豆渣一鍋法均相制備羧甲基纖維素的研究

廉夢云 鄭 志 李興江 吳學鳳 姜紹通 李傳運

(合肥工業(yè)大學食品與生物工程學院；安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點實驗室，合肥 230601)

豆渣是豆制品生產(chǎn)中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，我國豆渣年產(chǎn)量大約在300萬t[1]。豆渣中含有40%～45%的纖維素及少量半纖維素和木質(zhì)素[2，3]，結(jié)構(gòu)復雜，溶解性差，多作為飼料或肥料，甚至被丟棄，造成資源的浪費和環(huán)境污染。

羧甲基纖維素是一種陰離子型纖維素衍生物，具有良好的水溶性、增稠性、乳化性等，廣泛應用在醫(yī)藥、食品、化妝品等行業(yè)[4]。傳統(tǒng)的羧甲基纖維素多采用微晶纖維素在有機試劑中異相合成[5，6]，原料需要經(jīng)過提純精制，成本高、制備工藝復雜，同時異相合成還存在取代基分布不均勻，取代度>0.4時才能溶于水，需多次加入堿液，有機試劑的利用率低、回收困難等問題。NaOH/尿素水體系是一類新型纖維素綠色水溶液，它能在低溫5～30 min將纖維素完全溶解，是一種經(jīng)濟、環(huán)保的試劑[7，8]。該體系用于合成纖維素衍生物時具備反應試劑和催化劑的功能，制備的產(chǎn)品包括羥丙基纖維素[9]、芐基纖維素[10]、O-(2-羥乙基)纖維素[11]。

目前豆渣制備CMC的研究主要從纖維素提純出發(fā)，異相體系中堿化、醚化分步反應。本研究利用NaOH/尿素水反應體系直接溶解、堿化豆渣中的纖維素得到堿纖維素后醚化處理，一鍋法均相制備CMC，實現(xiàn)分步反應一次在相同反應容器和相同反應條件下完成[12，13]，簡化工藝流程，減少不必要的分離、純化步驟，避免在反應過程中多次加堿和醚化劑的問題，且反應條件溫和，取代基分布均勻，在取代度>0.2時即能溶于水。

本研究直接以豆渣為原料，NaOH/尿素為反應體系，采用一鍋法均相合成CMC，并通過紅外光譜、核磁共振分析、熱重分析和掃描電鏡對樣品結(jié)構(gòu)、性質(zhì)進行表征。研究結(jié)果對實現(xiàn)豆渣的綜合應用、降低CMC的生產(chǎn)成本、拓展制備CMC的來源有重要意義。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

豆渣(具體成分見表1)、氯乙酸鈉、氫氧化鈉、尿素、鹽酸、乙醇酸、硝酸、硫酸等均為國產(chǎn)分析純。

1.2 主要儀器

FD-1B-50冷凍干燥機；G1-20G-Ⅱ離心機；Nicolet 67傅里葉紅外光譜儀；VNMRS600超導核磁共振波譜儀；STA449F3同步熱分析儀；JSM-6490LV電子顯微鏡。

表1 豆渣組成成分

1.3 實驗方法

1.3.1 一鍋法均相制備羧甲基纖維素

將6.8 g豆渣緩慢加入到200 g的6%NaOH/4%尿素水溶液中，攪拌反應20 min后放于-20 ℃冰箱中靜置過夜約15 h，取出后4 ℃、7 000 r/min離心機中離心15 min，得到含有堿纖維素的上清液，倒入燒杯中放于35 ℃水浴鍋中攪拌，緩慢加入冰水浴中配制的氯乙酸鈉/NaOH共混物(與豆渣纖維素摩爾比4:1的氯乙酸鈉溶于5 mL 1.5%的NaOH溶液)，55 ℃水浴鍋中攪拌3 h，68 ℃保溫1 h，將所得醚化產(chǎn)物用3倍體積的95%乙醇沉淀后用少量50%乙酸中和，抽濾，用75%乙醇洗滌2～3次，無水乙醇洗滌固體2次，移入烘箱 60 ℃干燥，得到豆渣CMC。

經(jīng)過前期單因素實驗，確定以豆渣添加量、氯乙酸鈉與豆渣的摩爾比、NaOH濃度和反應時間為影響因素，以取代度為評價指標，設計正交實驗(表2)。

表2 正交實驗因素水平表

1.3.2 羧甲基纖維素取代度的測定

采用GB 1886.232—2016中灰分法測定羧甲基纖維素的取代度[14]。

1.3.3 溶解度測定

精確稱取1 g制備的CMC在25 ℃溶解于100 mL蒸餾水中配成1%的溶液，攪拌24 h。經(jīng)過反復抽濾、洗滌后105 ℃烘箱中烘干至恒重，計算溶解度。

