孟冬玲,劉 彬,鄒 琳,薛 云,賈學(xué)偉,吳 彥**,許春平**
(1. 廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,廣西 南寧 530001;2. 鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450002)
纖維素是一種大分子多糖類物質(zhì),是存在于自然界中的天然可再生物質(zhì),且儲量豐富,廣泛存在于植物細胞壁中. 近年來對于纖維素的資源化利用,成為國內(nèi)外的研究熱點[1-3]. 木材是纖維素主要來源之一,但從木材、棉花等物質(zhì)中提取纖維素,成本較高. 我國是世界上煙草總種植面積最大的國家,每年有大量的煙草秸稈無法處理,且煙草秸稈成分復(fù)雜,還田處理會造成環(huán)境污染,因此對煙草秸稈的再利用成為煙草行業(yè)關(guān)注的焦點. 由于煙草的行業(yè)特殊性,使得煙草秸稈廢棄物更加集中,相較于其他作物秸稈煙草秸稈更易于集中利用. 煙草秸稈主要組成成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,宋麗麗等[4]研究發(fā)現(xiàn)煙草秸稈中纖維素含量比玉米秸稈、稻草秸稈和小麥秸稈更高,為38.39%,半纖維素含量更低,且生物轉(zhuǎn)化效率高,說明煙草秸稈中的纖維素具有高的利用價值,且煙草秸稈再利用的產(chǎn)物可應(yīng)用到煙草薄片的制備中,可使廢棄物循環(huán)利用,因此利用煙草秸稈中的生物質(zhì)資源意義更加重大.
納米纖維素是一種新型的高分子材料物質(zhì),具有高純度、高比表面積、高結(jié)晶度、高彈性模量等特點,具有巨大的應(yīng)用價值. 納米纖維素(NC)是至少有一維空間尺寸達到納米范圍(1~100 nm)的纖維素[5]. 主要分為2種,一種是纖維素納米晶(CNC),為短棒狀結(jié)構(gòu);另一種是纖維素納米纖絲(CNF),為纖維狀結(jié)構(gòu),直徑達到納米級別,長度可達到微米級,長徑比更高.
制備納米纖維素的方法主要有化學(xué)法、物理法、生物法,以及兩兩結(jié)合的方法[6],陳姍姍等[7]通過硫酸水解制備了蘋果渣納米纖維素,實現(xiàn)了對蘋果渣的高值化利用,趙艷嬌等[8]通過TEMPO氧化法制備出了水稻秸稈納米纖維素. 但是以煙草秸稈為原料制備納米纖維素的研究較少,因此對煙草秸稈納米纖維素進行制備與結(jié)構(gòu)表征具有重要意義.納米纖維素具有眾多優(yōu)點,應(yīng)用前景廣闊. 目前已被廣泛應(yīng)用到功能性材料中,包括食品包裝材料、納米復(fù)合材料等,進而應(yīng)用到生物醫(yī)藥、電子工業(yè)等領(lǐng)域中,還可作為添加劑或涂料,應(yīng)用到造紙領(lǐng)域中[9],改善紙張結(jié)構(gòu)、挺度、緊度和透光性等. 張凱麗等[10]將制備的納米纖維素與納米銀線混合成膜,得到電學(xué)性能好,機械性能強的高透明納米紙,可作為導(dǎo)電材料應(yīng)用,制備紙基電容器;Kolakovic等[11]將藥物包裹在納米纖維素膜中,研究發(fā)現(xiàn)納米纖維素膜具有很好的包裹作用,且對藥物可以起到緩釋效果;Mahmoud等[12]將CNC/Au作為固定化酶進行催化反應(yīng), 研究發(fā)現(xiàn)CNC/Au表現(xiàn)出優(yōu)異的生物催化活性和穩(wěn)定性, 沒有出現(xiàn)明顯的活性損失.
