低共熔溶劑預(yù)處理制備豆渣纖維素納米纖絲的研究

李佩燚 簡(jiǎn)博星 李新平 雷鎬哲 王雨萌 劉鶴震 劉瑞巖

（陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安，710021）

纖維素納米纖絲（CNF）由于其具有輕質(zhì)、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性等獨(dú)特屬性[1]，已被研究應(yīng)用于造紙[2]、制藥[3]、涂層[4]、電子設(shè)備[5]和聚合物納米復(fù)合材料[6]等領(lǐng)域作為增強(qiáng)材料。目前，雖然CNF在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究已開(kāi)展較多，但對(duì)于更經(jīng)濟(jì)、更清潔的CNF產(chǎn)業(yè)化研究相對(duì)較少。Assis等人[7]研究表明，纖維原料類型是CNF 生產(chǎn)的主要因素，占總成本的60%以上。漂白硫酸鹽漿和溶解漿一般不含木質(zhì)素或含有少量半纖維素和木質(zhì)素，是生產(chǎn)CNF的主要原料[8]。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)廢棄物纖維可從稻草[9]、麥秸[10]、玉米芯[11]、甘蔗渣[12]、甜菜漿[13]等中提取，由于資源豐富、成本低、環(huán)境友好、可再生等特點(diǎn)，可作為生產(chǎn)CNF 的替代纖維原料。農(nóng)業(yè)廢料的應(yīng)用使低成本生產(chǎn)CNF成為可能。

目前，我國(guó)是世界上主要的大豆生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)家之一。豆渣是一種低成本的可再生資源。由于豆渣的熱量低、口感粗糙，大部分作為動(dòng)物飼料或直接丟棄，造成了資源的巨大浪費(fèi)和環(huán)境污染[14]。豆渣為薄壁組織，細(xì)胞壁較薄，微纖維間的結(jié)合力較弱[15]，其主要成分為膳食纖維（含量60%～70%），因此以豆渣為原料制備CNF 不僅可以提升豆渣的附加值利用，也可以拓寬CNF的原料種類。低共熔溶劑（DES）是一種液體混合物，由氫鍵受體（如季銨鹽、季鏻鹽）和氫鍵供體（如羧酸、醇、胺或碳水化合物）組成。DES溶劑的凝固點(diǎn)遠(yuǎn)低于合成單體物質(zhì)的熔點(diǎn)。與傳統(tǒng)的酸堿溶劑相比，低共熔溶劑具有生物相容性、環(huán)保、無(wú)毒、可再生、成本低等優(yōu)點(diǎn)[16]。利用低共熔溶劑制備豆渣CNF 是一種高效、方便、溫和的預(yù)處理方法，可以減少預(yù)處理過(guò)程中纖維素的損失，提取高純度纖維素。因此，本課題從經(jīng)濟(jì)環(huán)保的角度出發(fā)，合成了3 種DES，用價(jià)格更低廉的豆渣作為原料通過(guò)極為友好的反應(yīng)過(guò)程和成熟的高壓均質(zhì)法[17]制備CNF，并探討不同DES組成對(duì)豆渣纖維組分分離效果的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

豆渣取自黑龍江省某豆奶廠，脫水后閃蒸干燥。氯化膽堿、草酸、檸檬酸、氨基磺酸、尿素均為分析純。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

FD-1B-50 冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康儀器有限公司；DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，河南艾伯特科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司；FK13-SHBIIIG 循環(huán)水式多用真空泵，北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司；JA-2003 電子天平，上海精科儀器有限公司；Dmax2500/PC X 射線衍射儀，上海通譜檢測(cè)技術(shù)有限公司；Vertex70 傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)布魯克Bruker 公司；S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；GN-6000Y 高壓均質(zhì)機(jī)，上海谷寧儀器有限公司；GHL-200高速攪拌機(jī)，常州日翔干燥設(shè)備股份有限公司；1000 mL 溶劑過(guò)濾器，上海禾汽化工科技有限公司。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1低共熔溶劑的合成

