酶預處理對漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)的影響

陳家杰，李新平?，陳帥，王志杰，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(shù)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)

酶預處理對漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)的影響

陳家杰1，李新平1?，陳帥1，王志杰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(shù)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)

為了探究纖維孔隙結(jié)構(gòu)對微纖化纖維素制備過程中機械解離能耗的影響，采用低溫氮吸附法分析了不同酶用量對復合纖維素酶預處理漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:隨著酶用量的增加，纖維BET比表面積和總孔容均呈現(xiàn)先降低后增加，再降低再增加的“W”型變化。通過分析篩分后纖維各組分孔隙結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)纖維細胞壁上的孔隙相對集中在細小纖維組分上，當酶用量較低時，細小纖維含量下降是造成纖維BET比表面積和總孔容減小的主要因素，當酶用量較高時，纖維細胞壁孔隙間轉(zhuǎn)化程度明顯增加，孔隙結(jié)構(gòu)的變化是影響纖維BET比表面積的主要因素。

漂白麥草纖維；復合纖維素酶；孔隙結(jié)構(gòu)

從天然纖維素中制備出來的微纖化纖維素(MFC)是一種新型的納米級纖維素功能材料，因纖維直徑達到納米水平，與傳統(tǒng)纖維素相比，具有強度高、質(zhì)量輕、機械性能良好的優(yōu)點，且其親水性、楊氏模量和透明度等性能也都有很大的提高，使其具有更廣闊的應用范圍，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應用于納米器件、包裝材料、食品添加劑、太陽能電池和納米紙等領(lǐng)域[1-2]。目前，國內(nèi)外相關(guān)學者和專家對MFC的制備和應用展開了大量的研究，其中，酶預處理結(jié)合機械法是一種最綠色環(huán)保的制備方法。相比發(fā)達國家，我國對這方面的研究起步較晚，且研究范圍較窄[3]，對酶預處理過程中纖維細胞壁孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律研究并不多，但纖維孔隙結(jié)構(gòu)對纖維的聚合能力、潤脹性能等有著很大的影響，進而制約著MFC制備過程中機械解離的難易程度，具有非常重要的研究價值[4]。Fahlén等[5]的研究結(jié)果證實，植物纖維細胞壁上分布著大量不規(guī)則的孔隙，在酶預處理纖維的過程中，酶不僅會作用于纖維表面，而且也可以通過細胞壁的孔隙滲透至細胞壁內(nèi)部，作用于次生壁中層(S2)或內(nèi)層(S3)，使細胞壁內(nèi)部的聚糖組分發(fā)生水解，改變細胞壁內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能，從而必將對MFC制備時的機械解離能耗和MFC質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。Park等[6]的研究結(jié)果表明，用纖維素酶預處理纖維可以改變纖維的表面狀況和細胞壁孔隙結(jié)構(gòu)，從而使纖維性能得到改善。于紅等[7]的研究結(jié)果表明，大量菌絲不僅可以附著在麥草外表面，在麥草表面迅速擴散，還能進入細胞壁，在胞腔內(nèi)生長，在細胞壁上形成孔洞和凹坑；菌絲分泌的酶也可以對細胞壁進行降解，使得細胞壁變薄，從而有助于改善后續(xù)化學處理的效果。因此，掌握酶預處理過程中纖維孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律對制備MFC及降低機械解離能耗是至關(guān)重要的。低溫氮吸附法是測定纖維孔隙結(jié)構(gòu)的常用辦法[8-9]。本研究采用低溫氮吸附法測定不同酶用量預處理前后漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)的變化情況，分析酶預處理對纖維細胞壁孔隙結(jié)構(gòu)的影響，為酶預處理技術(shù)在輔助制備MFC及降低機械解離能耗方面的應用提供理論指導。

1 實驗

1.1 原料、試劑及儀器

漂白麥草纖維，取自國內(nèi)某造紙廠。

復合纖維素酶，商品名Celluclast 1.5 L，購自Sigma公司，在pH值4.8、溫度50℃的條件下按照IUPAC標準[10]測得濾紙酶活為86.2FPU/mL；檸檬酸、3，5-二硝基水楊酸(DNS)等均為分析純。

法國Techpap MorFi Compact型纖維形態(tài)分析儀；美國IMC MT2110-086 CF型動態(tài)濾水性測定儀(DDJ)；日本理學D/max2200PC型X射線衍射儀(XRD)；美國Gemini_VII_2390型全自動快速比表面積與孔隙度分析儀。

