磷酸降解棉纖維制備低聚合度葡聚糖的研究

韓華欣，楊 芳，肖 丹，劉志華，黎 鋼

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130）

0 引言

近年來，學(xué)者們對(duì)纖維素降解的研究主要集中在制備較大聚合度的纖維素鏈段[1]或是葡萄糖[2]、有機(jī)酸[3]、乙醇[4]、五羥甲基糠醛[5]等小分子物質(zhì)，而對(duì)于制備低聚合度葡聚糖的研究很少.葡聚糖作為一種具有生物活性的天然化合物，是一種無毒的高附加值產(chǎn)品[6]，且不同聚合度的葡聚糖具有不同的活性[7-9].因此對(duì)于降解棉纖維制備不同聚合度葡聚糖的研究是很有必要的.目前，降解棉纖維的方法有很多，其中酸降解方法工藝簡(jiǎn)單成熟，且產(chǎn)率較高.磷酸中的4個(gè)O有較強(qiáng)的電負(fù)性，更易與纖維素中的羥基形成強(qiáng)的氫鍵，使H3PO4有效嵌入到棉纖維中破壞其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，從而使纖維素鏈斷裂[10-11].同時(shí)，磷酸的酸性適中、腐蝕性小，對(duì)棉纖維降解溫和，可以較好的獲得低聚合度葡聚糖.因此，本實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的濃磷酸降解棉纖維，用GPC對(duì)降解產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試，得到平均聚合度為100～140、60～100和7的不同低聚合度的葡聚糖，棉纖維降解前后的分子結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度分別用FT-IR和XRD進(jìn)行表征.本實(shí)驗(yàn)還對(duì)10～60葡聚糖迅速降解為水溶性葡聚糖的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 低聚合度葡聚糖的制備

1.1.1 為100～140葡聚糖的制備

首先進(jìn)行預(yù)處理：將10 g棉纖維放入盛有100 m L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的濃磷酸的燒杯中，室溫下超聲3 h以加速其溶解.之后將處理過的棉纖維與磷酸的混合溶液放入55℃的水浴鍋中，機(jī)械攪拌.分別降解4 h、6 h和8 h后，向降解液中倒入100m L去離子水，出現(xiàn)白色沉淀，抽濾，收集濾餅，并用大量的去離子水洗去濾餅中殘留的磷酸，再用丙酮沖洗至粉末狀.將該白色粉末置于50℃的真空干燥箱中干燥，得到葡聚糖樣品I.

預(yù)處理過程同1.1.1節(jié).棉纖維與磷酸的混合溶液在55℃下分別降解10 h、12h和14h后，向降解液中倒入不同體積的乙醇，出現(xiàn)白色沉淀，抽濾，收集濾餅，并用大量的去離子水洗去濾餅中殘留的磷酸，再用乙醇沖洗至粉末狀.將該白色粉末置于50℃的真空干燥箱中干燥，得到葡聚糖樣品II.

預(yù)處理過程同1.1.1.棉纖維與磷酸的混合溶液在55℃下降解10 h，向降解液中倒入100m L去離子水，抽濾，收集濾液.對(duì)濾液進(jìn)行濃縮，向濃縮后的濾液（大約150 m L）中倒入300 m L丙酮，抽濾，收集濾餅，用丙酮沖洗至粉末狀.將該白色粉末置于50℃的真空干燥箱中干燥，得到葡聚糖樣品III.

1.2 葡聚糖分子量分布的測(cè)定

1.2.1 葡聚糖樣品I和II的分子量分布的測(cè)定

將葡聚糖樣品I和II溶解于8%LiCl/DMAc中[12]，得到的濃度為2mg/m l葡聚糖溶液.在凝膠滲透色譜法（GPC）測(cè)試之前，將8%的LiCl/DMAc稀釋至0.5%.一方面0.5%的含鹽量相較于8%溶液的粘度大大降低，可以加速流動(dòng)相的流動(dòng)，使得GPC快速分析；另一方面，較低的含鹽量可以降低對(duì)凝膠色譜柱的損害，延長(zhǎng)使用壽命.以0.5%LiCl/DMAc作為流動(dòng)相，對(duì)葡聚糖樣品I和II進(jìn)行GPC測(cè)試，以重均分子量分別為46400、15 700、9 600、6 540、2 920的聚苯乙烯作為標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)其進(jìn)行分析.

