酶預處理結合高壓均質機制備纖維素微纖絲的初步研究

王志杰， 康　艷， 王　轉， 李新平， 陳立紅

(1.陜西科技大學 輕工科學與工程學院 陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安　710021； 2.陜西科技大學 化學與化工學院， 陜西 西安　710021)

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酶預處理結合高壓均質機制備纖維素微纖絲的初步研究

王志杰1， 康艷1， 王轉1， 李新平1， 陳立紅2

(1.陜西科技大學 輕工科學與工程學院 陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安710021； 2.陜西科技大學 化學與化工學院， 陜西 西安710021)

摘要：采用三種纖維素酶(復合纖維素酶、外切纖維素酶、內切纖維素酶)分別預處理漂白馬尾松纖維，處理后的纖維通過高壓均質機來制備纖維素微纖絲(CMF).對CMF的形態(tài)、直徑、晶型結構、結晶度、熱性能等進行了研究.結果表明，制備出的CMF懸浮液呈半透明的凝膠狀，具有良好的穩(wěn)定性，陽離子需求量大約為對照樣的10倍；CMF直徑分布在20～60 nm間；CMF薄膜具有良好的透光性；CMF中纖維素的分子結構和晶型結構都未發(fā)生變化，與天然纖維素基本相同；CMF的熱穩(wěn)定性沒有發(fā)生明顯的變化.

關鍵詞：酶預處理； 纖維素微纖絲； 高壓均質機

0引言

纖維素微纖絲(cellulose microfibril，簡稱CMF)，是一種在高速高壓剪切與沖擊力作用下將植物纖維剝離成直徑小于100 nm，長度為幾百個納米甚至達到微米級別的微細纖維，是一種新型的納米纖維素材料.由于其具有許多優(yōu)異的性能，被廣泛應用于食品、醫(yī)藥、包裝、造紙和復合材料等領域，市場前景十分廣闊[1].

CMF的制備可分為機械法和預處理結合機械法.機械解離制備CMF，即不對纖維做任何化學處理，主要借助摩擦力和剪切力使纖維解離成微纖絲.1983年，Herrick等[2]和Turbak等[3]以亞硫酸鹽鐵杉漿為原料，通過高壓均質化制備出了CMF.但機械法制備CMF最突出的缺點就是能耗極高，為20～40 kWh/kg[4].所以，一般在機械處理前對纖維進行預處理來減小纖維尺寸，降低解離能耗.常用的預處理方法有酸堿預處理、有機溶劑預處理、氧化劑預處理和酶預處理.酸、堿和有機溶劑處理會產生大量的雜質，而且要分離得到純的CMF需消耗大量的水資源及動力資源，不利于環(huán)保[1].TEMPO氧化預處理容易引起纖維素的剝皮反應，導致纖維素的降解不均勻和過度降解等問題[1].而采用生物酶預處理相對來說更加環(huán)保.Henriksson和P??kk?等采用內切葡聚糖酶預處理，酶預處理后的纖維結構更加疏松，成功制備出CMF，且發(fā)現(xiàn)用酶預處理得到的CMF比用酸預處理得到的CMF具有更有利的結構[5,6].有研究發(fā)現(xiàn)，酶預處理制得的納米纖維素比其他化學預處理方法制得的納米纖維素在物理強度方面效果更好[7-9].

本文采用三種纖維素酶(復合纖維素酶、外切纖維素酶、內切纖維素酶)對漂白馬尾松纖維進行預處理，處理后的纖維通過高壓均質機制備CMF，并對CMF的形態(tài)、直徑、結晶結構、熱性能等進行了初步研究.

