纖維素酶解預(yù)處理輔助超聲法制備竹漿納米纖維素

汪雪琴，盧麒麟，林鳳采，楊 旋，張松華，黃 彪，唐麗榮,2※

（1. 福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福州 350002；2. 福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福州 350002）

0 引 言

納米纖維素是指至少有一維空間尺寸為納米級(jí)別的纖維素材料[1-2]，其不僅具有纖維素的基本結(jié)構(gòu)和性能，還具有區(qū)別于天然纖維素的納米顆粒的特性[3]。首先，與天然纖維素相比，它具有非常高的強(qiáng)度、楊氏模量和張應(yīng)力[4]。其次，它表面較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性，使其可用于纖維素的化學(xué)改性[5-6]；因其水懸浮液呈穩(wěn)定的膠狀液，因此可作為藥物賦形劑；納米纖維素膠能耐高溫和低溫，具有乳化和增稠的作用，還可作為食品添加劑[7-8]。另外，它具有巨大的比表面積，可利用尺寸效應(yīng)引起的化學(xué)、物理性質(zhì)方面的變化會(huì)明顯改變材料的光、電、磁等性能，可在一定程度上優(yōu)化纖維素的性能，使其在精細(xì)化工、材料等領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景[9]。

目前納米纖維素的制備主要有化學(xué)法[10-11]、物理法和生物法。傳統(tǒng)化學(xué)方法制備納米纖維素是用酸水解[12-13]，氫離子進(jìn)入纖維素內(nèi)部，使纖維素結(jié)構(gòu)中的β-1,4-糖苷鍵斷裂，其對(duì)設(shè)備的腐蝕性大，回收處理反應(yīng)殘留物困難，容易對(duì)環(huán)境造成污染；常規(guī)物理法制備納米纖維素需要高速研磨設(shè)備或高壓設(shè)備等特殊設(shè)備，能耗高，制備時(shí)間長(zhǎng)，纖維素的降解程度難以控制。因此，在納米纖維素的制備過程中，如何提高纖維素的化學(xué)反應(yīng)活性是關(guān)鍵問題，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出新型的綠色、低能耗、高效的制備方法具有重要的意義[14-15]。陳文帥等[16]利用超聲波植物細(xì)胞粉碎機(jī)的高強(qiáng)度超聲波空化作用（超聲功率1 200 W），制備得到了尺寸分布均勻的高長(zhǎng)徑比、網(wǎng)狀纏結(jié)的楊木木粉纖維素納米纖絲，表明高強(qiáng)度超聲波處理可以實(shí)現(xiàn)纖維素纖絲化。Tang等[17]采用離子交換樹脂作為催化劑協(xié)同超聲波的作用，制備了穩(wěn)定性較好的棒狀納米纖維素，Lu等[11]以巨菌草中提取的纖維素為原料，采用氯化鐵作為纖維素水解的催化劑，結(jié)合超聲波處理的方法制備了納米纖維素，進(jìn)一步說明超聲波活化作用在納米纖維素的制備過程中發(fā)揮較大的作用。除此之外，一系列有關(guān)協(xié)同超聲空化作用制備納米纖維素的研究已有報(bào)道[18-20]。

中國(guó)是竹子大國(guó)，竹子產(chǎn)量居世界首位。竹子具有很強(qiáng)的可再生性，通過研究竹漿提取納米纖維素對(duì)于高效利用可再生農(nóng)林副產(chǎn)物及保護(hù)環(huán)境具有重要意義。纖維素酶法水解是利用纖維素酶選擇性酶解纖維素的無(wú)定形區(qū)以及不完美的結(jié)晶區(qū)，最終獲得納米纖維素[21]。酶解法為低能耗的綠色過程，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量及純度，還可以減少化學(xué)品用量，環(huán)境污染少、反應(yīng)比較專一、反應(yīng)條件溫和且獲得的納米纖維素性能好。目前研究中結(jié)合機(jī)械處理或酸水解制備納米纖維素，存在產(chǎn)率低[22-23]、制備時(shí)間長(zhǎng)[24]、耗能大以及環(huán)境污染大[25]等問題。針對(duì)以上問題，本研究將酶處理法與超聲空化技術(shù)相結(jié)合，使纖維素在酶預(yù)處理過程中，纖維素分子鏈發(fā)生斷裂，進(jìn)一步在超聲波空化作用下綠色、高效地解離出納米尺度的纖維素纖維。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 材 料