1.2.2 葡聚糖樣品III的分子量分布的測(cè)定

將葡聚糖樣品III溶解于高純水中，得到濃度為2 mg/m L葡聚糖溶液.以高純水作為流動(dòng)相，對(duì)葡聚糖樣品III進(jìn)行GPC測(cè)試，以重均分子量分別為5 200、11 600、23 800、48 400的葡聚糖和麥芽糖作為標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)其進(jìn)行分析.

1.3 葡聚糖樣品表征

采用紅外結(jié)構(gòu)Vector-22型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)葡聚糖樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.將樣品真空干燥48h后，與干燥的KBr粉末混合研磨、壓片，分析的波數(shù)范圍為0～4 500 cm1.

采用D/Max-2000型X射線衍射儀對(duì)葡聚糖樣品的結(jié)晶度進(jìn)行表征.測(cè)試條件：輻射Cu-K，電壓40 kV，電流40mA，掃描范圍5°lt;2lt;80°.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同的低聚合度葡聚糖的制備條件

棉纖維的天然高結(jié)晶度結(jié)構(gòu)很難被低濃度的磷酸破壞，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的濃磷酸可嵌入到纖維素中破壞其結(jié)晶結(jié)構(gòu).雖然高溫有利于加快反應(yīng)速率，但是在過高溫度下，纖維素和磷酸的混合溶液容易發(fā)生焦糖化反應(yīng)而變成黑色[13].因此，反應(yīng)溫度應(yīng)不高于60℃.而低溫條件下纖維素降解緩慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng).綜上，為避免焦糖化反應(yīng)和縮短反應(yīng)時(shí)間，選擇55℃作為較佳反應(yīng)溫度.在葡聚糖制備過程中，反應(yīng)時(shí)間和沉淀劑是控制葡聚糖 的重要參量.對(duì)為60～140的葡聚糖，均可通過控制反應(yīng)時(shí)間及沉淀劑的極性得到.

棉纖維及其降解后的低聚合度葡聚糖分子量分布見圖1.由圖1可以看出，經(jīng)磷酸降解后的棉纖維的降低，且其分散指數(shù)（PDI）也有所下降，表明低聚合度葡聚糖樣品的分子量分布變窄，即葡聚糖的分子量更為集中.

圖1 棉纖維素和葡聚糖樣品的分子量分布Fig.1 Molecular weight distribution of cotton celluloseand glucan samples

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)葡聚糖樣品I的和產(chǎn)率的影響Fig.2 Thee ffect of reaction timeon the and yield of glucan sample I

2.1.2 60～100為的葡聚糖樣品II的制備

Liebert[14]通過改變沉淀劑的極性得到了不的水溶性纖維素糊精.由此可見，沉淀劑的極性會(huì)對(duì)樣品有所影響.本實(shí)驗(yàn)中將沉淀劑由水改為乙醇.

表1 制備DPw 100～140葡聚糖樣品I的優(yōu)化條件Tab.1 Optim ized operation conditions for preparation of100～140 glucan sample I

表1 制備DPw 100～140葡聚糖樣品I的優(yōu)化條件Tab.1 Optim ized operation conditions for preparation of100～140 glucan sample I

樣品編號(hào) 反應(yīng)時(shí)間/h 葡聚糖樣品產(chǎn)率/% PDI Ia 4 73.14 1.21 131 Ib 6 57.43 1.15 116 Ic 8 48.00 1.12 108

表2 制備DPw 60～100葡聚糖樣品II的優(yōu)化條件Tab.2 Optim ized operation conditions for preparation of60～100 glucan sample II

表2 制備DPw 60～100葡聚糖樣品II的優(yōu)化條件Tab.2 Optim ized operation conditions for preparation of60～100 glucan sample II

樣品編號(hào) 反應(yīng)時(shí)間/h葡聚糖樣品產(chǎn)率/% PDI IIa 10 42.71 1.07 92 IIb 10 49.21 1.11 75 IIc 12 34.36 1.08 85 IId 14 40.86 1.09 66 1 2 1 3