本文以煙草秸稈為原料,采用超聲波輔助過硫酸銨氧化法制備煙草秸稈纖維素納米晶,并通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜分析儀、X射線衍射分析儀、同步熱分析儀和旋轉(zhuǎn)流變儀對其進行結(jié)構(gòu)表征和分析,納米纖維素由于具有獨特的流變學(xué)特性,一定濃度的納米纖維素懸浮液可成為膠體物質(zhì)應(yīng)用到食品中,可以為食品提供優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性. 因此,本文除進行常規(guī)的結(jié)構(gòu)表征以外,增添了對CNC懸浮液進行流變特性表征,對煙草秸稈納米纖維素進行了全面的表征,并將其添加到煙草薄片中進行感官評吸,研究其對煙草薄片感官品質(zhì)的影響,得到最優(yōu)添加量.
1.1 材料、試劑和儀器煙草秸稈(河南中煙工業(yè)有限公司提供). 無水乙醇(≥99.7%,天津市富宇精細化工有限公司),過硫酸銨(≥98.0%,鄭州派尼化學(xué)試劑廠),氫氧化鈉(≥96.0%,天津市大茂化學(xué)試劑廠),冰乙酸(≥99.5%,天津市富宇精細化工有限公司),亞氯酸鈉(天津市大茂化學(xué)試劑廠)均為分析純.
高速萬能粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司);布氏漏斗;DGX-9143電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海?,攲嶒炘O(shè)備有限公司);TGL-16M離心機(上海盧湘儀離心機儀器有限公司);超聲波細胞破碎儀(上海皓莊儀器有限公司);PL203電子分析天平(感量0.000 1 g);SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式多用真空泵(河南省予華儀器有限公司);MS-H280-Pro磁力攪拌器(北京大龍興創(chuàng)實驗儀器有限公司);SCIENTZ-10N冷凍干燥機(寧波新芝生物科技股份有限公司);MD7044-5m普通透析袋(上海源葉生物科技有限公司);JSM-7001FJSM-7001F場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子公司);JEM2100透射電子顯微鏡;D8 Advance型X射線衍射儀(德國布魯克公司);Vertex 70型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)(德國布魯克公司);STA449F3同步熱分析儀(德國耐馳儀器制造有限公司);Discovery HR-1旋轉(zhuǎn)流變儀(美國TA儀器公司).
1.2 方法
1.2.1 煙草秸稈纖維素制備 將曬干的煙草秸稈(TS)切成小塊,使用萬能粉碎機粉碎,過0.42 mm(60目)篩. 稱取一定量干燥的TS,加入去離子水在500 r/min,70 ℃條件下反應(yīng)2 h,除去其中的水溶性雜質(zhì),將原料置于60 ℃烘箱中烘干,然后用無水乙醇抽提6 h,去除脂溶性物質(zhì),將抽提后的TS烘干,配置質(zhì)量分數(shù)為10%的NaOH溶液,與TS混合(料液比為1∶30,g∶mL)在80 ℃,500 r/min條件下充分反應(yīng)2 h,主要去除其中的半纖維素,反應(yīng)后用去離子水洗滌去除堿液,得到樣品TS-a[7,13].加入質(zhì)量分數(shù)為3%的亞氯酸鈉溶液,使用冰乙酸調(diào)節(jié)pH為3~4左右,在75 ℃的恒溫水浴鍋中反應(yīng),每隔1 h反應(yīng)1次,直至樣品變?yōu)榘咨テ渲械哪举|(zhì)素和殘余半纖維素,使用去離子水洗滌樣品至中性,得到純化的纖維素(TS-b).
1.2.2 纖維素納米晶的制備[14-17]配置濃度為1.5 mol/L的過硫酸銨溶液待用,稱取一定量烘干的TS-b與過硫酸銨溶液以1∶100(g∶mL)的比例混合反應(yīng),放置于磁力攪拌器上,調(diào)溫度為70 ℃,轉(zhuǎn)速為300 r/min,反應(yīng)16 h后加入蒸餾水終止反應(yīng). 放置一段時間待懸浮液分層,棄去上清液,用去離子水洗滌沉淀物質(zhì),以11 000 r/min離心數(shù)次,再棄去上清液,將CNC懸浮液置于透析袋中,透析72 h,直到CNC懸浮液pH為中性. 對CNC懸浮液進行超聲處理,超聲條件為功率600 W,超聲3 s間隙3 s,超聲15 min,冷凍干燥得煙草秸稈纖維素納米晶(TS-CNC).
