酸水解和酶水解對(duì)纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響研究

杜敏 李新平 王志杰

摘 要：分別采用鹽酸和纖維素酶對(duì)漂白針葉木漿進(jìn)行水解，制得酸水解纖維素和酶水解纖維素，通過分析比較水解后纖維素在聚合度、粒徑、微觀形態(tài)以及理化性能上的區(qū)別，研究這兩種方法制備的纖維素在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性能上的差異。結(jié)果表明，漂白針葉木漿經(jīng)鹽酸在高溫下水解1 h，纖維素聚合度下降到200左右，纖維平均長度下降到0.1～0.2 mm，經(jīng)機(jī)械粉碎后呈橢圓形顆粒狀，平均粒徑27.49 μm；漂白針葉木漿經(jīng)纖維素酶水解24 h后，纖維素聚合度降低到700左右，纖維平均長度也下降到0.1～0.2 mm，經(jīng)機(jī)械粉碎后呈棒狀顆粒，平均粒徑38.77 μm。酸水解纖維素較酶水解纖維素具有較大的表觀密度、持水力以及較好的流動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：酸水解纖維素；酶水解纖維素；聚合度；粒徑；形態(tài)

中圖分類號(hào)：TQ353.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.01.002

微晶纖維素（Microcrystalline cellulose， MCC）是由植物纖維原料水解至聚合度15～375后再經(jīng)干燥、粉碎得到的功能化纖維素產(chǎn)品，其主要結(jié)構(gòu)以β1，4葡萄糖苷鍵連接而成的直鏈多糖[13]。微晶纖維素一般呈短棒或粉末狀，其顆粒大小為20～80 μm，不具纖維性而流動(dòng)性極強(qiáng)，不溶于水、稀酸、有機(jī)溶劑和油脂，在稀堿溶液中能夠部分溶解、潤脹，在羧甲基化、乙?；Ⅴセ^程中具有較高的反應(yīng)活性[17]，因此，被廣泛應(yīng)用于食品[1，6]、醫(yī)藥[89]、制革[7]、復(fù)合材料[1011]等領(lǐng)域。

微晶纖維素通常采用稀酸水解的方法制備[59]，除此以外，也有采用物理法[12]、酶水解法[13]以及酸水解和酶水解相結(jié)合的方法[14]制備。雖然纖維素的酶水解較酸水解具有工藝條件溫和、無污染等特點(diǎn)[13]，但利用酶水解制備微晶纖維素方面的研究和應(yīng)用非常有限。纖維素在纖維素酶作用下的水解和其在稀酸（鹽酸或硫酸）作用下的多相水解頗為相似，兩者分別是在纖維素酶或H+的催化作用下使纖維素大分子上的連接鍵β1，4糖苷鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生水解纖維素，水解后纖維素仍保持它原有的分子結(jié)構(gòu)，只是聚合度發(fā)生改變[15]。但相似的水解機(jī)理并不一定會(huì)產(chǎn)生相似的作用效果，因?yàn)樽鳛榈鞍踪|(zhì)的酶分子和鹽酸/硫酸分子在結(jié)構(gòu)和性能上存在很大的差異，再加上纖維本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得酶水解和酸水解對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不同的影響。本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)漂白針葉木漿經(jīng)纖維素酶水解和稀酸水解后的纖維素形態(tài)、理化性能進(jìn)行研究，為酶水解法制備微晶纖維素的研究提供理論參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料和藥品

（1）纖維原料：漂白針葉木漿板，加拿大金虹魚牌。

（2）酶：復(fù)合纖維素酶，商品名Celluclast1.5L，自黑曲霉（Aspergillus niger）中提取，購自sigma公司，其濾紙酶活為94 FPU/mL，CMC酶活為51 U/mL。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酸水解纖維素

漂白針葉木漿板浸泡6 h后，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)漿樣疏解機(jī)（SE003，瑞典L&W公司）疏解10 min，擠干水分，加入濃度6%的鹽酸溶液，控制液比為1∶15（g∶mL），在90℃恒溫振蕩水?。℉HZ，北京科偉永興有限公司）中水解一定時(shí)間。水解結(jié)束后用布氏漏斗抽濾，用蒸餾水反復(fù)洗滌至中性，即得到酸水解纖維素。

1.2.2 酶水解纖維素

漂白針葉木漿板浸泡6 h后，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)漿樣疏解機(jī)疏解10 min，擠干水分，用pH值4.8的檸檬酸緩沖溶液調(diào)整漿濃為3.0%，加入酶活為20 FPU/g（絕干纖維）的經(jīng)稀釋的纖維素酶，在50℃恒溫振蕩水浴中水解一定時(shí)間。水解結(jié)束后沸水浴滅活5 min，然后用布氏漏斗抽慮，用蒸餾水反復(fù)洗滌至中性，即得到酶水解纖維素。