1實驗部分

1.1原料

漿料：漂白馬尾松纖維(未干燥過的紙漿)，取自國內某造紙企業(yè)；復合纖維素酶(Celluclast 1.5 L，購自sigma公司)：濾紙酶活90.67 FPU/mL；內切纖維素酶(LPK-RZ011-SX，購自綠維康生物工程有限公司)：CMC酶活2.65 CMCU/mL；外切纖維素酶(LPK-RZ012-SX，購自綠維康生物工程有限公司)：濾紙酶活0.965 FPU/mL；檸檬酸(C6H8O7·H2O)，固體NaOH，3,5-二硝基水楊酸，酒石酸鉀鈉(C4H4KNaO6·4H2O)，苯酚(C6H5OH)，無水亞硫酸鈉(Na2SO3)，試劑均為分析純.

1.2主要儀器

高壓均質機(型號：HP-4L，喜高精密流體機械有限公司)；掃描電子顯微鏡(型號：S4800，日本日立公司)；膠體電荷測定儀(型號：PCD-03，德國Mütek公司)；傅里葉變換紅外光譜儀(型號：VECTOR-22，德國Bruker公司)；X射線衍射儀(型號：D/max 2200DC，日本理學株式會社)；同步熱分析儀(型號：STA449 F3，德國耐馳).

1.3實驗方法

1.3.1酶預處理

將稱好的漿料置于錐形瓶中，加入一定量經(jīng)稀釋的酶液和pH為4.8的檸檬酸納緩沖液，調節(jié)漿濃為3%，然后置于恒溫水浴振蕩器中，設定溫度為50 ℃，反應2 h.反應結束后立即用沸水浴滅活10 min，用蒸餾水反復洗滌，布氏漏斗抽濾，收集酶預處理后的纖維，平衡水分，備用.三種纖維素酶預處理，纖維得率為80%時，復合纖維素酶、內切纖維素酶和外切纖維素酶的酶用量分別為10 FPU/g、50 CMCU/g和8 FPU/g.

1.3.2CMF的制備

稱取少量酶預處理過的纖維(纖維得率80%)，稀釋至1.5%的濃度.只有內切纖維素酶預處理過的纖維能通過均質機，所以，對復合纖維素酶和外切纖維素酶預處理過的纖維用美的攪拌機在18 000 r/min的轉速下攪拌60 s，使纖維長度減小以緩減均質機的堵塞，攪拌結束后，用高壓均質機對纖維懸浮液進行均質處理，循環(huán)次數(shù)30次，壓力<150 MPa.

1.3.3CMF薄膜的制備

取一定量的CMF懸浮液，將微孔纖維素濾膜置于砂芯漏斗中，抽濾，得到濕的CMF薄膜.上下各放置一張微孔纖維素濾膜和2張濾紙，在200 kPa壓力下擠壓3 min，更換濾紙，將CMF薄膜及濾紙一同夾于表面平滑的玻璃板之間，在真空干燥箱中干燥24 h，干燥條件：60 ℃，-760 mmHg.

1.4分析檢測

1.4.1形態(tài)及懸浮液穩(wěn)定性分析

將對照樣(未經(jīng)處理的漂白馬尾松纖維)、酶預處理后纖維及CMF懸浮液靜置一定時間，觀察沉降程度.

將制備好的CMF稀釋100倍，取少量經(jīng)冷凍干燥機干燥后，用日立S4800掃描電鏡進行拍照觀察，電壓3.0 kV.

1.4.2陽離子需求量的測定

采用膠體滴定法測定對照樣及CMF懸浮液的陽離子需求量.取10 mL稀釋至0.01%濃度的對照樣或CMF懸浮液，用陽離子標準液進行反滴，用膠體電荷測定儀測定其陽離子需求量的大小，計算公式見式(1)，重復3次取平均值.

q=V·c/Wt

(1)

式(1)中：q—陽離子需求量(μmol/g)；V—消耗的標準液的體積(mL)；c—標準液的電荷密度(mol/L)，本實驗中為0.001 mol/L；Wt—被測樣品的質量(g).

1.4.3CMF薄膜光學性能分析

將制備好的CMF薄膜平鋪在彩色紙板上，觀察其透光性，并用相機拍照.