人纖漿（漂白硫酸鹽竹漿），α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于94%，購(gòu)自福建南平紙股份有限公司；纖維素酶（多類纖維素酶復(fù)合體，包含外切葡聚糖酶、內(nèi)切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶），購(gòu)自山東省泰安市信得利生物科技有限公司；檸檬酸（分析純）、檸檬酸鈉（分析純）購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 分析測(cè)試儀器及測(cè)試條件

采用美國(guó)FEI公司的NOVA Nano SEM 230型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀測(cè)樣品形貌，樣品表面噴金處理；采用美國(guó) TECNAI G2F20透射電子顯微鏡（TEM）觀察樣品的微觀形貌；采用德國(guó)MARS Ⅲ 旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)CNF的流變性能進(jìn)行測(cè)試；采用荷蘭飛利浦X'Pert Pro MPD型X射線粉末衍射儀（XRD）測(cè)試樣品的晶體結(jié)構(gòu)，測(cè)試參數(shù)為：以Cu-Kα為射線源，Ni片濾波，管電壓 80 kV，掃描范圍 2θ=5°～60°，掃描速度 0.1°/s；采用NICOLET 380型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）分析樣品的表面官能團(tuán)，1 mg樣品和200 mg KBr均勻混合壓片，測(cè)量范圍 4 000～400 cm–1；采用德國(guó)耐馳NETZSCH STA 449C型同步熱分析儀（TG）分析CNF的熱穩(wěn)定性，流速30 mL/min的N2氣氛圍下，測(cè)試溫度范圍 30～700 ℃，升溫速率 10 ℃/min；采用 SZP-06型Zeta電位測(cè)定儀測(cè)量樣品的表面電荷；采用昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司 KH-500DE型數(shù)控超聲波清洗器對(duì)樣品進(jìn)行超聲處理。

1.3 CNF的制備過程

將pH值為5.0的100 mL檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液和一定量稀釋的酶液加入裝有4 g絕干漿料的燒杯中，在一定溫度下攪拌反應(yīng)，攪拌速率100 r/min，到達(dá)反應(yīng)時(shí)間后將酶解液于100 ℃水浴鍋中加熱20 min，移入超聲波反應(yīng)器中，超聲功率500 W，超聲頻率40 kHz處理0～6 h，將所得懸浮液高速離心，收集上清液測(cè)定還原糖（reducing sugar，RS）含量，繼續(xù)離心洗滌直至上層出現(xiàn)膠體狀溶液，收集該膠體溶液即為納米纖維素溶液（cellulose nanofibrils，CNF），收集剩余纖維（remaining fiber，RF）干燥并稱質(zhì)量。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)單因素試驗(yàn)：對(duì)酶用量（5%、6%、7%、8%、9%）、酶解溫度（40、45、50、55、60 ℃）、酶解時(shí)間（8、9、10、11、12 h）、超聲時(shí)間（3、4、5、6、7 h）等因素各選取5個(gè)試驗(yàn)參數(shù)以確定各因素的試驗(yàn)參數(shù)范圍。

正交試驗(yàn)：采用 L9(33)正交表設(shè)計(jì)對(duì)酶用量（8%、9%、10%）、酶解時(shí)間（9、10、11 h）和酶解溫度（45、50、55 ℃）3個(gè)影響CNF得率、還原糖量、剩余纖維的主要因素進(jìn)行優(yōu)化，從而確定最優(yōu)的制備方案。

1.5 CNF得率的測(cè)定

納米纖維素懸浮液靜置均勻分散，測(cè)出其總體積，量取25 mL懸浮液于稱量瓶中，真空冷凍干燥至恒質(zhì)量，CNF的得率由式（1）計(jì)算。

式中 m1為干燥后樣品與稱量瓶的總質(zhì)量，g；m2為稱量瓶的質(zhì)量，g；m為竹漿纖維的質(zhì)量，g；V為納米纖維素懸浮液的總體積，mL。

1.6 CNF結(jié)晶度的測(cè)定

酶解法納米纖維素的結(jié)晶度指數(shù)（crystallinity, CrI）通過 Segal法[26-28]估算，由公式（2）、（3）計(jì)算，通過測(cè)量002峰和無(wú)定形區(qū)的衍射強(qiáng)度。

