玉米秸稈微晶纖維素的制備及其性質(zhì)

張冬麗，程 力*，2，顧正彪，2，3，洪 雁，2，3，李兆豐，2，3

（1.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫214122；2.食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122；3.江南大學(xué) 食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫214122）

玉米秸稈微晶纖維素的制備及其性質(zhì)

張冬麗1，程 力*1，2，顧正彪1，2，3，洪 雁1，2，3，李兆豐1，2，3

（1.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫214122；2.食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122；3.江南大學(xué) 食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫214122）

以玉米秸稈為原料，研究其提取制備微晶纖維素的工藝及產(chǎn)品性能。探討酸解溫度、硫酸體積分?jǐn)?shù)、酸解時(shí)間對微晶纖維素聚合度及得率的影響，并對微晶纖維素的理化性質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：玉米秸稈微晶纖維素最佳制備工藝條件為：反應(yīng)溫度85℃，硫酸體積分?jǐn)?shù)8%，水解時(shí)間90 min，此時(shí)制得微晶纖維素聚合度為292，純度92.6%，得率76.48%，結(jié)晶度為74.5%。在此條件下，玉米秸稈微晶纖維素在保留形態(tài)結(jié)構(gòu)的同時(shí)具有較高的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性，具備較好的應(yīng)用性能和價(jià)值。

玉米秸稈；微晶纖維素；聚合度

微晶纖維素（Microcrystalline cellulose，MCC）是天然纖維素經(jīng)稀酸水解至極限聚合度（LODP）的產(chǎn)物［1］。因其聚合度低、吸水性強(qiáng)等特性，具備許多類似的聚合物材料無法媲美的功能。微晶纖維素作為乳化劑、穩(wěn)定劑、持水劑等被廣泛用于化妝品、食品、制藥行業(yè)［2］。近年來，微晶纖維素作為一種多功能性纖維素材料成為了新的研究熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外主要以木材和短絨棉為原料制備微晶纖維素，但其存在成本較高、原材料供應(yīng)不足的缺陷。隨著對全球可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān)注，人們逐漸把目光轉(zhuǎn)向其它木質(zhì)纖維素原料，尤其是農(nóng)作物廢棄物方面，已有報(bào)道從菠蘿葉［3］、稻草［4］、蔗渣［4］、薯渣［5］、大豆皮［6］等制備出微晶纖維素。而針對玉米秸稈微晶纖維素的制備卻鮮有報(bào)道。

我國每年產(chǎn)生的玉米秸稈可達(dá)2.2億t，居農(nóng)業(yè)固體廢棄物首位，但是對玉米秸稈利用率較低，造成極大的資源浪費(fèi)［7］。玉米秸稈中纖維素含量高達(dá)30%～40%，若能將這部分纖維素成分加以精制，獲得高純度、高結(jié)晶度的纖維素，實(shí)現(xiàn)玉米秸稈資源的高附加值利用，將創(chuàng)造很大的經(jīng)濟(jì)效益。與木材相比，秸稈的生物結(jié)構(gòu)具有不均一性，各部分的化學(xué)成分及纖維形態(tài)差異很大。作者采用堿法提取纖維素，利用亞氯酸鈉漂白，進(jìn)一步稀酸水解獲得一定DP值的玉米秸稈MCC，并對其主要性能進(jìn)行分析，為玉米秸稈的綜合利用奠定了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)器材

1.1 材料與試劑

玉米秸稈粉，山東諸城興貿(mào)玉米開發(fā)有限公司提供；亞氯酸鈉，上海晶純試劑有限公司產(chǎn)品；銅乙二胺溶液，中國制漿造紙研究院提供；其它試劑為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

烏氏粘度計(jì)，中國醫(yī)藥（集團(tuán)）上?；瘜W(xué)試劑公司經(jīng)銷；D8 ADVANCE粉末X-衍射儀，德國Bruker公司制造；日立S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本HITACHI集團(tuán)制造；Nicolet Nexus 470型紅外光譜儀，美國Thermo Electron公司制造；S3500型激光粒度儀，美國 Microtrac公司制造；TGA/ SDTA851e熱重分析儀，梅特勒-托利多儀器有限公司制造。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 玉米秸稈主要化學(xué)成分測定