1.4.4紅外光譜分析

稱取3.5～4.0 mg經(jīng)冷凍干燥后的對照樣及CMF和350 mg過200目篩的光譜純KBr，在瑪瑙缽中研磨混合.將300 mg混合均勻的樣品在真空干燥箱中干燥，干燥條件為：60 ℃，-760 mmHg，4 h.干燥結束后直接將樣品倒入紅外壓片模中，在10 MPa壓力下壓3 min，將得到的透明片基用于FTIR分析測試.檢測條件：波數(shù)分辨率1 cm-1，波數(shù)500～4 000 cm-1.

1.4.5X-射線衍射分析

取少量冷凍干燥后的對照樣及CMF樣品，倒入紅外壓片模中，在10 MPa壓力下壓5 min，用制成的片劑在D/max2200PC X-射線衍射儀上作結晶衍射圖.檢測條件：Cu靶Ka射線，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度4 °/min.

1.4.6熱重分析

將對照樣及CMF樣品風干后，取少量置于鉑坩堝中，用同步熱分析儀進行測定，選擇氮氣氛圍，溫度范圍35 ℃～500 ℃，升溫速度為10 ℃/min.

2結果與討論

2.1懸浮液外觀形貌及沉降穩(wěn)定性觀察

將水解得率為80%的3種酶預處理后纖維直接配置成1.5%的纖維懸浮液，未經(jīng)過任何處理的漂白馬尾松纖維作為對照樣，各纖維懸浮液的外觀形貌如圖1所示.

由圖1可知，未經(jīng)過任何處理的漂白馬尾松纖維懸浮液靜置72 h后，產生了一定的沉降(a).經(jīng)3種纖維素酶預處理和攪拌后的纖維均沉積在量筒底部，其沉降程度比對照樣的大，產生明顯的分層(b，c，d).因為對照樣纖維較長，表面含有細小纖維，纖維之間容易纏繞在一起.而纖維經(jīng)3種纖維素酶預處理后，長度都有所減小，加上機械處理，攪拌機刀頭較鋒利，轉速較大，刀頭高速旋轉對纖維產生的剪切力較大，對纖維有一定的切斷作用，使纖維的長度進一步減小.纖維長度減小后，纖維卷曲率和扭結纖維含量均減小，纖維間不易形成纏繞.所以，經(jīng)酶預處理和機械處理后的纖維懸浮液沉降增強.

對纖維進行酶預處理和機械攪拌后，均質化30次，纖維已經(jīng)解離出CMF，在水中均勻分散，形成了均一的凝膠狀懸浮液，穩(wěn)定性良好，未產生明顯的固液兩相分層現(xiàn)象(e，f，g).這是因為纖維被解離成CMF后，比表面積較大，與水的接觸面積增加，CMF表面含有豐富的游離羥基，親水性較強，與水分子產生氫鍵作用能穩(wěn)定的分散在水中，形成均勻的懸浮液，外觀呈凝膠狀.這與Chen等[10]采用化學預處理后再用超聲波處理制備出的CMF具有相似的性質，均表現(xiàn)出一定的膠體性質.

a：對照樣；b、c、d：分別為復合、內切、外切纖維素酶處理+(攪拌60s)；e、f、g：分別為復合、內切、外切纖維素酶處理+(攪拌60s)+均質化30次，濃度均為1.5%圖1　不同纖維素酶預處理后的纖維及CMF懸浮液的外觀形貌(靜置72 h)

2.2CMF的陽離子需求量

膠體滴定法是用反電荷的標準液去滴定，測得的是漿料中溶解電荷的總量[11,12].表1是纖維解離成CMF后的陽離子需求量，對照樣為未經(jīng)纖維素酶預處理和均質化的漂白馬尾松纖維.

由表1可知，纖維在解離成CMF后，陽離子需求量迅速增加，約為對照樣纖維的10倍，經(jīng)不同纖維素酶預處理后得到的CMF，其陽離子需求量差別不大.因為纖維被解離成具有納米尺寸的CMF后，比表面積增大，微纖絲之間的氫鍵斷裂，表面所含的游離羥基大量的暴露出來.所以，CMF的陽離子需求量明顯高于未解離的漂白馬尾松纖維.

