細菌纖維素在氫氧化鈉―尿素水溶液體系中的溶解性能研究

張海榮， 郭海軍， 王 璨，彭 芬， 熊 蓮， 陳新德*

（中國科學院廣州能源研究所 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；中科院廣州能源所盱眙凹土研發(fā)中心，江蘇 盱眙 211700）

細菌纖維素在氫氧化鈉―尿素水溶液體系中的溶解性能研究

張海榮， 郭海軍， 王 璨，彭 芬， 熊 蓮， 陳新德*

（中國科學院廣州能源研究所 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；中科院廣州能源所盱眙凹土研發(fā)中心，江蘇 盱眙 211700）

纖維素經(jīng)過活化、再生后可以溶解在氫氧化鈉/尿素體系中。本文研究了乙二胺活化對細菌纖維素結(jié)晶度的影響規(guī)律，得到最佳活化條件；然后將活化后的細菌纖維素在LiCl/DMAc體系中溶解再生，得到再生細菌纖維素。最后，使用氫氧化鈉/尿素溶液作為再生細菌纖維素的復合溶劑，得到的細菌纖維素的水溶液。通過紅外光譜、X射線衍射儀、熱重分析儀等分析了細菌纖維素不同處理階段得到產(chǎn)物的性能。溶解與再生并沒有發(fā)生化學變化，纖維素的結(jié)構(gòu)基本保持不變，但結(jié)晶度有所降低，熱穩(wěn)定性有所提高。

細菌纖維素；活化；氫氧化鈉―尿素溶液，再生

陽離子纖維素醚是一種溶于水的天然高分子功能材料，具有獨特的結(jié)構(gòu)及對人體的皮膚、頭發(fā)的角質(zhì)層具有很好的修復和保護作用，廣泛用作護發(fā)素的調(diào)理添加劑、頭發(fā)織物柔順劑、血液抗凝結(jié)劑和抗血栓的生物材料、抗靜電劑和絮凝劑等，用途十分廣泛[1-2]。目前，商業(yè)纖維素醚主要是通過在溶劑中使纖維素的羥基發(fā)生衍生化反應，從而引入陽離子基團來制備[3]。常用的溶劑主要有N-甲基嗎啉水溶液（NMMO）、氫氧化鈉/尿素/水、LiCl/DMAc等，其中氫氧化鈉/尿素/水溶液體系由于綠色、環(huán)保，溶劑中的氫氧化鈉可直接作后續(xù)纖維素醚化反應的催化劑而備受關(guān)注[4-6]。

細菌纖維素（BC）是由小分子的碳水化合物經(jīng)微生物發(fā)酵形成的纖維類物質(zhì)[7]。與傳統(tǒng)的植物纖維素（PC）相比，細菌纖維素不含有木質(zhì)素和半纖維素等成分，其純度、聚合度和結(jié)晶度更高，且具有高親水性、高楊氏模量、高強度和更好的生物適應性，在自然界中可直接降解。由于具有很強的分子內(nèi)和分子間氫鍵作用以及高結(jié)晶度，BC不能在水和大多數(shù)有機溶劑中溶解，因此其應用受到較大限制。目前，國內(nèi)外對BC的溶解進行了大量的研究，能用于直接溶解BC的溶劑主要有NMMO、離子液體等[7-9]。然而，這些有機試劑的價格昂貴，且對后續(xù)的醚化反應有不利影響。另外，由于BC的聚合物較高，也不能直接溶解于氫氧化鈉/尿素/水溶解體系中，故要將其溶于氫氧化鈉/尿素體系中，需要先進行活化處理，本文以乙二胺作為活化劑，對BC進行改性，然后將活化后的BC在LiCl/DMAc體系中再生得到再生細菌纖維素，最后將再生細菌纖維素溶于氫氧化鈉/尿素水溶液中，得到穩(wěn)定的細菌纖維素水溶液。

1 實驗

1.1材料

BC購自海南億德食品有限公司，水洗至中性后，經(jīng)冷凍干燥、球磨后得到細菌纖維素粉末；氯化鋰（LiCl）、二甲基乙酰胺（DMAc）、氫氧化鈉、尿素、乙二胺等均為分析純，均購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2細菌纖維素的活化與再生