以氯化膽堿、氨基磺酸為氫鍵受體，草酸、檸檬酸和尿素為氫鍵供體，根據(jù)圖1所示的合成路線，共合成了3 種DES。將稱量好的氯化膽堿與草酸以摩爾比1∶1、氯化膽堿與檸檬酸以摩爾比1∶3、氨基磺酸與尿素以摩爾比1∶3 分別混合至3 個(gè)100 mL 錐形瓶中，油浴加熱至80℃，磁力攪拌直至錐形瓶中的懸浮液變成均相透明液，得到氯化膽堿-草酸（ChCl-O）、氯化膽堿-檸檬酸（ChCl-C）、氨基磺酸-尿素（Sula-U）3種DES。

圖1 3種DES反應(yīng)方程式Fig.1 Reaction equations of three DES

1.3.2豆渣CNF的制備

將ChCl-O、ChCl-C、Sula-U的DES溶液，分別按照固液比1∶20 的比例加入豆渣至100 mL 錐形瓶中，隨后將ChCl-O 體系油浴加熱至100℃、ChCl-C 體系油浴加熱至160℃、Sula-U 體系油浴加熱至150℃。磁力攪拌40 min 至反應(yīng)結(jié)束，之后用水調(diào)整體系pH 至中性，制得DES 預(yù)處理豆渣，分別記為ChCl-O-1、ChCl-C-1、Sula-U-1。將DES 預(yù)處理豆渣經(jīng)高壓均質(zhì)處理，分別記為ChCl-O-2、ChCl-C-2、Sula-U-2。

1.4表征與分析

1.4.1豆渣組分分析

根據(jù)GB 5009.3—2010 及干燥索氏提取等方法測(cè)定樣品中的含水量；根據(jù)GB/T 14772—2008 及索氏提取等方法測(cè)定脂肪中各種蛋白質(zhì)元素的含量；根據(jù)NYT 2007—2011 和Dumas 采用燃燒法測(cè)定細(xì)樣品中脂肪蛋白質(zhì)的含量；根據(jù)GB 5009.4—2010 和燃燒法測(cè)定樣品中灰分的含量；根據(jù)GB/T 2677.10—1995和氯化鈉法測(cè)定樣品中綜纖維素的含量；根據(jù)GB/T 744.10—1989和氫氧化鈉法測(cè)定α-纖維素的含量；采用黏度法測(cè)定纖維素聚合度，其計(jì)算方法如式(1)所示。

式中，DP為豆渣纖維素的平均聚合度；[η]為溶液的特性黏度，mL/g。

1.4.2紅外光譜分析

使用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）檢測(cè)豆渣纖維中官能團(tuán)的變化。每個(gè)光譜代表在1 cm-1分辨率下記錄從500～4000 cm-1掃描40次的平均值。

1.4.3結(jié)晶指數(shù)分析

使用X射線衍射儀（XRD）分析豆渣的結(jié)構(gòu)和形貌，采用銅Kα 輻射(30 kV 和30 Ma)，2θ范圍從5°～40°，掃描速度1°/min。纖維素結(jié)晶指數(shù)計(jì)算見(jiàn)式(2)。

式中，CrI為纖維素結(jié)晶指數(shù)；I200為2θ=22.8°處的衍射峰強(qiáng)度，Iam為非結(jié)晶區(qū)2θ=18°處的衍射強(qiáng)度。

1.4.4形貌觀察

樣品經(jīng)冷凍干燥后粘貼在雙面碳導(dǎo)電膠帶上，噴金處理。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行CNF 形貌分析，加速電壓5 kV，工作距離為5 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1豆渣組分的分析

表1 為豆渣經(jīng)DES 預(yù)處理前后的組分和聚合度。由表1可知，經(jīng)DES預(yù)處理后，豆渣中的綜纖維素含量從70.64%提升至80.42%～95.81%，而ChCl-O-1 綜纖維素含量最高為95.81%，且α-纖維素含量高達(dá)92.60%，α-纖維素含量提升了47.19%，蛋白質(zhì)含量降低了98.85%，脂肪含量降低了89.29%。Sula-U-1的α-纖維素含量提升了18.63%，蛋白質(zhì)含量降低了40.26%，脂肪含量降低了63.44%。ChCl-C-1 的α-纖維素含量提升了18.57%，蛋白質(zhì)含量降低了36.79%，脂肪含量降低了42.86%。因此，ChCl-O-1 較好的去除了豆渣中的蛋白質(zhì)、脂肪等雜質(zhì)，而ChCl-C-1 和Sula-U-1 中綜纖維素含量雖然也有所提高，但是其純度均不高，仍含有一定的蛋白和脂肪等雜質(zhì)。