表1　CMF的陽離子需求量

注：A-復合纖維素酶處理；B-內切纖素酶處理；C-外切纖維素酶處理.

2.3CMF微觀形貌觀察

采用不同纖維素酶預處理得到CMF的SEM圖如圖2所示.由圖2可以看出，CMF表面光滑，三種纖維素酶預處理制備的CMF直徑差異不大，基本分布在20～60 nm間，長度在圖片視野中至少達幾個微米.由于其直徑較小，長度較長，在掃描電鏡下較難確定其長度分布.因為纖維已經(jīng)被解離成具有納米尺寸的CMF，微纖絲從纖維中分離出來后，微纖絲之間的氫鍵斷裂，在干燥過程中，微纖絲表面暴露出的羥基互相吸引，使微纖絲和微纖絲之間重新連接成網(wǎng)狀結構.

(a)復合纖維素酶處理

(c)外切纖維素酶處理圖2　不同纖維素酶預處理制備的CMF的SEM圖(×50 000)

2.4CMF薄膜光學性能分析

漂白馬尾松纖維經(jīng)過不同的纖維素酶處理和機械攪拌，均質化30次制備出的CMF薄膜如圖3所示.由圖3可知，CMF薄膜呈半透明狀，具有較好的透光性，且表面平整，沒有明顯的褶皺.納米纖維素的直徑小于可見光波長的十分之一時光的散射非常小，因此，納米纖維素的透光度較高[13].CMF的尺寸與薄膜的透光性密切相關，有研究發(fā)現(xiàn)增加機械處理程度會使制備的納米纖維素膜的不透明度下降[13,14].

(a)復合纖維素酶處理(b)內切纖維素酶處理(c)外切纖維素酶處理圖3　CMF薄膜的透光性能

2.5紅外光譜分析

采用3種酶預處理纖維，制備的CMF的紅外光譜分析結果如圖4所示.由圖4可知，CMF和對照樣纖維的紅外光譜圖曲線趨勢大致相同，出峰位置基本一致，化學官能團未發(fā)生明顯的改變.這說明纖維經(jīng)酶預處理后，再對其進行均質化的機械處理過程中沒有新的官能團產生，CMF仍然保持天然纖維素的分子結構，并未發(fā)生變化.

a:對照樣；b、c、d:分別為復合、內切、外切纖維素酶預處理得到的CMF圖4　CMF的FTIR圖

2.6XRD分析

分別采用3種纖維素酶對漂白馬尾松纖維進行預處理，制備的CMF的X-射線衍射分析結果如圖5所示.由圖5可知，CMF的衍射峰的強度雖有改變，但衍射角都在16.0 °和22.5 °附近出現(xiàn)特征吸收峰，仍屬于纖維素I的晶態(tài)結構，這說明CMF仍然保持纖維素I的晶型結構，纖維經(jīng)過纖維素酶預處理后，均質化只是將纖維解離成CMF，并不會引起纖維素晶型結構的改變.

a:對照樣；b、c、d:分別為復合、內切、外切纖維素酶預處理得到的CMF圖5　CMF的XRD圖

2.7CMF的結晶度分析

分別采用3種纖維素酶對漂白馬尾松纖維進行預處理，制備的CMF的結晶度變化情況見表2所示.按照公式(2)計算CMF的結晶度[15].

(2)

式(2)中：I002—(002)衍射角的極大強度，代表結晶區(qū)的衍射強度；Iam—2θ=18 °時的衍射強度，即非結晶背景的衍射強度.

由表2可見，CMF的結晶度要高于漂白馬尾松纖維的結晶度，是因為纖維素酶預處理纖維時，由于纖維是一種多孔的天然高分子材料[16]，無定形區(qū)分子呈無序排列，結構疏松，酶首先作用于纖維素的無定形區(qū)[17]，使無定形區(qū)發(fā)生降解，導致CMF的結晶度增大[18].

表2　CMF的結晶度

注：A-復合纖維素酶處理；B-內切纖素酶處理；C-外切纖維素酶處理.