式中I002表示2θ=22.5°即002晶面峰的強(qiáng)度，代表結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度；而Iam表示2θ=18°時(shí)峰的強(qiáng)度，代表無(wú)定型區(qū)的衍射強(qiáng)度。

1.7 還原糖及剩余纖維素量的測(cè)定

水解液的還原糖含量用 3,5-二硝基水楊酸比色法[29]測(cè)定，通過公式（4）計(jì)算，剩余纖維素量以公式（5）計(jì)算。

式中m3表示查葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線得到的還原糖含量，mg；V1表示水解液的總體積，mL；n表示稀釋倍數(shù)；m4表示原料的質(zhì)量，g；m5表示離心后剩余纖維干質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 酶用量的影響

在酶解溫度50 ℃，酶解時(shí)間10 h，超聲時(shí)間6 h的條件下，考察酶用量對(duì)納米纖維素得率的影響（如圖1所示）。

由圖可知，隨著酶用量的增大，納米纖維素的得率先增大后減少，還原糖量持續(xù)增加。這可能是由于較低酶用量時(shí)，纖維素酶和纖維素的結(jié)合位點(diǎn)較少，因此酶解率較低。當(dāng)酶用量小于 8%時(shí)，隨著酶用量的增大，為纖維素酶與纖維素提供了更多的結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)無(wú)定形區(qū)的水解，更多的纖維素糖苷鍵斷裂，CNF產(chǎn)率增大，達(dá)到最高值62.48%。但當(dāng)酶用量進(jìn)一步增大時(shí)，還原糖量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，達(dá)到43.21%，而CNF得率開始降低，可能是由于所制得的納米纖維素上的部分無(wú)定形區(qū)纖維素被水解成還原糖。因此，考慮到以上因素，8%酶用量較為合適。

圖1 酶用量對(duì)納米纖維素得率的影響Fig.1 Effect of enzyme dosage on yield of CNF

2.1.2 酶解溫度的影響

在酶用量為8%、酶解時(shí)間10 h、超聲時(shí)間6 h的條件下，考察酶解溫度對(duì)納米纖維素得率的影響（如圖 2所示）。

圖2 酶解溫度對(duì)納米纖維素得率的影響Fig.2 Effect of enzymolysis temperature on yield of CNF

由圖可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，納米纖維素和還原糖量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，納米纖維素得率（62.60%）和還原糖量（8.63%）的均達(dá)到最大值。其主要原因可能是，當(dāng)溫度較低時(shí)，纖維素酶活性不高，反應(yīng)程度不夠，納米纖維素和還原糖量均較低。隨著反應(yīng)溫度的升高，纖維素酶的活性增大，竹漿纖維的水解程度提高，納米纖維素得率增加，但溫度過高會(huì)導(dǎo)致纖維素酶失活，當(dāng)酶解溫度升高至60 ℃時(shí)，納米纖維素得率僅為33.74%，而還原糖量趨于零。由此可知隨著溫度的進(jìn)一步升高，納米纖維素和還原糖量均呈下降趨勢(shì)。

2.1.3 酶解時(shí)間的影響

在酶解溫度50 ℃，酶用量為8%，超聲時(shí)間6 h的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)納米纖維素得率的影響如圖 3所示。由圖可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，還原糖量逐漸增加，而納米纖維的得率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在反應(yīng)時(shí)間8～10 h內(nèi)，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，納米纖維素的得率逐漸增大；當(dāng)酶解時(shí)間達(dá)到10 h時(shí)，納米纖維素得率達(dá)到最高62.55%；在反應(yīng)時(shí)間10～12 h內(nèi)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，納米纖維素的得率呈下降趨勢(shì)。這主要是由于在反應(yīng)時(shí)間10 h內(nèi)，纖維素較易水解的無(wú)定形區(qū)被降解，分離出納米級(jí)纖維素纖絲，納米纖維素得率增加；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間高于 10 h，纖維素水解較完全，剩余纖維含量趨于穩(wěn)定，說明纖維素酶開始進(jìn)一步水解已生成的納米纖維素，因此納米纖維素得率逐漸降低。