表1 DES預(yù)處理前后豆渣組分和聚合度Table 1 Composition and polymerization degree of okara before and after DES pretreatment

由于豆渣中的蛋白質(zhì)、脂肪和半纖維素在高溫條件下被去除，因此經(jīng)DES 預(yù)處理后，豆渣的得率降低。豆渣經(jīng)DES 預(yù)處理后和高壓均質(zhì)后其得率的變化見(jiàn)表2。由表2 可知，經(jīng)高壓均質(zhì)后的豆渣得率與DES預(yù)處理后豆渣得率基本沒(méi)有變化。

表2 DES預(yù)處理及高壓均質(zhì)后豆渣得率的變化Table 2 Changes of okara yield after DES pretreatment and high pressure homogenization %

DES預(yù)處理后的豆渣經(jīng)過(guò)高壓均質(zhì)處理后豆渣得率在98%以上，說(shuō)明高壓均質(zhì)前后豆渣纖維素質(zhì)量基本沒(méi)有損失。ChCl-C-1 和Sula-U-1，經(jīng)高壓均質(zhì)處理后，得率分別為27.22%和28.22%。ChCl-O-1 經(jīng)高壓均質(zhì)處理得到的豆渣CNF 得率為26.50%，略高于木材原料制備CNF 的得率20%～25%。木漿制備過(guò)程中，需要將木材蒸煮、漂白，不僅需要大量的化學(xué)藥品，其廢液處理也增加了污染負(fù)荷。而DES 預(yù)處理分離豆渣纖維素的工藝簡(jiǎn)便，可以直接從豆渣中一步分離出豆渣纖維素。其他非木材纖維原料蔗渣[18]、香蕉麥麩[19]制備CNF 的得率僅為20%、18%～22%左右。因此，相對(duì)于非木材纖維制備CNF 而言，ChCl-O 預(yù)處理豆渣制備的CNF得率較高。

2.2FT-IR分析

圖2 為不同DES 預(yù)處理豆渣纖維的FT-IR 圖。由圖2可知，經(jīng)不同DES體系預(yù)處理后，在3410 cm-1處位置，相對(duì)于豆渣原料，DES預(yù)處理后豆渣纖維吸收峰的峰值相對(duì)較寬，這說(shuō)明豆渣中纖維素與分子間的游離氫鍵O—H 伸縮振動(dòng)有所增強(qiáng)或減弱。由于DES溶劑預(yù)處理的作用，使豆渣中大量的非纖維素即蛋白質(zhì)、脂肪及少量木素、半纖維素發(fā)生不同程度的水解，更多的游離羥基暴露在外，因此，峰值逐漸向高頻方向移動(dòng)。在1045 cm-1位置處為C—O—C 伸縮振動(dòng)的吸收峰[20]，經(jīng)DES預(yù)處理后，該處位置振動(dòng)峰有明顯的減弱，推測(cè)是纖維素?cái)嗔焉捎坞x羥基，表明反應(yīng)后樣品中羥基含量較高。1595 cm-1處的吸收峰為蛋白質(zhì)酰胺II 帶的吸收峰，主要是N—H 鍵的外彎曲振動(dòng)和C—N 鍵的拉伸振動(dòng)。1747cm-1處的吸收峰歸屬于豆渣纖維中半纖維素的乙?；蛘咛侨┧狨セ鶊F(tuán)，該峰在經(jīng)過(guò)ChCl-O 處理后發(fā)生很大變化，而其他兩種溶劑處理后，在1747 cm-1處的吸收峰變化不明顯，說(shuō)明半纖維素更容易在ChCl-O 體系中降解，豆渣中纖維素的純度提高。

圖2 不同DES預(yù)處理豆渣纖維的FT-IR圖Fig.2 FT-IR spectra of okara fiber by different DES pretreatment

2.3XRD分析

圖3 為豆渣經(jīng)不同DES 預(yù)處理后的XRD 譜圖。在2θ=15.2°、22.8°處的位置出峰，這2 處出峰位置對(duì)應(yīng)于纖維素晶體的001 和002 晶面，表明了纖維素結(jié)晶區(qū)的特征結(jié)構(gòu)。

圖3 不同DES預(yù)處理豆渣纖維素的XRD譜圖Fig.3 X-ray diffraction patterns of okara cellulose prepared by different DES pretreatment