將烘至絕干的細菌纖維素（10g）加入已配好的乙二胺溶液中（100 mL）于一定溫度下活化處理90 min，然后用大量的蒸餾水洗滌，最后用無水乙醇沖洗3遍。將樣品在80℃真空烘干24 h，得到活化細菌纖維素（ABC）。

將一定量的DMAc和LiCl加入到三口燒瓶中，升溫至90℃，待LiCl完全溶解后，加入質(zhì)量分數(shù)為5%的活化細菌纖維素，加熱攪拌一定時間，冷卻至室溫靜置過夜，然后再室溫下高速攪拌30 min使其完全溶解，通過減壓蒸餾將溶劑回收、干燥、水洗，晾干，粉碎，然后于80℃真空干燥24 h，得再生細菌纖維素（RBC）。

1.3細菌纖維素的氫氧化鈉―尿素水溶液的制備

將2 g的再生細菌纖維素加入到49 g預冷至0℃的7%（wt）氫氧化鈉溶液中，高速攪拌1 min后，加入49 g預冷至0℃的12%（wt）尿素溶液，繼續(xù)攪拌2 min，然后于100℃下離心（2 500 r/min）10 min，以除去不溶物質(zhì)，得到淡黃色細菌纖維素水溶液（BC-S）。

1.4分析測試

采用溴化鉀壓片法測試BC及其產(chǎn)物的紅外光譜（Nicolet 6700，ThermoFisher Scientific），分辨率為16 cm-1，掃描次數(shù)為16次；采用X射線衍射儀（X’Pert Pro MPD）測試BC及其產(chǎn)物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，Cu Ka射線，Ni片濾波、X管電壓40 kV，管電流300 mA，按照Segal法計算結(jié)晶度[10]；采用熱重分析儀（STA6000，PerkinElmer）測試活化前后BC的熱穩(wěn)定性，氮氣流速20 mL/min，升溫速率10℃/min；BC及其產(chǎn)物的表面形貌用S-4800場發(fā)射掃描電鏡（SEM，HITACHI）進行分析，高真空模式，工作電壓20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1活化條件對細菌纖維素溶解性能的影響

由于具有較高的結(jié)晶度和聚合度，BC不溶于水和常規(guī)的有機溶劑，為了提高BC的反應活性和可及度，通常需對BC進行活化預處理。氫氧化鈉和乙二胺是最常用的兩種活化劑，與氫氧化鈉活化相比，乙二胺預處理后纖維素的結(jié)晶度下降更大，聚合度下降更小[11-12]。因此，乙二胺作為BC的活化劑具有明顯的優(yōu)勢。當用乙二胺試劑活化BC時，BC的基本反應單元是鏈片而不是單獨的分子鏈。乙二胺在BC的鏈片之間滲透，斷開氫鍵[O(6)H-O(3)]，使C(6)和C(3)上的羥基暴露出來，從而使得BC的結(jié)晶度下降，反應可及度增加即BC的溶解性提高[11]。

表1列出不同活化條件下得到的ABC在相同條件下LiCl/DMAc體系中的溶解度。由表1可以看出，當乙二胺濃度為15%～20%時，其溶解性較好，當乙二胺的濃度太高或太低時，ABC不能完全溶解于LiCl/DMAc體系中。當活化時間小于90 min時，ABC在LiCl/DMAc體系中的溶解度較低，當活化時間高于90 min時，ABC能夠完全溶解于LiCl/DMAc體系中。這主要是因為乙二胺滲透進入BC內(nèi)部需要一定的時間，活化90 min后，BC已經(jīng)充分溶脹了，繼續(xù)增加活化時間并不會使活化效果繼續(xù)增加。此外，在乙二胺的用量為15%，活化時間為90 min時，活化溫度對ABC的溶解性能的影響較小，隨著活化溫度的升高，體系的顏色逐漸加深，由室溫時的淺黃色逐漸變?yōu)?0℃時的棕黃色。