纖維素，高效液相色譜法［8］；半纖維素，高效液相色譜法［8］；木素，高效液相色譜法［8］；灰分，NREL分析方法［8］。

2.2 玉米秸稈微晶纖維素（MCC）的制備

2.2.1 纖維素提取 稱取一定質(zhì)量的玉米秸稈粉末（100 g）與40 g/L的NaOH（2 000 mL）混合，80℃攪拌反應(yīng)2 h，抽濾洗滌至中性。濾渣中加入1.7 mg/L的亞氯酸鈉溶液，醋酸調(diào)節(jié)pH為4，80℃處理2 h，洗滌過濾，60℃干燥粉碎得到玉米秸稈纖維素。

2.2.2 MCC制備 玉米秸稈纖維素硫酸按料液比1∶20（g/mL）進(jìn)行酸解反應(yīng)，抽濾洗滌，60℃真空干燥24 h得到玉米秸稈微晶纖維素。酸體積分?jǐn)?shù)分別為6%、7%、8%、9%、10%，酸解時(shí)間分別為30、60、90、120、90 min，酸解溫度分別為70、75、80、85、90℃。

2.3 MCC聚合度測定

采用銅乙二胺-烏氏粘度計(jì)法測定MCC聚合度［9-10］。計(jì)算公式為

式（1）中：K為比例常數(shù)；α為與分子形狀有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Dp為聚合度；η為特性黏度（mL/g）。

在25℃時(shí)，對于纖維素-銅乙二胺溶液體系，K為0.75，α為0.905。

2.4 MCC含量的測定

參照李國成，劉春霞等微晶纖維素含量測定方法［11］。

2.5 掃描電鏡分析

將樣品制成切片，在濺射涂膜機(jī)上噴涂10 nm厚的金，然后在日立S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡下對微晶纖維素的形態(tài)進(jìn)行分析。

2.6 傅立葉紅外分析

測試前，樣品在60℃下干燥12 h。將1～3 mg纖維素樣品與100～300 mg溴化鉀粉末混合均勻，壓制成厚度 1 mm左右的透明片。利用 Nicolet Nexus 470型FT-IR光譜儀，波束范圍400～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為100，分辨率2 cm-1。

2.7 X-射線分析

采用D8 ADVANCE粉末X-衍射儀，Cu、Kα射線，管壓為40 kV，掃描角度10～40°，掃描速度為4°/min。材料的結(jié)晶度按如下方程計(jì)算［12］。

式（2）中：I002為最大吸收峰強(qiáng)度；Iam為2θ=18°時(shí)吸收峰峰強(qiáng)度，代表無定形區(qū)。

2.8 熱性能分析

采用梅特勒-托利多儀器有限公司 TGA/ SDTA851e熱重分析儀對樣品的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，測試條件為N2氛圍，溫度范圍30～700℃，升溫速度10°/min。

3 結(jié)果與分析

3.1 玉米秸稈主要化學(xué)成分分析

玉米秸稈中的化學(xué)組成對于玉米秸稈的綜合利用研究至關(guān)重要，玉米秸稈中主要化學(xué)成分如表1所示?？梢钥闯?，玉米秸稈中主要成分為纖維素、半纖維素和木素。其中，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)34.11%。與其他農(nóng)作物廢棄物如稻草相比，玉米秸稈中灰分含量少，木素含量較低，因此玉米秸稈可以作為微晶纖維素的制備原料。

表1 玉米秸稈主要化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of corn stock

3.2 工藝條件對MCC聚合度和得率的影響

3.2.1 硫酸體積分?jǐn)?shù)對MCC聚合度和得率的影響

選取酸解時(shí)間為60 min、酸解溫度80℃，考察不同酸體積分?jǐn)?shù)對微晶纖維素聚合度和得率（以玉米秸稈為原料提取的纖維素為基準(zhǔn)）的影響，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，隨著酸體積分?jǐn)?shù)的增加，微晶纖維素的聚合度逐漸減小。這是因?yàn)樵谒岬淖饔孟拢?1，4-糖苷鍵斷裂，逐漸被水解成小分子；酸體積分?jǐn)?shù)越大，水解速度越快，不斷產(chǎn)生新的還原末端，使微晶纖維素的得率和聚合度降低［13］。但酸體積分?jǐn)?shù)對MCC的得率影響很小，在6%～12%酸體積分?jǐn)?shù)內(nèi)，MCC得率基本穩(wěn)定于76%～78%之間。當(dāng)酸體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，聚合度趨于穩(wěn)定，綜合考慮MCC得率、聚合度和生產(chǎn)成本，選擇酸體積分?jǐn)?shù)為8%。