1.2 酶預處理纖維

將6組稱好的漂白麥草纖維置于錐形瓶中，用濃度0.05mol/L、pH值4.8的檸檬酸鈉緩沖溶液配制成質(zhì)量分數(shù)為3%的纖維懸浮液，浸泡潤脹12 h后，分別加入酶用量為0.5、2、5、10、15、30FPU/g的復合纖維素酶液，在溫度為50℃的恒溫振蕩水浴中水解2h。待反應結(jié)束立即煮沸滅活5min，用蒸餾水充分洗滌，布氏漏斗抽濾，收集纖維平衡水分，備用。對照實驗為不加酶液，其他反應條件不變。

1.3 纖維漿料的篩分

采用動態(tài)濾水性測定儀(DDJ)進行纖維分級，所用篩網(wǎng)孔徑為0.075mm，漿料質(zhì)量分數(shù)為0.5%，攪拌速度為1200 r/min，攪拌至濾液澄清，收集濾液中的細小纖維組分(P200)和留在篩網(wǎng)上的纖維組分(R200)，平衡水分，備用。對照實驗中的纖維漿料篩分相同，分別記為P0200和R0200。

1.4 分析測定

1.4.1 細小纖維含量測定 取30mg絕干纖維樣品經(jīng)標準漿料疏解機疏解，然后將溶液稀釋到1000mL，用纖維質(zhì)量分析儀測定細小纖維含量。

1.4.2 結(jié)晶度測定 稱取0.20～0.25 g干燥后的纖維粉末樣品進行壓片處理，壓好的片用X射線衍射儀進行測定[11]，測試條件為Ni濾波、Cu靶Kα射線、管壓40kV、管流40mA、掃描速度4(°)/min，從5°掃描到60°。

1.4.3 低溫氮吸附法分析 采用全自動快速比表面積與孔隙度分析儀對漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)進行測定。儀器的主要技術(shù)指標:比表面積測量范圍為0.000 1m2/g～無上限，孔徑范圍為0.35～500 nm，借助于氣體吸附原理(典型氣體為氮氣)進行等溫吸附分析。操作過程:采用高純N2作為吸附質(zhì)，相對壓力p/p°(p為吸附壓力，p°為液氮溫度下氮氣的飽和蒸汽壓)范圍為0.010～0.990。將纖維樣品冷凍干燥，在80℃的溫度下使用氮氣吹掃纖維表面1.5 h，除去以物理形式黏附在纖維孔隙表面的氣體及其他吸附雜質(zhì)，待樣品自然冷卻至室溫后稱重，裝入樣品分析管中，在77.4K的液氮冷阱環(huán)境下進行吸附測定。該儀器自帶的軟件通過計算可以直接輸出纖維BET比表面積[12]、總孔容及孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料漂白麥草纖維的孔隙結(jié)構(gòu)特征

麥草纖維的組成比較復雜，除了有長短不同、形態(tài)迥異的纖維外，還有很多非纖維狀的雜細胞[13]，在酶預處理纖維的過程中，各組分和酶之間的吸附和水解作用程度不同，因此研究原料中各組分纖維細胞壁的孔隙結(jié)構(gòu)特征是非常必要的。原料漂白麥草纖維各組分的孔徑分布曲線如圖1所示。由圖1可知，漂白麥草纖維細胞壁孔徑分布比較復雜，平均孔徑在15～20 nm處具有一個明顯的峰值，說明樣品具有少量的微孔、分布較寬的中孔和一定量的大孔。比較圖中3條曲線得出，R0200組分細胞壁上的孔隙比較少，相對集中在細小纖維(P0200)組分上，這是因為麥草中細小纖維含有大量的雜細胞如薄壁細胞等，這些細胞腔大壁薄，長度短，結(jié)晶程度低，戊糖和木糖的相對含量較高[13]，在制漿和漂白等過程中，植物纖維細胞壁中的木質(zhì)素和半纖維素大量降解、溶出導致纖維結(jié)構(gòu)變得更加疏松，產(chǎn)生大量的空隙或孔洞，從而存在較多的孔隙，而R0200組分結(jié)晶度高，結(jié)構(gòu)比較致密，纖維細胞壁的孔隙相對比較少。

圖1 漂白麥草纖維各組分的孔徑分布曲線Fig.1 Pore size distribution curves of bleached wheat straw fiber com ponents

2.2 酶預處理對漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 不同酶用量對漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)的影響 植物纖維是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的天然高分子材料，其孔結(jié)構(gòu)是和纖維性能密切相關(guān)的重要參數(shù)，會影響纖維的聚合能力和潤脹性能等[14]，因此本實驗定量地研究了復合纖維素酶預處理對漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 復合纖維素酶預處理對漂白麥草纖維孔隙結(jié)構(gòu)的影響Fig.2 Effects of compound cellulase pretreatment on the pore structure of bleached wheat straw fiber