1.3 性能表征
1.3.1 CNC懸浮液初始固含量測定 CNC懸浮液的流變學(xué)特性表征與CNC懸浮液的固含量(w,%)有關(guān). 稱取一定量的CNC懸浮液放入稱量過的干燥器中,在烘箱中烘干至恒重,取出后在室溫下冷卻,用分析天平稱量,通過公式(1)計算得出.
式中:m0為干燥器的質(zhì)量;m1為懸浮液與干燥器的質(zhì)量;m2為烘干后樣品與干燥器的質(zhì)量.
1.3.2 煙草秸稈CNC得率的計算 測量所得的CNC懸浮液的總體積,用量筒準確量取20 mL CNC懸浮液于已稱量過的干燥培養(yǎng)皿中,于烘箱中105 ℃烘干至恒重,取出后放入室溫冷卻30 min,然后在電子天平上稱重.
式中:m1為烘干后樣品與培養(yǎng)皿的質(zhì)量;m2為培養(yǎng)皿的質(zhì)量;m3為原料的質(zhì)量;V1為CNC懸濁液的總體積;V2為移液管吸取CNC懸濁液的體積.
1.3.3 微觀結(jié)構(gòu)表征 使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了TS-CNC的表面形貌特征,掃描前對樣品表面進行噴金處理,加速電壓為10 kV.
使用超聲波破碎儀將TS-CNC分散到去離子水中,得到質(zhì)量分數(shù)為0.005%的CNC懸浮液,滴到表面鍍碳涂層的銅網(wǎng)上,室溫下干燥后使用透射電子顯微鏡(TEM)觀察其形貌結(jié)構(gòu),估算CNC的直徑和長度.
1.3.4 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析 用傅里葉變換紅外光譜儀記錄纖維的紅外光譜,將TS粉末、TS-CNC粉末和KBr進行真空干燥,樣品分別與KBr以1∶150的比例放入研缽中磨成粉,加壓制成透明薄片. 以吸光度為縱坐標,譜區(qū)范圍:4 000~400 cm-1為橫坐標記錄譜圖.
1.3.5 X射線衍射分析(XRD) 在室溫下使用X射線衍射儀測定TS、TS-b和TS-CNC的晶型及結(jié)晶度. 樣品研磨后過0.425 mm(40目)篩,放至掃描儀中,在階躍模式下以掃描范圍2θ為10°~60°,掃描速度為5°·min-1得到衍射圖譜.
利用公式(3)計算相對結(jié)晶度(CrI):
式中:Iam為非晶區(qū)2θ=18°處衍射峰的強度,I(200)為2θ=22.5°處的衍射峰的強度[18]
1.3.6 熱重分析(TG-DTG) 利用熱重分析測定熱穩(wěn)定性(TG),并且對其進行微商熱重分析(DTG). 稱取5 mg干燥的TS、TS-CNC固體粉末,放入同步熱分析儀中,持續(xù)通入30 min 流量為20 mL/min的氮氣,將樣品從28 ℃加熱至700 ℃,加熱速率為10 ℃ /min.
1.3.7 流變行為表征
(1)穩(wěn)態(tài)流變測試 采用旋轉(zhuǎn)流變儀(Discovery HR-1)對固體質(zhì)量分數(shù)為0.52%、0.62%、0.72%、1.76%和2.26%的CNC懸浮液進行穩(wěn)態(tài)流變測試,取1.5 mL的懸浮液,選用40 mm的夾具,剪切速率為10-1~103s-1,在25 ℃條件下進行測試.
(2)動態(tài)流變測試 動態(tài)測試分為動態(tài)應(yīng)變掃描和動態(tài)頻率掃描,動態(tài)應(yīng)變掃描條件為在頻率1 Hz下,動態(tài)應(yīng)變范圍為0.1%~100%;動態(tài)頻率掃描條件:掃描頻率范圍為0.1~100.0 rad·s-1,應(yīng)變?yōu)?.0%,測試溫度為25 ℃.