圖3 酶解時(shí)間對(duì)納米纖維素得率的影響Fig.3 Effect of enzymolysis time on yield of CNF

2.1.4 超聲時(shí)間的影響

在酶解溫度50 ℃，酶用量為8%，酶解時(shí)間10 h的條件下，考察超聲時(shí)間對(duì)納米纖維素得率的影響（如圖4所示）。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)納米纖維素得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on yield of CNF

由圖可知，隨著超聲時(shí)間的增加，納米纖維素的得率逐漸增大然后趨于平緩，而還原糖的含量幾乎不發(fā)生改變。超聲時(shí)間達(dá)到6 h時(shí)，納米纖維素得率達(dá)到最高值62.38%。超聲處理中，超聲波高頻振動(dòng)在超聲液體中傳導(dǎo)，推動(dòng)介質(zhì)的作用在負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生大量的微小真空氣泡，閉合于正壓區(qū)，產(chǎn)生空化效應(yīng)[30]，無(wú)數(shù)氣泡受壓爆破產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力可將經(jīng)過酶預(yù)處理后的纖維素打散剝離，導(dǎo)致纖維素被破碎形成納米纖維素。足夠長(zhǎng)的超聲時(shí)間可將附著在纖維素大分子表面及死角的CNF徹底剝離，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間CNF的得率不再增加。還原糖量在整個(gè)超聲過程中處于恒定值，說明超聲波處理并不會(huì)導(dǎo)致纖維素的過度降解，并且糖類小分子可以簡(jiǎn)單地通過離心分離出來(lái)。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用正交法設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)，以CNF得率、還原糖量、剩余纖維含量為指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果Table 1 Design and results of orthogonal experiment

試驗(yàn)獲得CNF的最佳工藝條件為酶用量8%，酶解溫度 50 ℃，酶解時(shí)間 10 h，納米纖維素得率最高達(dá)到62.39%。由此可見，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與單因素試驗(yàn)結(jié)果能夠很好地相符。由試驗(yàn)結(jié)果的極差值可以發(fā)現(xiàn)，酶解溫度對(duì)納米纖維素得率影響最顯著（R=23.433），其次是酶用量（R=10.767），酶解時(shí)間對(duì)納米纖維素得率影響較?。≧=10.333）。Tang等[17]采用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂催化水解纖維素輔助超聲波法，在離子交換樹脂與微晶纖維素的質(zhì)量比例為 10∶1，溫度為 48 ℃，時(shí)間為 189 min制備得到納米纖維素最大產(chǎn)率50.04%。Lu等[11]采用FeCl3催化水解竹漿纖維輔助超聲波法，在反應(yīng)溫度 107 ℃，反應(yīng)時(shí)間58 min，超聲時(shí)間186 min制備納米纖維素得率為22.10%。同樣輔助超聲波作用，納米纖維素的酶法制備具有較高的產(chǎn)率。

2.3 形貌分析

圖5為竹漿纖維和CNF的微觀形貌。

圖5 竹漿纖維和CNF的微觀形貌圖Fig.5 Microstructure of bamboo pulp fiber and CNF

圖5a、5b為掃描電鏡觀察下的竹漿纖維的形貌，由圖可知竹漿纖維呈卷曲扁平的棒狀結(jié)構(gòu)，表面較為粗糙，平均直徑為15 μm左右，長(zhǎng)度幾百微米。圖5c為制備的CNF的透射電鏡圖，由圖可知，納米纖維素呈束狀聚集，這主要是由于納米粒子間較強(qiáng)的氫鍵作用力，使其側(cè)向附著力較強(qiáng)，發(fā)生側(cè)向聚集，此特性使其在復(fù)合材料中能夠提供較好的增強(qiáng)作用。由此可見，采用酶預(yù)處理結(jié)合超聲空化作用可以制備 CNF，但有待進(jìn)一步研究如何有效地控制其在溶劑中的分散性。