圖1 酸體積分?jǐn)?shù)對MCC得率及聚合度的影響Fig.1 Effect of acid concentration on MCC yield and DP

3.2.2 酸解時(shí)間對MCC聚合度和得率的影響 選

取酸體積分?jǐn)?shù)為8%、酸解溫度為80℃，考察不同酸解時(shí)間對微晶纖維素聚合度和得率的影響，結(jié)果如圖2所示。可以看出，隨著酸解時(shí)間的延長，玉米秸稈MCC得率和聚合度均下降。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)時(shí)間的延長，纖維素分子糖苷鍵斷裂增多，繼續(xù)增加時(shí)間導(dǎo)致更多的纖維素水解成葡萄糖，進(jìn)而使得率下降。故選擇合適的酸解時(shí)間為60 min。

圖2 酸解時(shí)間對MCC得率及聚合度的影響Fig.2 Effect of hydrolysis time on MCC yield and DP

3.2.3 酸解溫度對微晶纖維素聚合度和得率的影響 選取酸體積分?jǐn)?shù)為8%，酸解時(shí)間為60 min，考察不同酸解溫度對微晶纖維素聚合度和得率的影響，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯S著酸解溫度的增加，增強(qiáng)了糖苷鍵斷裂的活化能，促進(jìn)纖維素分子糖苷鍵的斷裂，使微晶纖維素的聚合度減小，得率不斷升高；當(dāng)溫度高于85℃，高溫導(dǎo)致小的纖維素片段降解為小分子糖，從而降低得率。綜合考慮，選擇合適的酸解溫度為85℃。

圖3 酸解溫度對MCC得率和聚合度的影響Fig.3 Effect of hydrolysis temperature on MCC yield and DP

單因素實(shí)驗(yàn)得到玉米秸稈微晶纖維素最佳的制備條件為：硫酸體積分?jǐn)?shù)8%、水解溫度85℃、水解時(shí)間60 min，在此條件下制備的微晶纖維素聚合度為292，得率76.48%。在相同液比和反應(yīng)時(shí)間下，Wang Dan［14］以紅麻韌皮為原料，105℃反應(yīng)得到紅麻韌皮MCC聚合度為310，得率77%。可見，本實(shí)驗(yàn)采取的制備方法與文獻(xiàn)報(bào)道值具有可比較性，且反應(yīng)條件更加溫和。

3.3 MCC的理化性質(zhì)分析

3.3.1 掃描電鏡分析 市售棉漿微晶纖維素和玉米秸稈微晶纖維素的掃描電鏡圖片如圖4所示。從圖4（A）中可以看出，玉米秸稈纖維素呈束狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過堿處理和亞氯酸鈉漂白脫除木素和半纖維素后，纖維表面出現(xiàn)一定程度的剝離現(xiàn)象，木質(zhì)纖維素致密的結(jié)構(gòu)發(fā)生解聚，從而更有利于化學(xué)試劑的滲透［15］，見圖4（a）；進(jìn)一步酸解處理使纖維素降解成長棒狀結(jié)構(gòu)，見圖4（b）。從圖4（B）（b）和圖4（C）（c）看出，兩種微晶纖維素都呈現(xiàn)出棒狀結(jié)構(gòu)，但市售棉漿微晶纖維素短粗棒狀，表面較光滑，玉米秸稈MCC細(xì)長棒狀，酸解不均勻?qū)е氯杂胁糠掷w維素團(tuán)聚。此外玉米秸稈纖維素在酸解時(shí)表面出現(xiàn)了輕微的裂紋，這可能是由于樣品在亞氯酸鈉漂白處理過程中纖維素部分降解導(dǎo)致［13］。

圖4 纖維素掃描電鏡圖Fig.4 SEM of cellulose

3.3.2 粒徑分析 粒徑的大小及其分布是微晶纖維素的重要的物理性質(zhì)之一。由圖5可以看出，酸解處理后，玉米秸稈微晶纖維素顆粒大小達(dá)到微米級，粒徑分布在7.78～418 μm之間，與市售MCC粒徑分布基本一致，但前者具有更小的粒度。其中玉米秸稈MCC中位粒徑是29.53 μm，市售MCC中位粒徑是42.44 μm，相比于市售微晶纖維素，玉米秸稈MCC粒度更小，表面暴露更多的羥基，在改性和應(yīng)用上更具優(yōu)勢。