1.3.4 紅外光譜分析

利用溴化鉀壓片法分析豆渣、制備CMC的紅外光譜特性。取1 mg樣品與200 mg KBr在干燥環(huán)境下研磨均勻，壓成透明薄片在傅里葉紅外光譜儀測試，選擇波長范圍400～4 000 cm-1，掃描32次，記錄樣品的結(jié)構(gòu)變化。

1.3.5 核磁共振分析

取0.2 g制備CMC在60 ℃下溶解在2 mL D2O中，取出冷卻至室溫冷凍干燥，重復操作3次。取8 mg處理后的樣品加入到0.6 mL D2O/D2O(體積比=4∶1)的溶液中，在90 ℃下放置2 h，間歇震蕩，避免凝膠化，最終形成淺黃色的均相溶液。采用超導核磁共振波譜儀在500.13 MHz下掃描2 h得到CMC的1H核磁光譜。

1.3.6 熱重分析

取豆渣和制備CMC 5～10 mg在同步熱分析儀上進行熱重分析，溫度范圍為25～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氮氣流速為30 mL/min。通過相應熱重曲線的變化，我們可以得到樣品熱穩(wěn)定性的變化

1.3.7 掃描電鏡分析

將切成薄片的豆渣和制備CMC冷凍干燥后進行噴金處理，噴金時間為120 s，在20 kV 的電壓和不同放大倍率下進行鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察，并記錄樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析處理

利用Origin 8.5對實驗所得數(shù)據(jù)進行分析處理。實驗結(jié)果3次平行測量取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗結(jié)果分析

在正交實驗表中，可以用極差R的大小代表影響因子對結(jié)果的影響程度，R值越大，影響程度越高。本研究中對取代度影響最大的是豆渣添加量，其次是氯乙酸鈉和纖維素的摩爾比、醚化時間，NaOH的濃度影響最小。根據(jù)以上分析，制備高取代度CMC的優(yōu)化反應條件為：55 ℃下醚化3 h，68 ℃保溫1 h，豆渣添加量6.8 g，摩爾比為4∶1，NaOH的濃度為1.5%，制備的CMC的取代度為0.51、溶解度為83.88%的淡黃色粉末，得率約為30.21%。經(jīng)測定改性樣品中含有0.12%左右的N元素，以及極少量的S元素，可能與蛋白質(zhì)未完全除去有關(guān)，表明尿素未參與取代反應[15]。

表3 利用豆渣制備CMC工藝優(yōu)化正交實驗結(jié)果

注：A代表醚化時間，B代表豆渣添加量，C代表氯乙酸鈉和纖維素的摩爾比，D代表NaOH的濃度。

2.2 紅外光譜分析

與豆渣相比，經(jīng)過羧甲基化處理的樣品在1 608.12 cm-1出現(xiàn)非常明顯的羧羰基非對稱伸縮振動吸收峰(圖1)，證明豆渣分子上的部分羥基被羧甲基成功取代[16，17]。

圖1中樣品在3 423 cm-1處顯示出強烈的寬吸收帶，這歸因于—OH基團的伸縮振動[18]，表明樣品的含水量較高。1 700 cm-1附近的特征峰屬于CMC產(chǎn)物的取代基團中的C—O或副產(chǎn)物羥乙酸鈉的C—O基團[19]，產(chǎn)物(b、c)的光譜中此特征峰不明顯，說明產(chǎn)物中基本不存在副產(chǎn)物。1 729.82 cm-1處的吸收峰對應于半纖維素的羧基伸縮振動，木質(zhì)素的特征峰波長是1 270.41 cm-1[20]，豆渣(a)明顯觀察到這兩個吸收峰，經(jīng)過改性后樣品(b)的吸收峰基本消失，說明經(jīng)過改性處理后半纖維素和木質(zhì)素大部分被除去。在1 374.52 cm-1和1 162.91 cm-1處觀察到纖維素II的振動吸收峰。在1 031.12 cm-1處檢測到的峰是指CMC中的醚(C—O—C)和葡萄糖單元中的醇的C—O鍵。隨著羧甲基取代更多的羥基時，1 031.12 cm-1處的吸收峰增強，可能與未反應的纖維素和羧甲基纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖殘基有關(guān)。700～500 cm-1區(qū)域是參與形成氫鍵的O—H基團的振動，可視為纖維素結(jié)晶區(qū)的吸收峰?？梢酝茰yCMC中羥基的取代越多，無定形區(qū)增大，結(jié)晶度降低。然而，在圖中沒有觀察到該區(qū)域的變化，可能是因為該區(qū)域?qū)ζ渌駝颖容^敏感[21]。

