蔗渣大分子半纖維素和納米纖維素的一體式全制備

熊海平 龍 宇 江仕鵬 李康昊 項舟洋 宋 濤

（華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640）

半纖維素與納米纖維素可應用于紙張性能的改善、分散劑、膜材料[1-3]、水凝膠[4]等領(lǐng)域，高效、清潔、經(jīng)濟地將二者從植物細胞壁中分離出來是其應用的第一步也是最關(guān)鍵的一步，同時保持較大程度的結(jié)構(gòu)完整性對其在高值化材料方面的應用十分重要[5-7]。然而當前分離半纖維素或納米纖維素的方法大都是以“犧牲”其中一個組分為代價而分離出另一個組分，極大地浪費了植物原材料中很大部分的應用價值，也導致二者后續(xù)功能化應用受限乃至高附加值材料的損失。一方面，為了獲得較高純度的纖維素來制備納米纖維素，半纖維素需要通過較大程度的降解并從原材料中大量移除才能得以實現(xiàn)。另一方面，如果專注于從植物纖維中分離結(jié)構(gòu)相對完整的半纖維素，則需要采取較為溫和的分離方法，但這樣會導致剩余纖維素原材料中含有大量半纖維素和木質(zhì)素等“雜質(zhì)”，進而會對隨后制備納米纖維素的過程及其最終產(chǎn)品性能產(chǎn)生一定的影響，而若直接將纖維素殘渣丟棄，則導致材料的浪費和對環(huán)境的破壞。

研究表明，堿液具有溶脹纖維素、斷裂纖維素與半纖維素間氫鍵和破壞半纖維素與木質(zhì)素間酯鍵的作用，可在較小程度破壞半纖維素原始結(jié)構(gòu)的前提下，有效溶解半纖維素[8]。生物質(zhì)的堿液預處理，也有利于后續(xù)的堿性制漿，可以有效降低成本，在木材制漿前，用堿處理在中等溫度提取半纖維素是一種基礎(chǔ)有效的方法[9]。堿試劑如氫氧化鈉（NaOH）、氫氧化鉀（KOH）、氫氧化鈣（Ca(OH)2）和氫氧化鋇（Ba(OH)2）等都可以用于半纖維素的提取。研究發(fā)現(xiàn)，NaOH和KOH對半纖維素具有更好的抽提效果[10]。基于此，本研究以蔗渣為原料，以NaOH溶液為預處理溶劑提取大分子半纖維素組分，并將抽提后的殘渣采用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）氧化法制備納米纖維素。通過上述研究，在基于高得率提取大分子半纖維素的前提下，探明堿性預處理條件對半纖維素結(jié)構(gòu)解聚以及對后續(xù)納米纖維素制備和性能的影響機制，這對于實現(xiàn)木質(zhì)纖維素全面高值化綜合利用具有十分重要的指導意義和科學意義。

1 實 驗

1.1 實驗原料及設(shè)備

1.1.1 實驗原料

蔗渣，廣西某制糖廠提供，篩選后保留40～60目組分，用體積分數(shù)95%乙醇進行索式抽提5 h后放置105℃烘箱中，干燥后得到絕干蔗渣備用（含半纖維素24.2%、木質(zhì)素21%）[11]。氫氧化鈉（純度95%）、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO，純度98%）、溴化鈉（純度99%）、硫酸（質(zhì)量分數(shù)72%）、次氯酸鈉溶液（質(zhì)量分數(shù)80%），藥品均為分析純，購自上海麥克林股份有限公司；鹽酸購自華南理工大學實驗室藥品管制平臺；無水乙醇購自上海泰坦科技股份有限公司。

1.1.2 實驗儀器及設(shè)備

離子色譜儀器（DIONEX ICS-5000DC，美國ThermoFisher Scientific公司）；原子力顯微鏡（AFM，PicoForce，美國Veeco公司）；臺式離心機（Allegra X-30，美國Beckman Coulter公司）；磁力攪拌器（MR Hei-Tec，德國Heidolph Instruments GmbH&Co.KG公司）；紫外可見分光光度計（UV6100，上海元析儀器有限公司）；超聲波細胞粉碎機（JY99-2DN，寧波新芝生物科技股份有限公司）；電熱鼓風干燥箱（DHG-9140A，上海一恒科學儀器有限公司）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（Hei-VAP Value Digital，德國Heidolph Iin?struments GmbH&Co.KG公司）；冷凍干燥機（FDU-2110，日本TOKYO RIKAKIKAI公司）；pH計（FiveGo F2，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；高壓液相色譜儀（Q500，美國TA儀器）。