3.3.3 紅外分析 玉米秸稈纖維素、玉米秸稈MCC、市售MCC的紅外光譜分析如圖6所示。從圖可以看出，玉米秸稈纖維素經(jīng)稀酸水解后結(jié)構(gòu)沒有明顯變化。對玉米秸稈纖維，在1 566 cm-1處存在較弱的吸收峰，說明存在少量的半纖維素仍未除盡，在稀酸作用下，該吸收峰消失，制備得到的微晶纖維素純度提高。玉米秸稈MCC與市售MCC化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，其中在3 357 cm-1為纖維素羥基的伸展運(yùn)動，2 900 cm-1為C—H伸縮振動。兩種樣品中，1 640 cm-1處均觀察到明顯的吸收峰，是纖維素吸水導(dǎo)致［16］。897 cm-1處可看到纖維素中β-鏈接產(chǎn)生的平面外伸縮振動，同時(shí)也與纖維素中非結(jié)晶成分有關(guān)，由此處吸收峰強(qiáng)度可知，玉米秸稈MCC結(jié)晶度稍低于市售棉漿MCC。此外，在市售MCC紅外光譜中，1 120 cm-1可以觀察到纖維素中β-1，4-糖苷鍵鏈接中C—O—C伸縮振動，這是由于少量非纖維成分的存在，玉米秸稈MCC此處的吸收峰并不明顯。

圖5 微晶纖維素的粒徑分布Fig.5 Distribution of particle size of microcrystalline cellulose

圖6 纖維素紅外光譜圖Fig.6 FTIR of cellulose

3.3.4 X-射線衍射分析 由圖7可以看出，玉米秸稈纖維素稀酸水解后結(jié)晶結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，在2θ為15、22.4、34°附近均存在明顯的吸收峰，保持了天然的cellulose-I型結(jié)構(gòu)。玉米秸稈MCC與市售MCC圖譜基本一致，對于市售棉漿微晶纖維素，在2θ為14、16、22.4°可以看到明顯的吸收峰，分別對應(yīng)110、110和002晶面［17］。兩者的結(jié)晶度分別為：市售棉漿MCC 89%，玉米秸稈MCC 74.5%。玉米秸稈MCC結(jié)晶度較低，這與原料種類及預(yù)處理過程存在較大關(guān)系。此外，禾本科植物纖維素以外的雜成分含量較高，蒸煮較困難，存在少量的半纖維素未被除盡，導(dǎo)致結(jié)晶度略低。

圖7 纖維素XRD圖譜Fig.7 XRD of cellulose

圖8 纖維素的熱重曲線Fig.8 Thermogravimetric curves of cellulose

3.3.5 微晶纖維素的熱降解特性分析 見圖8。隨著溫度的升高，不同纖維素的質(zhì)量損失如圖8（a）所示。從圖中可以看出，纖維素的熱降解主要分3步進(jìn)行。起始質(zhì)量損失，主要是由于水分蒸發(fā)導(dǎo)致，取決于纖維的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。第二次熱降解出現(xiàn)在200～310℃，主要是半纖維素和木素的降解。最后降解階段在310～500℃，在此溫度范圍內(nèi)，幾乎所有的纖維素成分都降解。玉米秸稈纖維素經(jīng)稀酸處理后，熱穩(wěn)定性明顯提高，起始降解溫度及最大降解溫度都增加了30～40℃。木質(zhì)纖維素的熱穩(wěn)定性與非纖維成分含量、纖維素之間的結(jié)合力及結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)［18］。在500℃時(shí)，玉米秸稈纖維素殘余固形物含量較高，可能是由于其中含有較高的灰分和少量難降解的木素成分，由此也證明酸解對纖維素起到了一定的純化作用，使玉米秸稈MCC結(jié)晶度增大，剛性結(jié)構(gòu)更加明顯，從而提高了熱穩(wěn)定性。由圖8（b）可以看出，玉米秸稈MCC與市售MCC失重曲線相差不大，由于制備方法及纖維素純度的差異，玉米秸稈MCC熱失重范圍較寬，市售棉漿MCC熱穩(wěn)定性相對較高。在傳統(tǒng)的聚合物加工溫度范圍內(nèi)，即低于200℃時(shí)，兩者均沒有表現(xiàn)出明顯的降解特性，因此玉米秸稈MCC可以作為復(fù)合物中有效的填料。