以丙酮作為沉淀劑，對(duì)葡聚糖樣品I和II的濾液進(jìn)行處理，得到水溶性葡聚糖樣品III.表3為不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)葡聚糖樣品III聚合度和產(chǎn)率的影響.由表3可以看出，隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品基本維持在6～7之間，且PDI也基本不發(fā)生明顯變化.樣品產(chǎn)率在反應(yīng)時(shí)間為10h時(shí)達(dá)到最大，之后開始降低.這是因?yàn)橄啾扔诖蠓肿恿康睦w維素，小分子量的水溶性葡聚糖的降解速率更快[17].延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，小分子量的葡

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在實(shí)驗(yàn)中沒有制得10～60的低聚糖.這可能是因?yàn)樵摲秶鷥?nèi)的低聚合度葡聚糖迅速發(fā)生降解，生成了水溶性葡聚糖.為此，本研究建立了一個(gè)動(dòng)力學(xué)方程來描述水溶性葡聚糖的生成.水溶性葡聚糖生成的動(dòng)力學(xué)模型如式 (1)

圖3 反應(yīng)時(shí)間和R對(duì)葡聚糖樣品II的 影響Fig.3 Theeffectof reaction timeand R on thef glucan sample II

其中：k表示水溶性葡聚糖的生成速率常數(shù).基于動(dòng)力學(xué)模型式得水溶性葡聚糖的生成動(dòng)力學(xué)方程，如式(2)

其中： 為水溶性葡聚糖的濃度，g/m L； 為反應(yīng)級(jí)數(shù)； 為反應(yīng)時(shí)間，h.

一般情況下，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程是聯(lián)系濃度（c）和反應(yīng)時(shí)間（t）的方程.在50～60℃范圍內(nèi)，反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為0、1、2、3時(shí)，考察了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的線性關(guān)系.結(jié)果見表4.

表4 水溶性葡聚糖生成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的反應(yīng)級(jí)數(shù)Tab.4 The reaction orderof the water-soluble glucans generation

通過比較表4中的擬合指數(shù)可知，n為1時(shí)擬合指數(shù)最高.因此，水溶性葡聚糖生成的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)屬于一級(jí)反應(yīng).該結(jié)果和Zhang[18]所研究的微晶纖維素的去結(jié)晶動(dòng)力學(xué)類似.因此式 (2)可寫成

對(duì)式 (3)進(jìn)行積分，得到方程

其中：ci為常數(shù)，g/m L，表示棉纖維素中所含水溶性葡聚糖的初始濃度.根據(jù)式 (4)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以lnc和t做圖，如圖4所示.圖4中的斜率即為速率常數(shù)（k ）.在50℃、55℃和60℃下，水溶性葡聚糖的生成速率常數(shù)分別為0.075h1，0.100h1和0.125h1.該速率常數(shù)表明水溶性葡聚糖的生成較快，即表明10～60范圍的葡聚糖發(fā)生迅速降解，生成了水溶性葡聚糖.其活化能的計(jì)聚糖會(huì)降解成纖維二糖、葡萄糖和糠醛等小分子產(chǎn)物.

圖4 水溶性葡聚糖的生成速率模型Fig.4 Generation ratema thematical modeling of water-solubleglucans

表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)葡聚糖樣品III的影響Tab.3 The effectof reaction time on glucan sample III

2.2 水溶性葡聚糖生成的動(dòng)力學(xué)研究

算參照阿倫尼烏斯方程[19].

選取50℃和60℃下的速率常數(shù)0.075 h-1和0.125 h1，根據(jù)式 ( 5)計(jì)算在50～60℃的水溶性葡聚糖生成的活化能（Ea）為45.72 kJmol-1，指前因子（A）為1.898×106h-1.廖艷芳等[20]曾指出纖維素?zé)崃呀獾幕罨茉诘蜏囟螢?67 kJmol-1，在高溫段為174 kJmol-1；Qi[21]曾指出棉短絨溶解于NaOH/尿素體系的活化能為101 kJmol-1.通過對(duì)比可知，濃磷酸降解棉纖維的過程中活化能較低，繼而導(dǎo)致了范圍內(nèi)的葡聚糖發(fā)生迅速降解，生成了水溶性葡聚糖.