1.3 水解纖維素的測(cè)定與表征

1.3.1 得率測(cè)定

收集全部水解纖維素，稱重，在密封袋里平衡水分24 h后，測(cè)定其水分含量，水解后纖維素得率Y計(jì)算見式（1）。

Y=[SX（]m1[]m0[SX）]×100%（1）

式中，m0為漂白針葉木漿絕干質(zhì)量，g；m1為水解纖維素絕干質(zhì)量，g。

1.3.2 聚合度測(cè)定

采用黏度法測(cè)定纖維素聚合度[16]。具體方法為：將適量的水解纖維素樣品溶解于銅乙二胺溶液中，通過毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)定溶液的特性黏度[η]，根據(jù)式（2）計(jì)算水解纖維素聚合度DP。

DP0.905=0.75[η]（2）

1.3.3 光學(xué)顯微鏡分析

用解剖針將少量分散好的水解纖維素置于干凈的載玻片上，用赫氏試劑染色后，蓋上蓋玻片，用濾紙吸去多余水分，在多媒體光學(xué)顯微鏡（BA310Met，麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司）下進(jìn)行觀察和拍照。

1.3.4 掃描電鏡分析

將水解纖維素干燥，并經(jīng)行星式球磨機(jī)（KQMX4Z/B，咸陽市金宏粉碎設(shè)備廠）在一定轉(zhuǎn)速下分別碾磨1 h，過100目篩，得到粉末狀水解纖維素。用解剖針將少量水解纖維素粉末置于樣品臺(tái)上，表面噴金后在掃描電子顯微鏡（SEM，HITACHI.S—4800，日本）上進(jìn)行觀察，采用二次電子成像模式，加速電壓為10 kV，圖像分辨率為0.15 μm/像素。

1.3.5 粒度及分布測(cè)定

將少量粉末狀水解纖維素用蒸餾水稀釋到一定濃度，分散均勻后直接在激光粒度儀（LS，美國貝科曼庫爾特公司）上進(jìn)行測(cè)定。

1.3.6 表觀密度測(cè)定

按照文獻(xiàn)[17]的方法測(cè)定：稱取20 g水解纖維素粉末（m），移入100 mL量筒內(nèi)，輕輕地碰敲量筒底部，使水解纖維素粉末下降至高度不再變化為止，讀取此時(shí)試樣所占據(jù)的容積（V），通過式（3）計(jì)算表觀密度（B）。

B=[SX（]m[]V[SX）]（3）

1.3.7 流動(dòng)性測(cè)定

按照文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行測(cè)定：將水解纖維素粉末經(jīng)漏斗緩慢均勻流至半徑（r）為4.5 cm的培養(yǎng)皿上，直至粉末堆積至從培養(yǎng)皿上緣溢出為止，測(cè)定形

成的粉末堆的高度（H），按式（4）計(jì)算靜止角α。

tgα=H/r（4）

1.3.8 持水性測(cè)定

按照文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行測(cè)定：稱取0.5 g干燥后的水解纖維素置于50 mL離心管中，加30 mL蒸餾水，搖勻，室溫下靜止1 h，于4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，棄去上清液，稱量得到水解纖維素濕質(zhì)量。按式（5）計(jì)算水解纖維素持水能力。

持水能力=[SX（]樣品濕質(zhì)量-樣品干質(zhì)量[]樣品干質(zhì)量[SX）]×100% （5）

2 結(jié)果與討論

2.1 酸水解和酶水解對(duì)纖維素聚合度的影響

表1為漂白針葉木漿酸水解纖維素得率和聚合度的變化。由表1可見，漂白針葉木漿經(jīng)濃度為6%的鹽酸在高溫下水解0.5 h，纖維素聚合度下降到272，延長水解時(shí)間，纖維素聚合度繼續(xù)下降，但下降幅度很小，基本維持在200左右。另外從表1可見，雖然經(jīng)鹽酸水解后在短時(shí)間內(nèi)纖維素聚合度降得很低，但得率下降幅度并不大，水解2 h后得率為90%左右，說明在鹽酸水解過程中，纖維素分子鏈的斷裂是比較均一的，在鹽酸的催化下，大量的分子鏈在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂，使得聚合度急劇下降，但溶出的葡萄糖等小分子寡糖數(shù)量有限。

表2為酶水解纖維素得率和聚合度的影響。由表2可知，在高酶用量下，隨著水解時(shí)間從2 h逐漸延長到48 h，得率急劇下降，水解48 h后，得率僅為43.26%，但在此過程中，纖維素聚合度變化幅度很小，聚合度都在670～700的范圍內(nèi)，非常接近。說明雖然隨著酶水解程度的增加，大量的纖維素分子鏈發(fā)生斷裂，變成小分子寡糖水解溶出，但對(duì)于殘留的纖維來說，其內(nèi)部纖維素分子鏈的長度基本是恒定的。