1.2 實驗方法

1.2.1 半纖維素提取與TOCN的制備

半纖維素的制備是根據(jù)Chadni等人[12]的方法，并進行適當?shù)男薷?。乙醇處理后的絕干蔗渣與NaOH溶液以固液比1∶12混合進行半纖維素的提取，具體反應條件如表1所示。反應結(jié)束后用布氏漏斗進行固液分離，其中濾液部分先用濃鹽酸將pH值調(diào)節(jié)到5.5～6.0，然后將其加入到3倍體積的乙醇中得到半纖維素沉淀物，離心分離后，再用70%乙醇連續(xù)洗滌3次，冷凍干燥后獲得半纖維素（HC）固體。

表1 反應條件及產(chǎn)品編號Table 1 Reaction conditions and product code

濾液分離后剩余的固相部分采用Akira Isogai等人[13]的方法，經(jīng)過適當修改后制備納米纖維素。首先將TEMPO等藥品溶解，與分散的纖維漿液混合，逐漸滴入次氯酸鈉溶液，并在整個反應過程中控制溶液pH值10.0～10.5，直至漿液pH值不再變化。將反應后的漿液倒入砂芯抽濾漏斗中進行抽濾分離出濾渣，然后向濾渣中加入去離子水再次通過離心進行洗滌，最后獲得TEMPO氧化纖維素納米晶體（TOCN）。制備流程圖如圖1所示。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Flow chart of the experiment

1.2.2 半纖維素得率與木質(zhì)素含量測定

半纖維素得率與木質(zhì)素含量按照國家標準GB/T 35818—2018測定。木質(zhì)素含量由酸溶木質(zhì)素與酸不溶木質(zhì)素2部分組成，取水解液將其稀釋至0.1～10 mg/kg，通過0.22μm的濾網(wǎng)過濾后制成糖分分析樣品，用離子色譜儀對其進行檢測分析。半纖維素的得率為所測得半纖維素各單糖總質(zhì)量（木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸）與絕干蔗渣原材料質(zhì)量的比值。

1.2.3 半纖維素分子質(zhì)量測定

采用高效液相色譜對半纖維素的分子質(zhì)量進行測定[14]。

1.2.4 納米纖維素形貌表征

取一定量TEMPO氧化后得到的TOCN懸浮液，稀釋至合適濃度后，用細胞粉碎儀均質(zhì)1 min使其分散均勻。用試管取出滴在潔凈平整的云母片上，讓其自然干燥，然后使用AFM對TOCN的表面形貌進行表征[15]。

1.2.5 X射線衍射（XRD）測試

將適量的TOCN懸浮液進行冷凍干燥，將干燥后的樣品壓制成規(guī)格小于2×2 cm2的方形小塊進行XRD測試，掃描范圍5°～60°，通過其XRD曲線分析不同實驗組獲得的TOCN的晶型變化，通過式(1)計算出結(jié)晶度。

式中，CrI為結(jié)晶度指數(shù)；I002為002晶面衍射強度的最大值；Iam為2θ=18.0°的衍射強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 半纖維素中木質(zhì)素含量分析

表2為不同堿性條件處理后半纖維素中的木質(zhì)素含量。由表2可知，堿抽提得到的半纖維素固體中含有12%～17%的木質(zhì)素（約占原料中木質(zhì)素的5%～14%），其隨著堿濃的變化未發(fā)現(xiàn)明顯的變化趨勢，這可能是由于當NaOH質(zhì)量分數(shù)增加時，NaOH溶液對半纖維素和木質(zhì)素溶解能力的變化趨勢具有差異性。而隨著反應時間的延長，半纖維素中木質(zhì)素的含量增加，這可能是因為隨著反應時間的延長，被溶解出來的半纖維素發(fā)生降解，因此部分被降解的半纖維素未被沉淀出來，而更多的木質(zhì)素隨著反應時間的延長被NaOH溶液溶解，再隨著半纖維素沉淀出來，從而造成半纖維素中木質(zhì)素含量的增加。

表2 不同堿性條件處理后半纖維素中木質(zhì)素含量Table 2 Lignin content in hemicellulose after treatments under different alkaline conditions %