2.3 結(jié)果表征

2.3.1 紅外結(jié)構(gòu)表征

圖5為葡聚糖樣品III和棉纖維素的紅外譜圖.由圖5可知，原纖維素和葡聚糖樣品的紅外光譜圖差別不大.在3413 cm-1左右，峰形較寬，是纖維素分子內(nèi)的O-H因氫鍵締合而形成[22].由于纖維素分子中含有水分，并且在真空干燥中不能完全除去，所以在1 642 cm-1處出現(xiàn)由H-O-H引起的吸收峰[23].在2 900 cm-1、1 375 cm-1、1 158 cm-1、1 031 cm-1、893 cm-1、665 cm-1的強(qiáng)吸收峰，分別歸屬于C6位的-CH2的伸縮振動(dòng)、C-H的變形振動(dòng)、C-O-C的伸縮振動(dòng)、C-C和C-O的伸縮振動(dòng)、 -糖苷鍵的C-1-H的伸縮振動(dòng)、平面外C-OH的伸縮振動(dòng).從圖5可看出沒有任何新的吸收峰產(chǎn)生，即在棉纖維素降解過程中，在纖維素鏈中沒有新官能團(tuán)產(chǎn)生.綜上，磷酸在降解棉纖維素的過程中并未對(duì)其化學(xué)結(jié)構(gòu)造成破壞.

葡聚糖樣品III的降解程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葡聚糖樣品I和II，因此，圖5的紅外譜圖分析也同樣適用于葡聚糖樣品I和II.

2.3.2 結(jié)晶度表征

圖6為棉纖維素、葡聚糖樣品Ic和III的XRD衍射圖.由圖6可以明顯看出，棉纖維素在2 為14.88°、18.80°、22.33°和33.55°處有強(qiáng)衍射峰.對(duì)比棉纖維素和葡聚糖樣品的衍射圖譜，在葡聚糖樣品的衍射圖譜中，原屬于棉纖維素的2 為14.88°和18.80°的結(jié)晶峰消失了，而出現(xiàn)了2 為12.20°、19.80°、38.20°和40.70°的新的非結(jié)晶峰.這表明了再生纖維素的產(chǎn)生，即棉纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)已被破壞，結(jié)晶度得到降低.圖6中，葡聚糖樣品衍射圖譜在22.33°附近的結(jié)晶面積明顯降低，而在19.80°處的非結(jié)晶峰面積增加，這再次證明了葡聚糖樣品中結(jié)晶度已得到降低.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果同Deng[24]的研究結(jié)果類似.

結(jié)晶指數(shù) (Xc)可根據(jù)公式 (6)進(jìn)行計(jì)算[25].

其中：Acr和Aam分別表示結(jié)晶峰面積（2θ=22.33°處的衍射峰）和非結(jié)晶面積（2θ=19.80°處的衍射峰）.

根據(jù)式(6)得到棉纖維素的結(jié)晶度指數(shù)為90.6%，葡聚糖樣品I和III的結(jié)晶度指數(shù)分別為47.2%和41.9%.對(duì)比結(jié)晶度指數(shù)發(fā)現(xiàn)，葡聚糖樣品的結(jié)晶度明顯下降.

圖5 葡聚糖樣品III和棉纖維素的紅外譜圖比較Fig.5 Comparisonsof FT-IR spectraon glucan sample IIIand cotton cellulose

圖6 棉纖維素、葡聚糖樣品Ic和III的XRD衍射圖Fig.6 XRD patternsof cotton celluloseand glucan samples Ic and III

葡聚糖樣品II和I均屬于水不溶性的葡聚糖，且其 居于樣品I和III之間.因此，圖6中衍射峰的分析結(jié)果同樣適用于葡聚糖樣品II.

3 結(jié)論

本文主要采用了磷酸降解棉纖維素的方法來制備低聚合度葡聚糖.通過控制反應(yīng)時(shí)間和沉淀劑得到了0～140、1007的葡聚糖樣品.在降解前后，葡聚糖樣品的 和結(jié)晶度均得到了有效降低，但其化學(xué)結(jié)構(gòu)并未遭到破壞.10～60范圍內(nèi)的葡聚糖迅速降解為水溶性葡聚糖，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)符合一級(jí)反應(yīng)，在50℃、55℃和60℃下的速率常數(shù)分別為0.075 h1、0.100 h1和0.125 h1，其活化能為45.72 kJmol1.

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