間時(shí)，反應(yīng)最初的5 h內(nèi)，各體系所消耗的NaOH量均隨反應(yīng)時(shí)間的延長而增大;在反應(yīng)最初5 h內(nèi)任一時(shí)間點(diǎn)，反應(yīng)所消耗的NaOH量隨TEMPO用量的增加而增大。

圖7 TEMPO量對反應(yīng)體系消耗NaOH量的影響Fig.7 Effect of the TEMPO dosage on NaOH consumption

2.3.3 催化劑的量對反應(yīng)產(chǎn)物的影響

BC=1.00 g，NaBr=0.10 g，0.6 mol/L NaClO 8 mL，TEMPO量不同時(shí)，反應(yīng)時(shí)間與產(chǎn)物羧基含量之間的關(guān)系如圖8所示。可以看出，TEMPO用量在0.003～0.009 g之間時(shí)，反應(yīng)最初的5 h內(nèi)，各體系的產(chǎn)物羧基含量均隨著反應(yīng)時(shí)間的延長先增大后減小;在反應(yīng)最初5 h內(nèi)任一時(shí)間點(diǎn)，產(chǎn)物的羧基含量隨TEMPO用量的增加而增大。

圖8 TEMPO量對反應(yīng)產(chǎn)物羧基含量的影響Fig.8 Effect of the TEMPO dosage on carboxyl content of the product

TEMPO 量為 0.003、0.006、0.009、0.016 g 這 4個(gè)不同等級時(shí)，各體系出現(xiàn)產(chǎn)物羧基含量最大值的時(shí)間點(diǎn)及對應(yīng)的羧基含量如表3所示?？梢钥闯?，TEMPO用量在0.003～0.016 g之間時(shí)，產(chǎn)物羧基含量達(dá)到最大值所需的時(shí)間隨著TEMPO用量的增加而逐漸縮短，產(chǎn)物最大羧基含量隨著TEMPO用量的增加而增大。

表3 TEMPO量對產(chǎn)物羧基含量最大值及其出現(xiàn)時(shí)間的影響Tab.3 Effect of the TEMPO dosage on the maximum carboxyl content and its appearing time

3 討論

NaClO在水溶液中存在如下主要的電離平衡:ClO－1+H2O ? HClO+OH－1。當(dāng)NaClO作為氧化劑參與反應(yīng)時(shí)，隨著NaClO的消耗，上述電離平衡左移，OH－1減少，導(dǎo)致體系pH下降。因此，任一時(shí)間點(diǎn)體系pH下降的數(shù)值(即圖1(a)中曲線上任一一點(diǎn)斜率的絕對值，記為ΔpH。)可以反映該時(shí)刻體系的氧化反應(yīng)速率。從理論上講，增大反應(yīng)物NaClO的量有利于反應(yīng)的進(jìn)行，即該氧化反應(yīng)的速率應(yīng)增大。但圖1(a)中的試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)NaClO用量在3～10 mL之間時(shí)，在記錄范圍內(nèi)任一時(shí)間點(diǎn)，氧化反應(yīng)的速率隨著NaClO用量的增大而逐漸減小。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)初期短時(shí)間范圍內(nèi)，各體系之間NaClO累積消耗量的增加值小于各體系之間NaClO用量的增加值。在任一時(shí)間點(diǎn)體系中，NaClO的剩余量 =NaClO用量－NaClO累積消耗量。隨著NaClO用量的增大，體系中NaClO的剩余量也逐漸增大，相應(yīng)體系pH上升得也越多。任一時(shí)間點(diǎn)體系表觀ΔpH =該時(shí)刻氧化反應(yīng)消耗NaClO的量使pH下降值 －該時(shí)刻體系中剩余的NaClO電離使pH上升值，隨著NaClO用量的增大，前者和后者均逐漸增大，但后者增大得更快，所以，任一時(shí)間點(diǎn)體系的表觀ΔpH會隨著NaClO用量的增大而減小。