表1 不同活化條件對細菌纖維素在LiCl/DMAc體系中溶解性能

2.2紅外光譜分析

圖1為BC、ABC、RBC和BC-S的紅外光譜圖。在1652 cm-1處的吸收峰是由C-H的伸縮振動引起的，1427和1315 cm-1處的吸收峰為CH2的特征吸收峰。1110到990 cm-1之間的一系列吸收峰為纖維素中醚鍵C-O-C伸縮振動峰。由圖1可以看出，BC、ABC、RBC和BC-S的特征吸收峰其本一致，說明活化及溶解并沒有改變纖維素的化學結(jié)構(gòu)。此外還可看出，再生得到的纖維素樣品（RBC和BC-S）在3600～3200 cm-1處的O-H特征吸收峰的峰寬變窄或變的尖銳，同時在1100～990 cm-1的峰面積有所降低，表明再生后BC分子結(jié)構(gòu)中氫鍵作用力削弱[12]。

圖1 BC、ABC、RBC和BC-S的紅外光譜圖

圖2 BC、ABC、RBC和BC-S的X射線衍射圖

2.3X射線衍射分析

BC、ABC、RBC和BC-S的XRD曲線如圖2所示。BC在14.4°、16.7°和22.5°的衍射信號分別對應于101、10ī和002面[13]，這是典型的纖維素Ⅰ結(jié)構(gòu)。經(jīng)過活化后，ABC的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的改變，除了具有纖維素Ⅰ的特征峰外，還在2θ＝20.4°處顯示纖維素Ⅲ的特征峰，這表明經(jīng)過乙二胺活化后，ABC能與胺類化合物形成纖維素Ⅲ結(jié)構(gòu)[14-15]，此時BC的可及度和反應活性有了明顯的提高，因此可以溶于LiCl/DMAc體系。當ABC經(jīng)過再生后得到的RBC和BC-S除了具有纖維素Ⅰ的特征峰外，還具有典型的纖維素Ⅱ特征峰（2θ＝11.6和20.1°）[16]。通常，纖維素Ⅰ為一種片狀交錯結(jié)構(gòu)，大量羥基被包裹在晶胞中，且存在大量的氫鍵，結(jié)構(gòu)十分致密，反應活性和可及度較低，溶解性能較差[15]。纖維素Ⅱ為反平行鏈堆砌結(jié)構(gòu)，與纖維素Ⅰ相比，氫鍵周期增加了兩倍，使其結(jié)構(gòu)變得比較松散，對溶劑的位阻減小，溶解性能較好。纖維素Ⅲ也稱胺纖維素，具有一種單斜晶結(jié)構(gòu)，分子鏈為平行堆砌結(jié)構(gòu)，因此可及度和反應活性增加，溶解速度加快[15]。

表2 BC、ABC、RBC和BC-S的結(jié)晶度

通常，結(jié)晶度一般用來表示纖維素中結(jié)晶區(qū)的相對含量，表2列出了BC、ABC、RBC和BC-S的結(jié)晶度。由表2可以看出，BC原料的結(jié)晶度高達89.20%，遠大于一般的植物纖維素。經(jīng)過乙二胺活化后，纖維素的結(jié)晶度由89.2%降低到81.15%，說明BC的部分晶胞發(fā)生了一定程度的溶脹和拆散。通常，用胺類溶劑處理纖維素時，胺溶劑會滲透進纖維的結(jié)晶區(qū)中，從而使結(jié)晶區(qū)發(fā)生溶脹，形成一種纖維素Ⅰ-胺結(jié)構(gòu)，當胺溶劑除去后，溶脹后的纖維素會發(fā)生收縮，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素Ⅲ結(jié)構(gòu)[15]。由表還可以看出經(jīng)過LiCl/DMAc和氫氧化鈉/尿素水溶解再生得到的兩種再生纖維素（RBC和BC-S）的結(jié)晶度基本相差不大。但與ABC相比，結(jié)晶度有一定程度的降低。