由此可見，雖然酸水解和纖維素酶水解都是使纖維素大分子上的β1，4糖苷鍵發(fā)生斷裂，但酸水解纖維素聚合度存在巨大差異，酶水解纖維素得率下降較多。

2.2 酸水解和酶水解對(duì)纖維形態(tài)的影響

圖1為漂白針葉木漿經(jīng)鹽酸水解和纖維素酶水解后的纖維顯微鏡圖。

由圖1（a）可見，經(jīng)鹽酸在高溫下水解1 h時(shí)，纖維基本上都被切斷成只有0.1～0.2 mm。由圖1（b）～圖1（f）可見，經(jīng)纖維素酶水解后，纖維也發(fā)生明顯的切斷，且隨著酶水解時(shí)間的延長，纖維斷裂程度逐漸增加，纖維平均長度逐漸減小，當(dāng)酶水解24 h時(shí)，纖維平均長度下降為只有0.1～0.2 mm。酶水解48 h的纖維形態(tài)和水解24 h的完全相同，即當(dāng)酶水解到一定程度以后，纖維長度并沒有因?yàn)樗獬潭鹊倪M(jìn)一步增加而下降，關(guān)于這一點(diǎn)，李新平等人[18]進(jìn)行了專門的研究，認(rèn)為纖維細(xì)胞壁在制漿過程中發(fā)生移位的地方在酶水解過程中容易發(fā)生斷裂。由此可見，纖維素酶水解24 h的纖維素和鹽酸水解1 h的纖維素在形態(tài)上完全一致，兩者纖維都發(fā)生了多處切斷，纖維平均長度都下降到只有0.1～0.2 mm。

2.3 纖維素粒徑及顆粒形態(tài)比較

將酸水解1 h和酶水解24 h制得的纖維素干燥后分別經(jīng)球磨機(jī)粉碎，得到粉末狀纖維素，分別測(cè)定其粒徑并在掃描電鏡下觀察粉末纖維素形態(tài)，結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

酶水解纖維素的平均粒徑為38.77 μm，明顯大于酸水解纖維素的27.49 μm。從圖2的粒徑分布上可以看出，酸水解纖維素粒徑主要集中在20～60 μm；而酶水解纖維素中含有較多的直徑在100～160 μm的顆粒，直徑在70～100 μm之間的顆粒占據(jù)比例較高，說明酶水解纖維素中含有較多的大顆粒，且顆粒大小均勻性不及酸水解纖維素。

由圖3可知，雖然酸水解纖維素顆粒大小不夠均勻，但基本上都呈橢圓形的顆粒狀；而酶水解纖維素樣品，除了顆粒大小不夠均勻、尺寸較大以外，和酸水解纖維素最大的區(qū)別是其形狀主要為棒狀。從圖3還可以清楚的看到，酶水解纖維素，在機(jī)械粉碎過程中，纖維的細(xì)碎化主要是通過橫向斷裂和縱向撕裂這兩種途徑進(jìn)行的。

酸水解和酶水解纖維素經(jīng)機(jī)械粉碎后在微觀形態(tài)上會(huì)產(chǎn)生如此大的區(qū)別，歸根結(jié)底還是跟水解纖維素聚合度大小有關(guān)。酸水解后，纖維素聚合度下降到200左右，而酶水解后，纖維素聚合度還保持在700左右。一般來說，纖維素聚合度越高，則纖維強(qiáng)度越高，這主要是因?yàn)槔w維素分子間還存在大量的氫鍵結(jié)合，所以當(dāng)纖維素聚合度沒有下降到某一值之前，要通過機(jī)械作用破壞纖維結(jié)構(gòu)，形成只有幾十個(gè)微米數(shù)量級(jí)的纖維素顆粒需要消耗較大的能量。而當(dāng)纖維素聚合度下降到200左右時(shí)，分子間氫鍵結(jié)合的數(shù)量大大減少，這表明在本實(shí)驗(yàn)條件的機(jī)械力作用下，纖維細(xì)胞壁即發(fā)生了較高程度的分離和破碎。

2.4 理化性能比較

兩種方法制備的纖維素都為白色、無嗅的粉末，但由于酸水解纖維素和酶水解纖維素在顆粒大小和微觀形態(tài)上存在較大的區(qū)別，這必然會(huì)影響到兩者的理化性能。兩種水解纖維素的理化性能見表3。如表3所示，酸水解纖維素較酶水解纖維素具有較大的表觀密度、持水力以及較好的流動(dòng)性。

3 結(jié) 論

（1）漂白針葉木漿經(jīng)濃度為6%的鹽酸在高溫下水解1 h，得率93.6%，纖維素聚合度下降到200左右，纖維平均長度下降到0.1～0.2 mm。漂白針葉木漿經(jīng)酶活為20 FPU/g的酶水解24 h，得率下降到49.3%，纖維素聚合度下降到690，纖維平均長度也下降到0.1～0.2 mm。

（2）通過掃描電鏡分析可知，酸水解纖維素為橢圓形的顆粒，平均粒徑為27.49 μm；酶水解纖維素主要為棒狀顆粒，平均粒徑為38.77 μm。酸水解纖維素較酶水解纖維素具有較大的表觀密度、持水力以及較好的流動(dòng)性。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）