注：a SD；b 制備CMC(DS=0.51)。圖1 豆渣與制備CMC紅外光譜圖

2.3 核磁共振分析

制備CMC經(jīng)過多次置換反應和酸解后，利用核磁共振波譜儀掃描得到1H NMR光譜圖(圖2)。1H NMR光譜圖主要通過化學位移的改變判斷纖維素上具有反應活性的三個反應位點是否有羧甲基取代。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，2.50～3.00 ppm之間的光譜區(qū)域是羧甲基基團吸收峰，充分說明了成功引入了羧甲基。由于糖苷鍵的斷裂，可以觀察到H2質(zhì)子處出現(xiàn)α和β異頭物，α-異頭物(在較高的場)和β-異頭物(在較低的場)特定的化學位移在2.92和2.96之間。被羧甲基基團取代H3、H6位置羥基后產(chǎn)生的化學位移分別是2.99、2.35。未經(jīng)醚化的脫水葡萄糖單元H4和H5的質(zhì)子在2.83～2.87的范圍內(nèi)有一個重疊信號峰[22-24]。在CMC的1H NMR光譜中已經(jīng)證實，6號位的伯羥基的空間位阻小更容易被取代，并且仲羥基顯示出較低的反應性。然而，在均相體系中，仲羥基的取代相對增加，可能與反應體系有關(guān)。Ramos等[25]使用新溶劑DMSO / TBAF制備CMC得到O6>O2≥O3。

圖2 CMC在D2SO4/D2O中酸解的1H NMR 光譜圖

2.4 熱重分析

圖3是豆渣和制備CMC的熱失重曲線圖。樣品在100 ℃左右出現(xiàn)的重量損失，主要是纖維素上物理吸附的水分子損失造成的，CMC的水分吸附能力要高于SD，主要是因為CMC分子鏈上的羧甲基是強親水性基團，使CMC的親水性增強。SD的失重區(qū)域在210～400 ℃，通過作圖可以看出SD的最大降解溫度在341 ℃，改性后CMC的失重區(qū)域在190～370 ℃之間，分解溫度大約是264 ℃。對比SD與CMC的熱重曲線可以發(fā)現(xiàn)：CMC的熱分解溫度要低于SD，主要是因為經(jīng)過堿化、醚化處理后，豆渣分子的整體結(jié)構(gòu)被破壞，羧甲基取代纖維素分子上的羥基，使分子間氫鍵減少，分子結(jié)構(gòu)更容易被破壞，從而使得CMC的熱穩(wěn)定性降低?？傮w上看，制備的CMC熱分解溫度較高，表現(xiàn)出良好的耐熱性。當溫度繼續(xù)升高，CMC樣品的殘余物的重量質(zhì)量分數(shù)約為25%，略高于SD，這是由于羧甲基反應過程中Na+的引入，在高溫處理后生成了鹽，從而使殘余物含量較高。

圖3 豆渣與制備CMC的TG圖

2.5 SEM分析

SEM反映了所觀察物體的形貌結(jié)構(gòu)。圖4a和圖4b顯示未改性的豆渣表面比較光滑，有斷裂層出現(xiàn)，木質(zhì)素和半纖維素的存在使纖維素束的表現(xiàn)不明顯，整體以大顆粒狀存在。圖4c、圖4d是經(jīng)過羧甲基化處理后樣品的形貌，可以明顯觀察到改性后的樣品結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。樣品經(jīng)過堿化處理使大部分木質(zhì)素和半纖維素除去，以及醚化處理后羧甲基的取代使表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，斷裂層消失，空隙率增多，凹凸性明顯，呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，分子以短棒狀存在。這與FT-IR的結(jié)果相似，不同物質(zhì)的羧甲基化改性也有類似的形貌變化[26]。

注：圖a和圖b是SD；圖c和圖d是制備CMC(DS=0.51)。圖4 豆渣、制備CMC的SEM圖

3 結(jié)論

豆渣溶解在6%NaOH/4%尿素水溶液中得到富含纖維素的上清液，以氯乙酸鈉為醚化劑，經(jīng)正交優(yōu)化后制備了溶解性較高、耐熱性良好、取代度達到0.51的羧甲基纖維素。紅外光譜和核磁共振圖譜驗證確有羧甲基取代纖維素上的羥基，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，實現(xiàn)了以豆渣為原料在NaOH/尿素水溶液中一鍋法制備CMC，為CMC的合成提供了一條新的路徑。