2.8熱性能分析

圖6和圖7分別是采用3種纖維素酶預處理結合機械處理，制備的CMF的TGA和DTG圖，對照樣為未經(jīng)過任何處理的漂白馬尾松纖維.

由圖6可知，經(jīng)纖維素酶預處理和機械處理后，CMF的熱重曲線與對照樣纖維的熱重曲線趨勢大致相同，降解溫度也沒有明顯的改變.所以，纖維素酶預處理和機械處理對CMF的熱性能沒有明顯的影響.第一次質量損失為纖維中游離水分的蒸發(fā)，發(fā)生在溫度為35 ℃～180 ℃的范圍內，但質量下降幅度較小.第二次質量損失是CMF的熱降解，發(fā)生在200 ℃～370 ℃，CMF的開始降解溫度在220 ℃左右，在300 ℃～370 ℃時，CMF快速降解，在355 ℃左右降解速率達到最大，與天然纖維素的降解溫度基本相同.第三次質量損失是CMF的熱降解產物，碳的熱分解，在370 ℃～500 ℃范圍內，有少量的質量損失.最后CMF的殘留率在20%左右.

CMF的DTG曲線顯示只有一個失重峰，說明CMF的熱裂解也是一步完成的.CMF的熱裂解速率略低于對照樣，這可能是因為CMF的結晶度較高.

a:對照樣；b、c、d:分別為復合、內切、外切纖維素酶預處理得到的CMF圖6　CMF的TGA曲線

a:對照樣；b、c、d:分別為復合、內切、外切纖維素酶預處理得到的CMF圖7　CMF的DTG曲線

3結論

(1)用三種纖維素酶(復合纖維素酶、外切纖維素酶、內切纖維素酶)預處理過的漂白馬尾松纖維以1.5%的濃度通過高壓均質機循環(huán)30次，可以制備出CMF.制備出的CMF懸浮液呈半透明的凝膠狀，具有良好的穩(wěn)定性，陽離子需求量約為對照樣纖維的10倍.CMF直徑分布在20～60 nm 之間，長度較長.CMF薄膜具有良好的透光性.

(2)FTIR和XRD分析結果顯示，CMF中纖維素的分子結構和晶型結構都未發(fā)生變化，與天然纖維素基本相同.與未經(jīng)過任何處理的對照樣纖維相比，CMF的結晶度增加.

(3)CMF的熱穩(wěn)定性沒有發(fā)生明顯的變化，開始分解溫度為220 ℃，最大降解溫度仍在355 ℃左右，與天然纖維素的保持相同.

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【責任編輯：蔣亞儒】

A preliminary study on cellulose microfibril preparation by high pressure homogenizer with enzymatic pretreatment

WANG Zhi-jie1， KANG Yan1， WANG Zhuan1， LI Xin-ping1， CHEN Li-hong2

(1.College of Light Industry Science and Engineering, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021， China; 2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021， China)

Abstract:Bleached masson pine fibers were respectively pretreated by three kinds of cellulase (complex cellulase,exo-cellulase,endo-cellulase) and then cellulose microfibril (CMF) was prepared using high pressure homogenizer. Morphology,diameter,crystal structure, crystallinity and thermal properties etc. of CMF was investigated.The results showed that CMF suspension is translucent,like gel,has good stability, and has about 10 times of cationic demand to the control sample; the diameter distribution of CMF is 20 nm to 60 nm;CMF film has good transparency;molecular structure and crystal structure of cellulose in CMF has not changed,basically the same with natural cellulose;and the thermal stability did not changed significantly.

Key words:enzymatic pretreatment； CMF； high pressure homogenizer

中圖分類號：TQ353

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2016)03-0016-06

作者簡介:王志杰(1959-)，男，陜西榆林人，教授，碩士，研究方向：纖維科學及造紙技術

基金項目：國家自然科學基金項目(31370578)； 陜西省科技廳自然科學基礎研究計劃項目(2014JZ013)

收稿日期:2016-03-20