1.4 CNC添加量對煙草薄片感官品質(zhì)的影響將CNC按照不同的添加量添加到煙草薄片片基中,以39%的涂布率進行涂布,切絲后卷制成煙. 于溫度22 ℃、相對濕度65%條件下,平衡48 h后進行感官評吸.
超聲波法輔助過硫酸銨氧化法得到的煙草秸稈CNC懸浮液為均一的淡藍色溶液,當(dāng)CNC固含量較高時呈凝膠狀,冷凍干燥后得到的氣凝膠為白色的絮狀物,得到煙草秸稈CNC懸浮液的初始固體質(zhì)量分數(shù)為0.62%,產(chǎn)率為25.2%.
2.1 微觀結(jié)構(gòu)觀察通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察TS-CNC的形貌,得到圖1.圖1(a)、圖1(b)是將冷凍干燥得到的CNC氣凝膠粉碎制樣后,不同放大倍數(shù)下的固態(tài)樣品微觀結(jié)構(gòu),從圖1中可以看出CNC直徑達到納米級別,但纖維之間粘連嚴重,可能是由于冷凍干燥前CNC懸浮液濃度較大,使CNC發(fā)生團聚現(xiàn)象. 透射電子顯微鏡可以觀察到液體狀態(tài)下的CNC形貌,由于在低濃度懸浮液中CNC更加分散,對纖維形貌觀察更為準確,可看出CNC為短棒狀結(jié)構(gòu),直徑為10 nm左右,長度為50~60 nm.
圖1 CNC的微觀結(jié)構(gòu)表征圖Fig. 1 Microstructure characterization of CNC
2.2 傅里葉變換紅外光譜分析 (FTIR)將干燥后的KBr與實驗制備的原料TS、TS-b、TS-CNC干燥粉末混合均勻,研磨成粉后進行壓片處理,用傅里葉變換紅外光譜儀進行官能團結(jié)構(gòu)表征,得到圖2. 比較3條曲線可發(fā)現(xiàn),在原料TS曲線中,1 733,1 512 cm-1和1 256 cm-1處有吸收峰,1 733 cm-1處的吸收峰是乙?;鶊F中C=O的伸縮吸收振動峰,1 512 cm-1處的吸收峰歸屬于木質(zhì)素中苯環(huán)碳骨架伸縮振動吸收峰,1 256 cm-1處歸屬于半纖維素或木質(zhì)素中芳基芳醚類化合物中的C=O伸縮振動[19],在TS-b和TS-CNC的曲線中3個峰均未出現(xiàn),說明木質(zhì)素和半纖維素被除去.
圖2 TS和TS-CNC的紅外光譜圖Fig. 2 Infrared spectra of TS and TS-CNC
在TS-b和TS-CNC曲線中3 410、2 902、1 630、1 430、1 163、1 110、1 060、898 cm-1處的共有吸收峰說明納米纖維素保留了纖維素的基本結(jié)構(gòu)[20-21],分別歸屬于纖維素分子和分子內(nèi)、分子中羥基O―H的伸縮振動吸收峰,―CH2的C―H伸縮振動峰,纖維素中羥基吸附環(huán)境中水分產(chǎn)生的吸收峰,―CH2的彎曲振動峰,C―C骨架伸縮振動,纖維素分子環(huán)內(nèi)C―O伸縮振動,C―O伸縮振動和β-1,4糖苷鍵搖擺振動吸收峰. 其中在1 430、1 163、1 110、898 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是纖維素Iβ的特征吸收峰,說明過硫酸銨氧化并沒有改變纖維素的晶型,且制備得到的CNC為纖維素I型結(jié)構(gòu)[22]. 與TS-b曲線相比,TS-CNC曲線中在1 726 cm-1處出現(xiàn)新的弱吸收峰,該峰歸屬于羧酸基團的C=O,表明在反應(yīng)過程中部分羥基被氧化為羧基,制備的納米纖維素為羧基型納米纖維素.