圖1(b)中0.6 mol/L NaClO用量在3～10 mL之間時(shí)，各體系ΔpH均在最初幾分鐘內(nèi)增大，其中NaClO用量在6～10 mL之間時(shí)，ΔpH增大到一個(gè)極值后又逐漸減小。也就是說，pH在加入NaClO溶液獲得的最大值至10.50之間時(shí)，體系的反應(yīng)速率隨著pH的下降先增大后減小。由表1可以看出，NaClO用量在6～10 mL之間時(shí)，隨著NaClO量的增大，體系最大ΔpH逐漸減小，ΔpH達(dá)到最大值所需的時(shí)間也逐漸延長。各體系最大ΔpH由相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)該體系的pH和該體系NaClO的用量共同決定。各體系出現(xiàn)最大ΔpH相應(yīng)時(shí)刻的pH值都在10.67～10.90之間，均值為10.77。這一結(jié)果證明，保持體系pH在10.50～11.00時(shí)，可以獲得較大的氧化反應(yīng)速率。各體系出現(xiàn)最大ΔpH時(shí)相應(yīng)的pH值比較接近，而且各體系的最大ΔpH與相應(yīng)時(shí)刻的pH值之間無明顯的相關(guān)關(guān)系，在不考慮此因素的前提下，體系最大ΔpH與NaClO用量呈負(fù)相關(guān)，即在反應(yīng)初始階段，體系的最大反應(yīng)速率隨著NaClO用量(0.6 mol/L，6～10 mL)的增大而減小。其原因如下:反應(yīng)初始階段細(xì)菌纖維素微團(tuán)表面首先被氧化，然后氧化體系逐漸向微團(tuán)內(nèi)部浸潤，微團(tuán)周圍的TEMPO、Br－和ClO－等粒子向微團(tuán)內(nèi)部擴(kuò)散，微團(tuán)內(nèi)部的H2O分子出來。當(dāng)周圍粒子濃度過高(即0.6 mol/L NaClO用量≥6 mL)時(shí)，微團(tuán)內(nèi)部相對較小的H2O分子很快擴(kuò)散到微團(tuán)外，而微團(tuán)外部相對較大的TEMPO、Br－和ClO－等粒子還未來得及到達(dá)微團(tuán)內(nèi)部，此時(shí)微團(tuán)因失水而收縮，體積變小，微纖維之間的孔徑變小，周圍的TEMPO、Br－和ClO－等粒子更難與微團(tuán)內(nèi)部的纖維素鏈接觸并使其氧化。在初始階段，周圍粒子濃度越高，纖維素微團(tuán)收縮就越厲害，TEMPO、Br－和ClO－等粒子就越難接觸到微團(tuán)內(nèi)部的纖維素分子鏈，氧化反應(yīng)速率就會越低。生物學(xué)組織標(biāo)本制備時(shí)，脫水之所以要梯度進(jìn)行，有與上述現(xiàn)象相類似的原因。當(dāng)然，這種現(xiàn)象只是暫時(shí)的，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)纖維素微團(tuán)內(nèi)外粒子擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，微團(tuán)的形狀恢復(fù)，NaClO用量越多的體系中微團(tuán)內(nèi)部的ClO－濃度就越大，體系的反應(yīng)速率也就越快，所以對整個(gè)反應(yīng)過程來說，NaClO用量越多的體系反應(yīng)速率越大。

當(dāng)NaClO用量為1 mL時(shí)，滴加后體系pH＜10.50，必須立即加入0.5 mol/L NaOH，使pH上升至10.50～11.00之間，此過程要額外消耗一部分NaOH，所以NaClO用量為1 mL時(shí)消耗的NaOH總量會偏高(2.55 mL)，接近NaClO用量為3 mL時(shí)消耗的NaOH量(2.60 mL);當(dāng)NaClO用量在2～10 mL之間時(shí)，滴加后體系pH最大值＞10.50，其中當(dāng)NaClO用量在5～10 mL之間時(shí)，滴加后體系pH最大值＞11.00。為了使反應(yīng)體系pH穩(wěn)定在10.50～11.00之間，理應(yīng)加入一定量的鹽酸進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，鹽酸中的Cl－可與NaClO發(fā)生反應(yīng)，從而降低體系中ClO－的含量。由預(yù)試驗(yàn)可知，此時(shí)不加鹽酸，體系的pH也很快(本試驗(yàn)條件范圍內(nèi)≤13 min)自然下降至11.00以下，這段時(shí)間相對于整個(gè)反應(yīng)過程的8 h而言可以忽略不計(jì)，即對整個(gè)反應(yīng)過程影響有限。所以，如圖2所示，當(dāng)NaClO用量在2～10 mL之間時(shí)，反應(yīng)過程所消耗的NaOH量與NaClO的用量呈良好的線性關(guān)系，直線擬合結(jié)果為y=0.6275x+0.6350，r=0.9952。