CNF的直徑與長(zhǎng)度尺寸分布如圖6所示。

圖6 CNF的直徑與長(zhǎng)度尺寸分布Fig.6 Distribution of diameter and length of CNF

由圖6a可觀察到，CNF直徑為2～24 nm，其中約30%為3～6 nm；由圖6b可知，CNF的長(zhǎng)度主要為50～450 nm，其中約有44%長(zhǎng)度小于150 nm。Tang等[17]采用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂催化水解纖維素輔助超聲波法，獲得了直徑約為10～40 nm，長(zhǎng)度為100～400 nm的普通短桿狀納米纖維素。Lu等[11]采用FeCl3催化水解竹漿纖維輔助超聲波法，獲得長(zhǎng)度為100～200 nm，寬度為10～20 nm的短棒狀納米纖維素。同樣輔助超聲波作用，3種方法制備得到的納米纖維素具有相似的形貌結(jié)構(gòu)。

2.4 XRD分析

圖7所示為竹漿纖維及CNF的X射線衍射圖。

由圖可觀察到竹漿纖維與CNF衍射峰的位置并無(wú)顯著差異，均出現(xiàn)位于14.5°，18°及22.5°的3個(gè)強(qiáng)峰，對(duì)應(yīng)于纖維素的 101，101ˉ，002晶面，因此認(rèn)為納米纖維素晶體屬于纖維素Ⅰ型。與竹漿纖維（結(jié)晶度63.70%）相比，CNF的結(jié)晶度增大到73.05%。這是由于進(jìn)行酶解反應(yīng)時(shí)，纖維素酶可以輕易地進(jìn)攻可及度和反應(yīng)活性大的無(wú)定形區(qū)，使大部分無(wú)定形區(qū)參加反應(yīng)而降解，使得CNF的結(jié)晶度大幅提高。Tang等[17]采用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂催化水解纖維素輔助超聲波法，獲得的納米纖維素結(jié)晶度由 72.25%提高到 84.26%。Lu等[11]采用 FeCl3催化水解竹漿纖維輔助超聲波法，獲得的納米纖維素結(jié)晶度指數(shù)從69.5%提高到79.4%。同樣輔助超聲波作用，3種方法制備得到的納米纖維素的結(jié)晶度得到了相當(dāng)程度的提高，均保持纖維素I型晶體不變。

圖7 竹漿纖維和CNF的XRD圖Fig.7 XRD diffraction of bamboo pulp fiber and CNF

2.5 FTIR分析

圖8所示為竹漿纖維與CNF的傅里葉變換紅外光譜圖。

由圖可知CNF表現(xiàn)出與天然纖維素相似的吸收峰分布，存在纖維素固有的特征峰：吸收峰位置在 3 347、2 900、1 058、1 430 cm–1分別對(duì)應(yīng)為纖維素固有的羥基、亞甲基（-CH2-）的 C-H對(duì)稱、纖維素醇的 C-O、飽和C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰。并且發(fā)現(xiàn)在吸收峰 1 058 cm–1附近有很多較弱的肩峰，1 112和1 165 cm–1分別對(duì)應(yīng)于纖維素分子內(nèi)醚的C-O、C-C骨架峰。895 cm–1對(duì)應(yīng)于特征性β-(1→4)-糖苷鍵的C-O-C伸縮振動(dòng)。CNF與天然纖維素的譜圖沒有顯著差異，說明CNF化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，這對(duì)于CNF表現(xiàn)出的特殊性可以解釋為源于納米尺寸效應(yīng)。