2.3 X射線衍射分析(XRD)通過XRD研究樣品的結(jié)晶度,得到樣品TS、TS-b、TS-CNC的XRD圖線,如圖3所示,計算得到TS、TS-b、TS-CNC的結(jié)晶度如表1中所示. 從圖3可以看出3種樣品都具有3個主要的衍射峰,18°和34.6°是2個低強度寬峰,22.5°是1個尖銳的高強度峰,3個峰分別對應(yīng)于纖維素Ⅰ中(110),(200)和(400)3個晶面的衍射峰[23-24],說明化學(xué)反應(yīng)過程沒有改變纖維素的晶型,制得的煙草秸稈CNC仍然保持纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu).
圖3 TS、TS-b和TS-CNC的XRD分析圖Fig. 3 XRD analysis of TS, TS-b and TS-CNC
表1中的相對結(jié)晶度值可以定量評價纖維結(jié)構(gòu)中結(jié)晶纖維素和無定型區(qū)的數(shù)量[19],相較于原料TS,TS-b、TS-CNC的相對結(jié)晶度分別提高了54.23%和41.53%,原料的結(jié)晶度最低,是由于纖維素結(jié)構(gòu)被無定形纖維素多糖物質(zhì)如半纖維素、木質(zhì)素、果膠等包圍,導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)占比較低,經(jīng)過堿液處理及氧化漂白處理,去除其中的木質(zhì)素、半纖維素和果膠等雜質(zhì)后,纖維素的結(jié)晶區(qū)占比增加,相對結(jié)晶度提高. TS-CNC結(jié)晶度低于TS-b的原因是由于超聲處理時間過長,破壞了纖維素的結(jié)晶區(qū).
表1 不同處理階段的樣品相對結(jié)晶度Tab. 1 Crystallinity index (CrI) of TS at different stages of treatment
2.4 熱重分析通過同步熱分析儀對TS、TS-CNC進行熱重分析,得到熱重曲線(圖4)和微商熱重曲線(圖5)及主熱解特征參數(shù)(表2). 從圖4和表2可以看出原料TS的初始降解溫度為204.94 ℃,經(jīng)過亞硫酸銨氧化處理及超聲波破碎后TS-CNC的初始降解溫度為201.47 ℃,相比原料,降低了1.7%,原因可能是纖維素納米晶的粒徑較小,比表面積大,聚合度低,裸露的活性基團較多,且不含熱穩(wěn)定性高的木質(zhì)素,使熱穩(wěn)定性下降[25].
圖4 TS和TS-CNC的TG曲線Fig. 4 TG curves of TS and TS-CNC
圖5 TS和TS-CNC的DTG曲線Fig. 5 DTG curves of TS and TS-CNC
從圖5的DTG曲線中可以看出,相較于TS,TS-CNC的主熱解峰向低溫區(qū)移動,熱穩(wěn)定性能弱于TS,在主熱解溫度范圍內(nèi)(200~400 ℃),主要是纖維素的β-1,4糖苷鍵和C=O、C―C的斷裂,最終裂解為CO、CO2、H2O等氣體.
2.5 流變行為研究由于制備的CNC懸浮液濃度較低,因此通過使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,除去CNC懸浮液中的部分水分,得到較高固體質(zhì)量分數(shù)的CNC懸濁液,計算固體質(zhì)量分數(shù)含量分別為1.76%,2.26%.
表2 樣品的主熱解特征參數(shù)Tab. 2 main pyrolysis characteristic parameters of samples
2.5.1 穩(wěn)態(tài)剪切行為 CNC懸浮液剪切速率與黏度η的關(guān)系曲線如圖6所示,CNC懸浮液的表觀黏度隨剪切速率增大而逐漸減小,且固含量越高,η越高. 在測試范圍內(nèi),CNC懸浮液固體質(zhì)量分數(shù)在達到1.76%時,懸浮液表現(xiàn)出明顯的剪切變稀行為,在固體質(zhì)量分數(shù)低于1.76%時,在高剪切速率下懸浮液表現(xiàn)出剪切變稀行為,這主要是由于剪切應(yīng)力使CNC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂,導(dǎo)致黏度下降,出現(xiàn)剪切變稀行為.