2.4熱重分析

圖3為BC、ABC、RBC和BC-S的熱重曲線圖。100℃左右主要是樣品中水分的揮發(fā)。BC的主要失重溫度區(qū)間在250～383℃，DTG曲線是一個尖銳的失重速率曲線，在323℃左右失重速率達到最大值，失重率約為98%；與BC相比，ABC在900℃時最大失重率接近100%，其失重范圍更窄（270～370℃），在344℃時失重速率達到最大值；BC經(jīng)過溶解再生后得到的RBC和BC-S最大失重率有所降解，約為90%，這是由于與纖維素Ⅰ相比，纖維素Ⅱ和纖維素Ⅲ更難發(fā)生構(gòu)象翻轉(zhuǎn)，故更易進行脫水和脫羧反應，生成炭殘渣[17]。RBC和BC-S的失重范圍與ABC基本一致，RBC的最大失重速率溫度為316℃，BC-S的最大失重速率溫度為343℃。與BC相比，ABC、RBC和BC-S的最大失重溫度均有所提高，表明經(jīng)活化、再生后得到的細菌纖維素的熱穩(wěn)定性有所提高，這可能是由于其中存在的纖維素Ⅱ和纖維素Ⅲ所導致[18]。

圖3 BC、ABC、RBC和BC-S的TG（a）和DTG（b）曲線

2.5形貌分析

BC、ABC、RBC和BC-S的微觀形貌如圖4所示。由圖4a可以看出，BC中存在大量的撕裂纖維，這些纖維相互疊加聚集在一起形成微晶束，溶劑不易滲透進纖維內(nèi)部。經(jīng)過乙二胺活化后，這些撕裂纖維的堆積密度有所降低（圖4b），撕裂纖維之間的縫隙有所擴大，使得溶劑較易滲透進行纖維內(nèi)部。與BC和ABC相比，溶解再生后得到的RBC（圖4c）和BC-S（圖4d）中的微晶束已經(jīng)基本解離，雖然其結(jié)晶度還是較高，但是已經(jīng)可以看到單根的纖維素。

圖4 BC、ABC、RBC和BC-S的掃描電鏡照片

3 結(jié)論

1）BC經(jīng)過乙二胺活化后能夠完全溶解于DMAc/LiCl體系中。BC的較佳的活化條件為：乙二胺用量為15%，活化溫度45℃，活化時間90 min。經(jīng)過活化后，ABC與BC的結(jié)構(gòu)基本保持一致，但結(jié)晶度下降了9%，ABC中存在纖維素Ⅰ和纖維素Ⅲ的混合體。

2）將BC/DMAc/LiCl進行再生，得到RBC，溶解與再生并沒有發(fā)生化學變化，纖維素的結(jié)構(gòu)基本保持不變，但結(jié)晶度有所降低。再生纖維素中主要存在纖維素Ⅰ和纖維素Ⅱ的混合體，細菌纖維素經(jīng)過活化和再生后，其熱穩(wěn)定性均有所提高。

3）RBC可溶解于氫氧化鈉/尿素溶液形成穩(wěn)定的纖維素水溶液，經(jīng)過溶解之后可進行更好的衍生反應。

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Dissolution Properties of Bacterial Cellulose in NaOH/urea Solutions

ZHANG Hai-rong, GUO Hai-jun, WANG Can, PENG Fen, XIONG Lian, CHEN Xin-de*

（Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, CAS, Guangzhou 510640, China; R&D Center of Xuyi Attapulgite Applied Technology, Guangzhou Institute of Energy Conversion, CAS, Xuyi 211700, China）

BC was activated by ethylenediamine, and then the resulting product (ABC) was dissolved in lithium chloride/N, N-dimethylacetamide aqueous solutions. The regenerated BC (RBC) was prepared by the solution cast method. Then RBC was dissolved in NaOH/urea aqueous solutions and the regenerated BC (BC-S) was prepared. Structure and properties of the BC and its products were characterized by X-ray diffraction, Fourier transform spectroscopy, scanning electron microscopy and thermo-gravimetric analysis. The results showed that there was no significant difference between the structures of BC, ABC, RBC and BC-S. The crystallinity of the BC was decreased after the activated and regenerated while the thermal stability was increased.

bacterial cellulose; activate; NaOH/urea aqueous solution; regenerate

O636.1

A

1004-8405(2015)04-0037-06

10.16561/j.cnki.xws.2015.04.01

2015-07-16

廣東省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目-工業(yè)攻關(guān)（2013B010403020）；江蘇省科技支撐計劃項目（工業(yè)部分）（BE2013083，BE2014101）。

張海榮（1982～），男，博士，副研究員；研究方向：生物質(zhì)高值化利用。

* 通訊作者：陳新德（1967～），男，博士，正高級工程師；研究方向：生物質(zhì)高值化利用。cxd_cxd@hotmail.com