圖8 竹漿纖維和CNF的紅外光譜圖Fig.8 FTIR spectrum of bamboo pulp fiber and CNF

2.6 流變分析

圖9a、9b分別為不同濃度的CNF膠體的剪切率-剪切應(yīng)力（γ-τ）和剪切率-粘度（γ-η）曲線。從圖9a可知，γ-τ曲線為非線性關(guān)系，CNF膠體表現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)。從圖9b可明顯觀察到，在低剪切率下，CNF膠體的粘度相對(duì)較大，這是由于此時(shí)CNF膠粒間相互粘連，相互作用力大，導(dǎo)致體系粘度較大。隨著剪切率的增大，膠體粘度的變化趨于平緩，這是由于機(jī)械力可以降低纖維素膠體間的粘連作用。隨著剪切速率的提高，納米纖維素膠體粘度隨之減小，膠體呈現(xiàn)典型的剪切變稀行為，證明 CNF膠體屬于假塑性流體[31]。膠體黏度隨剪切應(yīng)力增大變化平緩，說明CNF膠體具有較好的穩(wěn)定性。

圖9 CNF的γ-τ和γ-η流變曲線圖，膠體的熱穩(wěn)定性圖及膠體的流動(dòng)曲線Fig.9 γ-τ and γ-η rheological curves，thermal stability and flow curves of CNF

由圖9c、9d可知，不同濃度的CNF膠體的粘度隨著溫度升高逐漸降低，這是由于分子熱運(yùn)動(dòng)隨著溫度的升高而加快，流動(dòng)阻力隨之降低，進(jìn)而導(dǎo)致粘度下降。當(dāng)溫度升高到75 ℃時(shí)，由于膠粒間的部分液體受熱蒸發(fā)，膠粒間碰撞幾率變大促使流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致表觀粘度略有增大。此特性有利于納米纖維素在聚合物基質(zhì)中，增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減緩復(fù)合材料的破壞。

2.7 TGA分析

圖10為竹漿纖維和CNF的熱分析測(cè)試的TG和DTG譜圖。竹漿纖維和CNF在溫度25～120 ℃時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量損失，為纖維素?zé)岱纸獾拿撍^程，是樣品表面從空氣中吸附了少量的自由水受熱揮發(fā)導(dǎo)致的。CNF的起始熱分解溫度（250 ℃）比竹漿纖維（303 ℃）來(lái)得低，最大失重速率溫度（300 ℃）也比竹漿纖維（350 ℃）來(lái)得低。在溫度 200～350 ℃之間，CNF的熱穩(wěn)定性低于竹漿纖維，這是由于酶解促使纖維素長(zhǎng)鏈發(fā)生斷裂，一些小分子纖維素鏈吸附于CNF表面，在較低溫度下，會(huì)先降解這些小分子纖維素鏈。當(dāng)溫度高于350 ℃時(shí)，制備的CNF的熱穩(wěn)定性高于竹漿纖維，在 700 ℃時(shí)竹漿纖維殘余率為3.4%，而CNF仍有15.3%。纖維素酶解反應(yīng)在溫和條件下進(jìn)行，非晶區(qū)和有缺陷的晶體被剔除，而對(duì)完美的結(jié)晶區(qū)的損害較小[32-33]，對(duì)形成分子排列規(guī)整度增強(qiáng)的晶體有積極作用。纖維素結(jié)晶區(qū)晶體的排列對(duì)熱穩(wěn)定性有一定影響[34]，CNF在對(duì)耐熱性要求較高的生物復(fù)合材料領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值[35-36]。

圖10 竹漿纖維和CNF的TG及 DTG曲線Fig.10 TG and DTG curves of bamboo pulp fiber and CNF

3 放大試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果分析

在單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)得到的CNF最佳工藝條件以放大100倍的規(guī)模模擬工業(yè)化生產(chǎn)。將干質(zhì)量400 g的漿板碎片和pH值為5.0的10 L檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液加入到打漿機(jī)（TD6-23型Valley式打漿機(jī)）中打漿處理0.5 h左右得到漿液，將漿液移入超級(jí)恒溫水?。℉H-601型，金壇市易晨?jī)x器制造有限公司）中加熱，待漿液溫度達(dá)到50 ℃后，加入8%（纖維素酶/竹漿纖維質(zhì)量比）的纖維素酶開啟循環(huán)按鈕進(jìn)行攪拌，每隔一小時(shí)取樣一次，進(jìn)行CNF的收集，樣品分別標(biāo)記為Rn（n代表酶解時(shí)間，h）。酶解至10 h時(shí)，將部分漿料移入超聲波反應(yīng)器中超聲處理，每隔一小時(shí)取樣一次，進(jìn)行CNF的收集，樣品分別標(biāo)記Sn（n代表超聲時(shí)間，h），其余漿液繼續(xù)在水浴鍋中反應(yīng)，每隔一小時(shí)取樣一次。取樣液均為100 mL，分別進(jìn)行CNF產(chǎn)率和還原糖量的測(cè)定。