4 結(jié)語

通過堿處理及酸性亞氯酸鈉處理脫除玉米秸稈中的半纖維素和木素，通過酸解將其轉(zhuǎn)化為一種高附加值微晶纖維素產(chǎn)品。通過工藝優(yōu)化得到最佳的工藝條件為：酸解溫度85℃，酸解時(shí)間60 min，硫酸體積分?jǐn)?shù)8%，此時(shí)MCC得率為76.48%。通過對玉米秸稈微晶纖維素的理化性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，其樣品中微晶纖維素純度為92.6%，平均聚合度為292，結(jié)晶度為74.5%。制備得到的微晶纖維素在保留原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)，具有更高的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性，與市售棉漿MCC性質(zhì)相近，作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相具有較大的應(yīng)用前景?？梢娪衩捉斩捒梢宰鳛橐环N原料用于制備微晶纖維素，為玉米秸稈的工業(yè)化利用提供了新的途徑和理論依據(jù)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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科技信息

陸劍課題組揭示動物microRNA成簇分布的進(jìn)化機(jī)制

2016年6月2日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《Molecular Biology and Evolution》以長文形式在線發(fā)表北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物信息中心陸劍研究組題為 “microRNAs in the same clusters evolve to coordinately regulate functionally related genes”的研究論文。該論文報(bào)導(dǎo)了動物中microRNA成簇分布的規(guī)律和進(jìn)化特征，并提出了“功能共適應(yīng)”模型，結(jié)合功能基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示了microRNA成簇分布的進(jìn)化驅(qū)動機(jī)制。

MicroRNA是一類內(nèi)源表達(dá)的長約22堿基的非編碼小RNA，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控靶基因的表達(dá)。動物中的microRNA通常在基因組中成簇存在。這些microRNA簇通常具有非常重要的生物學(xué)功能，然而成簇分布背后的進(jìn)化機(jī)理和生物學(xué)意義仍然未被解決。陸劍研究組通過比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)“復(fù)制”和“更始產(chǎn)生”是microRNA簇產(chǎn)生的重要分子機(jī)制，并揭示進(jìn)化上非常保守的microRNA更傾向于成簇形式存在。他們提出了“功能共適應(yīng)模型”（functional co-adaptation），解釋成簇存在是怎樣幫助新產(chǎn)生的microRNA在漫長進(jìn)化過程中存活下來并演化出與該簇中已經(jīng)存在的microRNA相關(guān)的生物學(xué)功能。該研究從多個(gè)角度對這一模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在人體不同組織中同一microRNA簇的成員表達(dá)量高度相關(guān)并且對靶基因發(fā)揮協(xié)同抑制作用。通過在人和果蠅細(xì)胞中過表達(dá)miR-17～92簇中不同microRNA成員，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組高通量測序分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該microRNA簇各成員之間的功能協(xié)同作用，并揭示了這個(gè)microRNA簇的功能共適應(yīng)進(jìn)化過程。通過人類和果蠅的群體基因組學(xué)分析，他們發(fā)現(xiàn)microRNA簇的形成在進(jìn)化過程中受到較強(qiáng)的正向自然選擇作用。該研究揭示了microRNA成簇存在的分子機(jī)制及進(jìn)化驅(qū)動力量，并對理解新基因和基因組的共進(jìn)化提供了新思路。

［信息來源］北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院.生命科學(xué)學(xué)院生物信息中心陸劍課題組揭示動物microRNA成簇分布的進(jìn)化機(jī)制［EB/OL］.（2016-6-8）.http://www.bio.pku.edu.cn/displaynews.php？id=7727

Preparation and Properities of Microcrystalline Cellulose from Corn Stalk

ZHANG DongLi1，CHENG Li2，GU Zhengbiao1，2，3，HONG Yan1，2，3，LI Zhaofeng1，2，3
（1.School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.The State Key Laboratory of Food Science and Technology，Wuxi 214122，China；3.Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Corn stalk was used to prepare microcrystalline cellulose （MCC）and product properties were studied.The optimal parameters for MCC preparation were founded to be 8%（w/w）of H2SO4，hydrolyzing time 90 min and temperature 85℃，which resulted in a polymerization degree of 292，a content of 92.6%，a yield of 76.48%and a crystallinity of 74.5%for cellulose.Under these conditions，MCC retained the original morphological structure with high crystallinity and thermal stability，thus possessing favorable properties for future use.

corn stalk，microcrystalline cellulose，degree of polymerization

TS 201.2；S 39

A

1673—1689（2016）010—1113—07

2015-03-10

*通信作者：程 力（1982—），男，江蘇如皋人，工程師，主要從事淀粉深加工研究。E-mail：chenglichocolate@163.com