圖6 不同固體質(zhì)量分數(shù)煙草秸稈CNC懸浮液的表觀黏度與剪切速率關(guān)系圖Fig. 6 The relationship between apparent viscosity and shear rate of tobacco straw CNC suspension with different solid content
2.5.2 動態(tài)流變行為 流變體系的線性黏彈區(qū)域通過動態(tài)應(yīng)變(γ)掃描確定,CNC懸浮液的儲能模量G′和損耗模量G″與動態(tài)應(yīng)變ε的關(guān)系曲線如圖7(a)和圖7(b)所示. 從圖7中可以看出,應(yīng)變增加到一定值,G′、G″開始下降,彈性下降明顯,這是由于在一定應(yīng)力作用下CNC結(jié)構(gòu)被破壞,CNC懸浮液的濃度越高,G′、G″開始下降所對應(yīng)的應(yīng)變越小.為保證體系處于線性黏彈區(qū)域,選擇應(yīng)變?yōu)?.0%.
不同固體質(zhì)量分數(shù)的CNC懸浮液的G′、G″與角頻率ω的關(guān)系曲線如圖8(a)和圖8(b)所示. 隨ω增加,G′和G″呈上升趨勢,在低角頻率時,曲線斜率隨CNC固體質(zhì)量分數(shù)的增加逐漸降低,當(dāng)固體質(zhì)量分數(shù)大于1.76%時,曲線斜率不再發(fā)生變化,表明體系在該固體質(zhì)量分數(shù)下已具有明顯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出凝膠形態(tài),達到凝膠形態(tài)的CNC膠體物質(zhì)可應(yīng)用到食品中,對食品起到保溫隔熱的效果.
圖7 不同固體質(zhì)量分數(shù)煙草秸稈CNC懸浮液的儲能模量G′與損耗模量G″與動態(tài)應(yīng)變的關(guān)系Fig. 7 Dependence of dynamic storage modulus G′ and loss modulus G″ on strain amplitude for different concentrations of tobacco straw CNC suspensions
2.6 CNC添加量對煙草薄片感官抽吸品質(zhì)的影響設(shè)置不同的CNC添加量0%,0.4%,0.5%,0.6%,0.7%,0.8%(以煙草薄片固含量計)添加到煙草薄片片基中,以39%涂布率進行涂布,對得到的煙草薄片進行切絲處理,分別卷制成卷煙進行感官評吸[26-28],結(jié)果見表3. 由表3可知,CNC添加量為0.6%的煙草薄片,感官評分最高為94.42分,可以在一定程度上改善卷煙的香氣,減輕卷煙的雜氣和刺激性,豐富卷煙煙氣.
表3 卷煙感官質(zhì)量評吸結(jié)果Tab. 3 Smoking results of sensory quality assessment of cigarette
以煙草秸稈為原料,通過過硫酸銨氧化法及超聲處理成功制備了煙草秸稈纖維素納米晶,冷凍干燥后得到纖維素納米晶氣凝膠. 通過透射電鏡觀察其直徑達到10 nm左右,長度為50~60 nm;傅里葉紅外光譜分析表明,大部分半纖維素和木質(zhì)素已被除去;X射線衍射分析表明,純化纖維素及煙草秸稈纖維素納米晶仍保留纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu),纖維素納米晶的結(jié)晶度略低于純化纖維素,可能是由于超聲處理時間過長導(dǎo)致;熱重分析表明纖維素納米晶的熱穩(wěn)定性相較于原料有所降低;流變行為表明纖維素納米晶固體質(zhì)量分數(shù)在達到1.76%時,表現(xiàn)出凝膠結(jié)構(gòu)和明顯的剪切變稀行為;將CNC按照不同添加量加入到煙草薄片片基中,添加量為0.6%(煙草薄片固含量計)時,感官評分最高,可以減輕卷煙的雜氣和刺激性,豐富卷煙的香味.