3.1 CNF得率變化分析

如圖11a、11b所示分別為放大試驗(yàn)中R6～R12、S1～S7的取樣結(jié)果。如圖 11 a可知，在純酶解作用下，CNF得率隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，還原糖量持續(xù)增加，這與單因素試驗(yàn)所表現(xiàn)的趨勢(shì)一致，CNF的得率均在酶解時(shí)間10 h時(shí)達(dá)到最大值，只是純酶解作用的 CNF得率（15.8%）比協(xié)同超聲作用的得率（61.92%）低很多。如圖 11b所示，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，CNF的得率呈現(xiàn)先增加后趨于平緩的趨勢(shì)，CNF得率在超聲時(shí)間6 h時(shí)達(dá)到最大值（61.92%），與單因素試驗(yàn)所表現(xiàn)的趨勢(shì)一致，CNF最大得率與單因素試驗(yàn)沒有顯著差異，試驗(yàn)出現(xiàn)的偏差是由于放大試驗(yàn)自身的局限性引起的。超聲細(xì)胞粉碎機(jī)處理可以得到納米纖維素，但是其單次處理量小，反應(yīng)過程中儀器放熱嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)放大試驗(yàn)。放大試驗(yàn)結(jié)果表明，酶處理后的竹漿纖維，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)松弛，分子間內(nèi)聚力下降，有利于細(xì)纖維化的進(jìn)行，可獲得一定量的纖維素納米產(chǎn)物，進(jìn)一步超聲波處理可以將CNF從纖維素大分子上徹底剝離，協(xié)同超聲波處理可以有效提高CNF的得率。

3.2 超聲1～7 h的樣品的XRD分析

圖12為放大試驗(yàn)樣品Sn（n=1～7）的X射線衍射圖。

圖11 R6～R12和S1～S7的放大試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Scale up test results of R6～R12 and S1～S7

圖12 不同超聲處理時(shí)間樣品的XRD圖Fig.12 XRD diffractions of samples at different ultrasonic treatment time

由圖可知樣品 S6的結(jié)晶度（73%）與單因素試驗(yàn)（73.05%）結(jié)果相符。分析不同試樣的結(jié)晶度可知，與竹漿纖維相比，超聲處理4 h后的樣品的結(jié)晶度由63.7%增加到69.21%，超聲時(shí)間增加到6 h，樣品的結(jié)晶度達(dá)到了73%，繼續(xù)增加超聲時(shí)間到7 h，樣品的結(jié)晶度下降至70.92%，可能是因?yàn)殡S著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，機(jī)械作用力強(qiáng)度增大，部分結(jié)晶區(qū)的有序結(jié)構(gòu)受到破壞，產(chǎn)生了更多的無(wú)序區(qū)域。

3.3 透光率分析

將樣品 Sn（n=1～6）分別加水稀釋至纖維素濃度為0.1%，充分搖勻，測(cè)試波長(zhǎng)700 nm處的透光率，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

由圖可知，短時(shí)間（1～3 h）的超聲處理，對(duì)產(chǎn)物的透光率影響較小，超聲時(shí)間大于3 h時(shí)，透光率開始下降，透光率在超聲時(shí)間為6 h時(shí)達(dá)到最低值。這可能是由于當(dāng)超聲時(shí)間6 h時(shí)，納米纖維素的結(jié)晶度達(dá)到最大值，此時(shí)分子排列規(guī)整度最強(qiáng)，入射光線從聚合物表面反射出來(lái)導(dǎo)致透過光量損失，故而透光率下降[37]。

圖13 不同超聲處理時(shí)間樣品的透光率變化曲線圖Fig.13 Change curve of light transmittance at different ultrasonic treatment time