對整個(gè)反應(yīng)過程而言，NaClO的用量越大，體系的反應(yīng)速率就越大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物的量就越多。所以，如圖3所示，當(dāng)NaClO用量在1～10 mL之間時(shí)，產(chǎn)物羧基含量隨著NaClO用量的增加而增大。當(dāng)NaClO用量較少(1～8 mL)時(shí)，體系的反應(yīng)速率隨著NaClO用量的增加而迅速增大，具體體現(xiàn)為產(chǎn)物羧基量會迅速增大，NaClO用量與產(chǎn)物羧基含量之間呈良好的線性關(guān)系，直線擬合結(jié)果為 y=0.1119x+0.1755，r=0.9975。這與 Mao等用TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化木漿得到的NaClO用量與產(chǎn)物羧基含量之間的變化規(guī)律是一致的［20］。Okita等用TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化BC分散漿料，獲得了羧基含量為1.05 mol/kg的產(chǎn)物，根據(jù)激光多普勒電泳測定結(jié)果，結(jié)合晶體橫截面模型分析，認(rèn)為暴露在纖維素微纖維表面的C6位伯醇羥基幾乎全部被氧化成了羧基［17］。在本試驗(yàn)中，當(dāng)NaClO用量為8 mL時(shí)，測得的產(chǎn)物羧基含量為1.04 mol/kg，與上述結(jié)果非常接近。所以認(rèn)為，相對于1 g的BC來說，0.6 mol/L的NaClO 8 mL已經(jīng)達(dá)到了將BC微纖維表面暴露出來的C6位羥基完全氧化所需的氧化劑上限量，故繼續(xù)增大NaClO用量(8～10 mL)時(shí)，產(chǎn)物的羧基含量已基本不再增大。

向體系中加入NaOH溶液是為了中和BC氧化產(chǎn)生的羧基。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)物的羧基含量不斷增加，消耗的NaOH量也會不斷增加。所以，如圖4所示，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在0～8 h之間時(shí)，NaOH的消耗量會隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而急劇增大。當(dāng)所有BC的C6位上能夠接觸到的羥基都被TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化時(shí)，產(chǎn)物的羧基量不再增加，也就不會繼續(xù)再消耗NaOH，所以當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在8～18 h之間時(shí)，NaOH的消耗量不再隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而增加，而是維持在約5.95 mL水平。如圖5所示，在1～18 h之間實(shí)際測得的產(chǎn)物羧基含量隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而急劇減少。這可以解釋為BC經(jīng)TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化后水溶性增大，在最初的8 h內(nèi)既有明顯的產(chǎn)物生成過程又有明顯的產(chǎn)物溶解過程，8 h左右產(chǎn)物生成過程基本停止，8～18 h之間主要存在明顯的產(chǎn)物溶解過程。所以，圖5中1～8 h之間的曲線是產(chǎn)物溶解與產(chǎn)物生成共同作用的結(jié)果，8～18 h之間的曲線主要是產(chǎn)物溶解作用的結(jié)果。Chang等研究了纖維素等不溶于水的多糖經(jīng)TEMPO/NaBr/NaClO體系在pH=10.80條件下的氧化，結(jié)果表明氧化后纖維素變得可溶，可溶性程度約為 10%(m/v)［21］。Saito等對TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化棉絨纖維的規(guī)律性進(jìn)行了研究，認(rèn)為當(dāng)產(chǎn)物羧基含量均值超過0.80 mol/kg時(shí)，部分產(chǎn)物溶解性明顯增大并隨洗滌過程丟失，所以其實(shí)際得到的產(chǎn)物羧基含量最大值只有0.74 mol/kg，即相當(dāng)于平均8個(gè)單體重復(fù)單元含1個(gè)羧基［22］。這些研究結(jié)果均表明，纖維素經(jīng)TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化后水溶性增大。