由圖2可知，通過低溫氮吸附法測得的原漂白麥草纖維BET比表面積為2.88m2/g，總孔容為5.06mm3/g，這與吳微微等[8]和龔木榮等[15]的測試結(jié)果有所不同，原因是麥草纖維原料脫木質(zhì)素程度不同。隨著Celluclast 1.5 L酶用量的增加，纖維BET比表面積和總孔容均呈現(xiàn)先降低后增加，再降低再增加的“W”型變化；在酶用量為5FPU/g時，纖維BET比表面積達到最大值3.24m2/g，總孔容達到最大值8.25mm3/g；在酶用量為15FPU/g時，纖維BET比表面積達到最小值1.79m2/g，總孔容達到最小值3.59mm3/g，與原料初始值相比，纖維BET比表面積和總孔容是減小的。由上述分析可知，當酶用量較低時，由于原料中含有雜細胞的細小纖維比表面積大且孔隙較多，很容易被酶溶解造成纖維BET比表面積和總孔容減小[16]；當增加酶用量時，陳帥等[17]的研究結(jié)果表明酶解作用會使纖維表面發(fā)生“腐蝕”、“剝皮”、“切斷”等變化，纖維細纖化程度提高，細小纖維含量增加，但是纖維BET比表面積和總孔容卻呈現(xiàn)波動的“W”型變化，這可能是因為隨著酶用量的增加，纖維表面結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)受到不同程度的水解，且纖維素酶對植物纖維細胞壁表面及內(nèi)部不同區(qū)域的水解速度不一致[18]，在一定水解時間內(nèi)，不同酶用量作用會使纖維細胞壁發(fā)生不同程度的改變，產(chǎn)生新孔隙或者破壞孔隙這2方面的共同作用使纖維BET比表面積和總孔容表現(xiàn)出波動的“W”型變化。綜合考慮，以下分析選擇具有代表性的低酶用量0.5FPU/g和高酶用量15FPU/g預處理的漂白麥草纖維。

2.2.2 酶預處理對漿料中細小纖維含量和結(jié)晶度的影響 酶預處理對漂白麥草纖維中細小纖維含量和結(jié)晶度的影響如表1所示。由表1可見，隨著酶用量的增加，細小纖維含量先降低后增加，結(jié)晶度增加，這是因為在酶預處理過程中，漿料中原有的細小纖維與酶之間的吸附和水解作用都較強，隨著水解的進行，有部分細小纖維被溶解，同時也有部分細小纖維是在水解過程中纖維尺寸變小形成的，生成細小纖維的速率大于溶解速率，這部分新形成的細小纖維與漿料中原有的細小纖維相比，結(jié)構(gòu)緊密，結(jié)晶程度高。

表1 酶預處理對漂白麥草中含細小纖維的量和結(jié)晶度的影響Table 1 Effects of enzymatic pretreatment on fines content and crystallinity of the bleached wheat straw

2.2.3 酶預處理對漿料中各組分BET比表面積和總孔容的影響 將酶預處理后的漂白麥草纖維經(jīng)過DDJ處理得到2種篩分組分，然后采用低溫氮吸附法研究不同酶用量預處理對漂白麥草纖維各組分BET比表面積和總孔容的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 酶預處理對漂白麥草纖維各組分BET比表面積和總孔容的影響Table 2 Effects of enzymatic pretreatment on the BET specific surface area and total entrance of bleached wheat straw fiber components

由表2可見，經(jīng)過酶用量0.5FPU/g處理后，原料纖維和酶預處理后纖維中P200組分的BET比表面積和總孔容減小，而R200組分的BET比表面積和總孔容卻是增加的，同時P200組分含量有所下降(如表1所示)，從而分析出當酶用量較低時，細小纖維含量下降是造成纖維BET比表面積和總孔容減小的主要因素。經(jīng)過酶用量15 FPU/g處理后，與較低酶用量處理相比，P200組分含量增加，生成細小纖維的速率大于溶解速率，新形成的細小纖維一部分是由纖維被切斷，纖維尺寸變小形成的，還有一部分是從纖維表面剝離下來得到的[15]，這部分細小纖維結(jié)晶度高，結(jié)構(gòu)致密，細胞壁上孔隙少，使得P200組分的BET比表面積和總孔容減小，而R200組分的BET比表面積減小和總孔容增大可以由圖3分析得到。