3.4 分散穩(wěn)定性分析

為明顯觀察CNF在水中的分散穩(wěn)定性，將測(cè)試玩透光率的樣品靜置一段時(shí)間，觀察其沉降現(xiàn)象，濃度均為0.1%的不同超聲處理時(shí)間的樣品及其靜置24 h后對(duì)比。觀察發(fā)現(xiàn)，在靜置24 h后，短時(shí)間超聲處理的樣品聚沉現(xiàn)象較為明顯，超聲5 h的樣品發(fā)生輕微的聚沉，而超聲6 h的樣品比較穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生沉降，可見超聲處理6 h的樣品在水中的分散性良好，該膠體較為穩(wěn)定。

3.5 表面電荷測(cè)試

表 2顯示了不同超聲時(shí)間制備得到的納米纖維素及竹漿纖維在水介質(zhì)中的表面電荷值。纖維素分子中所帶基團(tuán)的存在直接影響了纖維素的所帶電荷。由表2可知，纖維素在水介質(zhì)中呈電負(fù)性，這可能是由于帶負(fù)電基團(tuán)羥基、糖醛酸的存在，與FTIR分析結(jié)果相符。Zeta電位值（絕對(duì)值）越高，表示越強(qiáng)的靜電排斥作用，有利于物質(zhì)更好地分散在水中，更不容易發(fā)生團(tuán)聚沉降現(xiàn)象。S1～S6均表現(xiàn)出較竹漿纖維（Zeta電位值–8 mV）更強(qiáng)的電負(fù)性，且超聲時(shí)間6 h的樣品Zeta電位（絕對(duì)值）達(dá)到最大值（-32.6 mV），說明超聲6 h的樣品分散穩(wěn)定性最強(qiáng)，這與分散性穩(wěn)定性分析結(jié)果相符。隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，納米纖維素的Zeta電位（絕對(duì)值）呈增大趨勢(shì)，這可能是由于超聲空化作用促進(jìn)了納米纖維素的進(jìn)一步分散，減少了納米纖維素之間團(tuán)聚的產(chǎn)生，使得其在水溶液中的分散性增強(qiáng)，Zeta電位值增大。

表2 納米纖維素懸浮液的Zeta電位Table 2 Zeta potential values of aqueous suspensions of CNF

4 結(jié) 論

1）采用纖維素酶預(yù)處理輔助超聲空化作用方法制備納米纖維素，通過單因素試驗(yàn)分析各因素對(duì)纖維素納米產(chǎn)率的影響，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行工藝優(yōu)化，得到納米纖維素的最佳制備條件為酶用量 8%、酶解溫度 50 ℃、酶解時(shí)間10 h、超聲時(shí)間6 h，納米纖維素得率高達(dá)62.6%。顯著性分析結(jié)果表明酶解溫度對(duì)納米纖維素得率影響最顯著（R=23.433），酶解時(shí)間的影響較小（R=10.333）。

2）對(duì) CNF進(jìn)行表征分析可知，制備得到的納米纖維素呈束狀聚集，直徑為2～24 nm，長(zhǎng)度為50～450 nm；結(jié)晶度為73.05%，較竹漿纖維（結(jié)晶度為63.70%）有所提高，仍屬于纖維素Ⅰ型；化學(xué)結(jié)構(gòu)保留了纖維素的基本特征；Zeta電位值達(dá)到–32.6 mV，表現(xiàn)出較竹漿纖維（Zeta電位值–8 mV）更強(qiáng)的電負(fù)性；CNF膠體為剪切變稀的假塑性流體，膠體黏度隨剪切應(yīng)力增大變化平緩，說明CNF膠體具有較好的穩(wěn)定性；CNF在熱分解結(jié)束時(shí)仍有高達(dá)15.3%的殘余率，較竹漿纖維（殘余率為3.4%）大得多。

3）纖維素酶預(yù)處理輔助超聲空化作用下，纖維素的酶解過程在溫和條件下進(jìn)行，對(duì)結(jié)晶區(qū)的破壞力度低，制備得到的納米纖維素性能好。制備得到的納米纖維素適于組裝功能性穩(wěn)定的纖維素基納米材料，在食品、醫(yī)用包裝材料領(lǐng)域均具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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