如圖5所示，在18～48 h之間時(shí)，產(chǎn)物的羧基含量相對穩(wěn)定在0.70～0.75 mol/kg，即可以認(rèn)為表觀羧基含量在18～48 h保持不變。結(jié)合上述分析結(jié)果可知，此時(shí)間段內(nèi)得到的產(chǎn)物實(shí)際上主要是不溶性產(chǎn)物，所以產(chǎn)物羧基含量-時(shí)間變化曲線并不能夠反映體系的整體變化情況。如圖4所示，在18～48 h之間時(shí)，NaOH的消耗量隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而逐漸增大，這說明在此段時(shí)間內(nèi)體系中仍有反應(yīng)發(fā)生。結(jié)合整個(gè)48 h內(nèi)NaOH的耗量變化及產(chǎn)物羧基含量的變化，分析有如下可能的原因。

1)在最初8 h內(nèi)，BC非結(jié)晶區(qū)C6位上的羥基發(fā)生氧化;8 h左右，非結(jié)晶區(qū)C6位上的羥基消耗完后氧化反應(yīng)停止;最初18 h內(nèi)，這些BC非結(jié)晶區(qū)氧化產(chǎn)物不斷溶解;18 h左右，非結(jié)晶區(qū)產(chǎn)物基本溶解完全，使BC結(jié)晶區(qū)C6位上的羥基暴露出來，TEMPO/NaBr/NaClO體系又接著與暴露出的BC結(jié)晶區(qū)C6位上的羥基發(fā)生反應(yīng)，故在18～48 h之間時(shí)，NaOH的消耗量會隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而逐漸增大。由圖4可見，二者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，直線擬合結(jié)果為y=0.1431x+3.5721，r=0.9855。理論上反應(yīng)生成的羧基量與NaOH溶液的消耗量成正比，所以可推斷這一階段氧化反應(yīng)的速率基本保持不變，即可以認(rèn)為TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化BC結(jié)晶區(qū)C6位羥基的反應(yīng)速率為定值。若此階段產(chǎn)物的生成速率接近或等于產(chǎn)物的溶解速率，則實(shí)際測得的羧基含量可以保持相對恒定。此外，由圖4可以看出，NaOH在0～8 h之間的消耗速率明顯大于18～48 h之間的消耗速率，即BC非結(jié)晶區(qū)氧化反應(yīng)速率明顯大于結(jié)晶區(qū)氧化反應(yīng)速率，這與Sun等在研究TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化再生纖維素過程中觀察到的規(guī)律是一致的［12］。

2)已有研究表明，纖維素在堿溶液中會發(fā)生降解［23－24］，Shibata 等認(rèn)為，NaBrO 和 TEMPO 形成的羥基自由基是TEMPO/NaBr/NaClO體系在pH=10～11條件下引起纖維素氧化產(chǎn)物降解的主要原因［24］。故認(rèn)為在堿性條件下，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(18～48 h)，纖維素分子會發(fā)生水解反應(yīng)和剝皮反應(yīng)。水解會產(chǎn)生異變糖酸，剝皮反應(yīng)會產(chǎn)生葡萄糖單元和纖維素末端偏變糖酸基［25］，其中產(chǎn)生的葡萄糖單元可被進(jìn)一步氧化成葡萄糖醛酸及己烯糖醛酸等小分子酸［26］。這些產(chǎn)物酸都會消耗NaOH，使其用量增加。若發(fā)生水解反應(yīng)和剝皮反應(yīng)的是原BC，則實(shí)際測得的羧基含量不受這些反應(yīng)的影響;若發(fā)生水解反應(yīng)和剝皮反應(yīng)的是氧化后BC，因反應(yīng)條件溫和、水解程度小，所以對氧化產(chǎn)物的量幾乎無影響。剝皮反應(yīng)使纖維素分子鏈大約損失50個(gè)葡萄糖單元［25］，只占 BC分子葡萄糖單元的50/(4 000～16 000)，所以對所測產(chǎn)物的羧基含量也幾乎無影響。此階段產(chǎn)物的羧基含量水平與Nge等用TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化BC分散漿料得到的不溶性產(chǎn)物的羧基含量(0.74 mol/kg)是一致的［16］。