豆渣、不同DES 預(yù)處理豆渣纖維素的結(jié)晶度如表3 所示。3 種DES 溶劑均能夠使纖維素發(fā)生溶解，而在豆渣纖維素的快速溶解和結(jié)晶過(guò)程中，纖維素晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生任何變化，保持了纖維素晶體結(jié)構(gòu)的完整性，僅降低了纖維素的大分子鏈結(jié)構(gòu)，因此并不會(huì)改變纖維素的化學(xué)性質(zhì)[21]。豆渣的纖維素結(jié)晶度僅有12.30%，遠(yuǎn)低于3種DES預(yù)處理豆渣纖維素的結(jié)晶度。這主要是由于豆渣中非纖維區(qū)含有較多的脂肪、蛋白質(zhì)、果膠及半水溶性纖維素等所導(dǎo)致的。

表3 不同DES預(yù)處理前后豆渣纖維素的結(jié)晶度Table 3 Crystallinity of okara cellulose prepared by different DES pretreatment

豆渣屬于非木材，與常規(guī)的木材相比，豆渣纖維素的結(jié)合力相對(duì)較低，結(jié)合強(qiáng)度也不高。ChCl-O-1纖維素的結(jié)晶度為53.79%，Sula-U-1纖維素的結(jié)晶度為40.05%，ChCl-U-1 纖維素的結(jié)晶度為35.44%，均大于豆渣纖維素結(jié)晶度12.30%。這也表明在DES 預(yù)處理過(guò)程中能夠有效地去除豆渣的非結(jié)晶區(qū)，大大提高了結(jié)晶度，從而使無(wú)定形區(qū)的含量降低。從FT-IR以及XRD譜圖綜合分析可知，ChCl-O體系預(yù)處理效果較為理想，對(duì)豆渣纖維素的提取效果較好，有效地除去了其中的蛋白質(zhì)等物質(zhì)，形成了結(jié)晶度相對(duì)較高的產(chǎn)物。

2.4SEM分析

豆渣、不同DES 預(yù)處理后的豆渣以及經(jīng)高壓均質(zhì)處理后的豆渣的表面形貌如圖4 所示。由圖4(a)可知，豆渣為形狀不均一的塊狀結(jié)構(gòu)。由圖4(c)和圖4(d)可知，ChCl-C-1 和Sula-U-1 豆渣形態(tài)只是單純的被破壞，豆渣的細(xì)胞壁并未被解離，形成類似于薄膜的形態(tài)。由圖4(e)可知，ChCl-O-2呈細(xì)長(zhǎng)條的纖維結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)更加均勻，且纖維直徑保持在27～30 nm的范圍。由圖4(f)和圖4(g)可知，ChCl-C-2 和Sula-U-2 纖維直徑在0.1～0.5 μm左右，沒(méi)有達(dá)到納米級(jí)別，這可能是由于前期預(yù)處理時(shí)，蛋白質(zhì)和脂肪去除不完全，阻礙了后續(xù)纖維的微纖化分離。

圖4 豆渣預(yù)處理前后SEM圖Fig.4 SEM images of okara before and after pretreatment

3 結(jié)論

本研究采用混合加熱法制備了氯化膽堿-草酸（ChCl-O）、氯化膽堿-檸檬酸（ChCl-C）、氨基磺酸-尿素（Sula-U）3 種低共熔溶劑（DES），并對(duì)豆渣進(jìn)行預(yù)處理。結(jié)合高壓均質(zhì)機(jī)制備纖維素納米纖絲（CNF），并對(duì)比分析了3 種DES 對(duì)豆渣預(yù)處理效果的影響。

3.1ChCl-O、ChCl-C、Sula-U 3 種DES 體系均能提純豆渣纖維素，其中ChCl-O 體系預(yù)處理效果最好，可有效去除豆渣中的脂肪和蛋白質(zhì)，預(yù)處理后豆渣中綜纖維素含量為95.81%，α-纖維素高達(dá)92.60%。經(jīng)高壓均質(zhì)處理后，可以得到纖維直徑在27～30 nm 的豆渣CNF。

3.2Sula-U 和ChCl-C 預(yù)處理豆渣中由于蛋白質(zhì)和脂肪去除不完全，阻礙了纖維素的微纖化分離，因此經(jīng)同樣的高壓均質(zhì)條件處理后，纖維直徑未達(dá)到制備納米級(jí)纖維素的要求。