由圖3可知，3種曲線的變化趨勢相同，只是增量程度不同。在平均孔徑小于8 nm時，R0200組分的孔徑分布曲線基本在R0.5200和R15200曲線之間，在平均孔徑大于8 nm時，R0200組分的孔徑分布曲線基本在R0.5200和R15200曲線的下方。這說明當較低酶用量處理時，纖維細胞壁上小于8 nm的微小孔隙增加，較大孔隙也稍微增加，這是因為酶不僅水解部分細小纖維，而且還作用于R200組分表面疏松無序的無定形區(qū)域，細胞壁變薄，使纖維表面區(qū)域呈現(xiàn)清晰的微細纖維紋路，部分起初存在的纖絲狀連接斷開，形成最終的裂縫狀孔隙[19-20]，使纖維細胞壁上微小孔隙增加，而微小孔隙對纖維比表面積具有較大的影響，微小孔隙越多，比表面積越大[21]，因此纖維比表面積增大，總孔容稍微增加；當較高酶用量處理時，纖維細胞壁微小孔隙減小，較大孔隙大量增加，這是因為隨著酶處理程度的提高，酶不僅可以滲透至纖維細胞壁內(nèi)部使孔隙擴大，而且纖維表面微小孔隙能夠被連通轉(zhuǎn)化為較大孔隙[22]，從而使R15200組分纖維比表面積減小，總孔容增加?？梢?，當酶用量較高時，纖維細胞壁孔隙間的轉(zhuǎn)化程度明顯增加，孔隙結(jié)構(gòu)的變化是影響纖維BET比表面積的主要因素。

圖3 不同酶用量預處理對漂白麥草纖維中R200組分孔徑分布的影響Fig.3 Effect of enzymatic pretreatment on the pore size distribution of R200 component of bleached wheat straw fiber

3 結(jié)論

3.1 漂白麥草纖維細胞壁孔徑分布比較復雜，平均孔徑在15～20 nm處具有一個明顯的峰值，并且纖維細胞壁上的孔隙相對集中在細小纖維組分上。

3.2 隨著酶用量的增加，纖維BET比表面積和總孔容均呈現(xiàn)先降低后增加，再降低再增加的“W”型變化，與原料初始值相比，在高酶用量時，纖維BET比表面積和總孔容是減小的。

3.3 通過分析篩分后纖維各組分孔隙結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)當酶用量較低時，細小纖維含量下降是造成纖維BET比表面積和總孔容減小的主要因素，當酶用量較高時，纖維細胞壁孔隙間的轉(zhuǎn)化程度明顯增加，孔隙結(jié)構(gòu)的變化是影響纖維BET比表面積的主要因素。

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Effect of Enzymatic Pretreatment on Pore Structure of Bleached Wheat Straw Fiber

CHEN Jiajie1，LIXinping1，CHEN Shuai1，WANG Zhijie1，CHEN Lihong2

(1.College of Science and Technology，Shaanxi University of Science＆Technology，Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper，Xi’an 710021，China；2.College of chemistry and chemical engineering，Shaanxi University of Science＆Technology，Xi’an 710021，China)

In order to study the effect of fiber pore structure on the mechanical dissociation energy consumption during the preparation of microfibriled cellulose(MFC)，low-temperature nitrogen adsorption method was used to analyze the effect of different dosages of compound cellulase pretreatment on the pore structure of bleached wheat straw fiber.The results showed that the BET specific surface and total entrance of fiber pore all had“W”type change of decreasing，increasing，then decreasing and increasing again with the increase of dosages of enzyme.By analyzing the changes of pore structure of fiber components after screening，itwas found that the pores in cellwall relatively concentrated in fiber fines.And thus themain decreasing factor of BET specific surface and total entrancewas the decline of fines content during the lower dosage ofenzyme.While the dosage of enzyme was higher，transformation of fiber pores was significantly intensified and the change of porosity in the fiber cell walls was consequently themain factor which influenced the fiber BET specific surface.

bleached wheat straw fiber；compound cellulase；pore structure

TQ35

:A

:1673-5854(2017)01-0027-06

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.01.005

2016-07-22

國家自然科學基金資助項目(31370578)；陜西省科技廳省級重點實驗室項目(2011HBSZS014)

陳家杰(1990—)，男，湖北襄陽人，碩士生，主要從事纖維素功能性材料方面的研究工作

?通訊作者:李新平，教授，博士生導師，主要研究方向是纖維素功能性材料；E-mail:lixp＠sust.edu.cn。