由圖6(b)可知，當(dāng) TEMPO用量在0.003～0.016 g之間時(shí)，初始階段各體系的反應(yīng)速率均逐漸增大，TEMPO各等級體系在同一時(shí)間點(diǎn)的ΔpH差異不明顯，在同一時(shí)間點(diǎn)各體系的pH統(tǒng)計(jì)值非常接近(差值≤0.10)，表明在反應(yīng)初始階段，催化劑TEMPO的量并不是決定反應(yīng)速率的主要因素，體系pH值才是決定反應(yīng)速率的主要因素。表2中各TEMPO等級出現(xiàn)最大 ΔpH時(shí)，體系 pH值均在10.71～11.81之間，均值為10.78。結(jié)合表1結(jié)果可知，當(dāng)NaClO或TEMPO量不同時(shí)，體系初始階段的最大反應(yīng)速率均出現(xiàn)在 pH=10.50～11.00之間。

底物足量時(shí)，催化劑用量越多，體系的反應(yīng)速率就越大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物的量就越多。TEMPO用量在0.003～0.009 g之間時(shí)，在反應(yīng)最初5 h內(nèi)的任一時(shí)間點(diǎn)，體系所消耗的NaOH量隨TEMPO用量的增加而增大(見圖7)，所測得的產(chǎn)物羧基含量也隨TEMPO用量的增加而增大(見圖8)。底物量一定時(shí)，催化劑越多，氧化反應(yīng)的進(jìn)程就越快，BC暴露出來的C6位羥基全部轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物羧基所需的時(shí)間就越短。所以表3中，當(dāng)TEMPO用量在0.003～0.016 g之間時(shí)，產(chǎn)物羧基含量達(dá)最大值所需的時(shí)間會隨著TEMPO用量的增加而縮短，這與Mao等［20］在研究木漿的氧化過程中得到的規(guī)律是一致的。理論上，當(dāng)BC和NaClO量一定時(shí)，TEMPO用量不同的各體系最大羧基含量應(yīng)該相等，但由于產(chǎn)物生成過程中伴有產(chǎn)物的溶解，TEMPO用量不同的各體系達(dá)到最大羧基含量所需時(shí)間不同，所以各體系在達(dá)到最大羧基含量時(shí)體系中溶解的產(chǎn)物量不同，從而使得實(shí)際測得的最大羧基含量出現(xiàn)差異。

4 結(jié)論

采用TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化1 g BC，在反應(yīng)初始階段，體系的反應(yīng)速率逐漸增大，最大反應(yīng)速率出現(xiàn)在體系pH=10.50～11.00之間，反應(yīng)速率隨NaClO用量(0.6 mol/L，3～10 mL)的增大而減小，TEMPO用量(0.003～0.016 g)對反應(yīng)速率的影響不明顯，體系的pH值是影響此階段反應(yīng)速率的主要因素之一。對整個(gè)反應(yīng)過程而言，體系的反應(yīng)速率隨NaClO用量(0.6 mol/L，1～10 mL)的增加而增大，隨TEMPO用量(0.003～0.016 g)的增加而增大。不溶性產(chǎn)物的羧基含量隨NaClO用量(0.6 mol/L，1～10 mL)的增加而增大，其中 NaClO用量在1～8 mL之間時(shí)，二者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系;不溶性產(chǎn)物的羧基含量隨反應(yīng)時(shí)間的延長先逐漸減小(1～18 h)，后保持相對穩(wěn)定在0.70～0.75 mol/kg(18～48 h);產(chǎn)物的羧基含量隨TEMPO用量(0.003～0.016 g)的增加而增大。

培養(yǎng)方式不同(靜態(tài)或動態(tài)培養(yǎng))所獲得的BC的結(jié)構(gòu)和性能不同［27］，處理方式不同(是否堿化)時(shí)BC的反應(yīng)性也不同［13］，參與反應(yīng)的BC狀態(tài)(片材或漿料)也會影響反應(yīng)進(jìn)程，所以TEMPO/NaBr/NaClO體系對不同種類BC氧化反應(yīng)的規(guī)律及相互之間的差異還有待更進(jìn)一步的研究和確定。

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