2.2 半纖維素得率和分子質(zhì)量

半纖維素得率反應了不同堿性條件對蔗渣中半纖維素的提取能力，本研究主要控制NaOH質(zhì)量分數(shù)和提取時間來研究半纖維素得率的差異，結(jié)果如圖2所示?？傮w而言，半纖維素得率與提取時間和NaOH質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān)，但這種關(guān)系會隨提取時間和NaOH質(zhì)量分數(shù)的增加而發(fā)生變化。由圖2可知，提取時間的增加有效增加了半纖維素得率，尤其從1 h增加到3 h后，在不同NaOH質(zhì)量分數(shù)下半纖維素得率平均增加了10.8%。這表明在本實驗條件下，較短的提取時間無法使NaOH溶液充分浸潤到蔗渣中，半纖維素無法完全從蔗渣中溶出。當提取時間增加到3 h，雖然半纖維素的整體得率均出現(xiàn)明顯幅度的增加，但隨NaOH質(zhì)量分數(shù)增加，半纖維素得率變化曲線未出現(xiàn)明顯的拐點，這表明蔗渣浸潤仍不完全，需進一步延長反應時間。當反應時間延長至5 h，在NaOH質(zhì)量分數(shù)為10%時出現(xiàn)明顯的拐點，之后變化趨于平衡，且相比3 h，在NaOH質(zhì)量分數(shù)15%～20%時，半纖維素得率平均增幅僅為3.7%，說明此時蔗渣的浸漬和潤脹已趨于飽和。由圖2(c)可以看出，在反應5 h后，半纖維素平均分子質(zhì)量一直保持在約50 kDa的水平，這也從另一方面說明5 h的反應時間能夠充分使NaOH溶液浸漬到蔗渣中，將具有一定分子質(zhì)量的半纖維素有效并選擇性地提取出來。

此外，相同的提取時間內(nèi)，NaOH質(zhì)量分數(shù)的增加十分明顯地提高了半纖維素得率，反應時間為5 h且NaOH質(zhì)量分數(shù)為20%的條件下，得率達17.7%，相當于蔗渣中73.1%的半纖維素被提取出來。當NaOH質(zhì)量分數(shù)從4%增加到7%時，半纖維素得率在反應1、3和5 h后分別急劇增加了39.7%、46.4%和41.8%。然而隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)增加，得率的變化相對緩慢。造成上述現(xiàn)象的一個重要原因是高濃度的NaOH溶液容易將部分半纖維素降解為低聚糖，從而無法使之在乙醇溶液中沉淀出來，因此導致得率增長緩慢。通過對半纖維素分子質(zhì)量的分析可以一定程度上支持上述論證，如圖2(a)和圖2(b)所示，經(jīng)過1和3 h的堿處理后，NaOH質(zhì)量分數(shù)低（4%和7%）的半纖維素平均分子質(zhì)量出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，這是因為在較短時間（1 h）和較低NaOH質(zhì)量分數(shù)（4%）下，NaOH溶液難以有效地滲入到蔗渣纖維中，因此，小分子的半纖維素容易最先從細胞壁中析出，且量較少，導致其平均分子質(zhì)量較低。隨著時間和濃度增加，更多堿液有效地滲入到細胞壁中，部分具有較大分子質(zhì)量的半纖維素開始析出[16-17]，從而增加了所得半纖維素的平均分子質(zhì)量。但是，NaOH質(zhì)量分數(shù)的進一步提高（高于7%），促進了部分大分子半纖維素發(fā)生了降解，因此，分子質(zhì)量開始下降，并最終穩(wěn)定在約50 kDa的水平。

圖2 不同反應時間下半纖維素得率與分子質(zhì)量隨堿濃的變化Fig.2 Changes of hemicellulose yield and M w with different NaOH concentration and reaction time

綜上分析，當需要提高半纖維素得率并保持較高分子質(zhì)量，且同時考慮時間成本以及對后續(xù)納米纖維素制備的影響時，將反應時間控制在3 h并適量增加NaOH質(zhì)量分數(shù)是較好的方案。

2.3 納米纖維素形貌特征分析

本研究采用AFM對TOCN形貌和尺寸進行了分析，并比較了低濃NaOH溶液預處理蔗渣后所得殘渣制備TOCN在其形態(tài)特征方面的差異性，如圖3所示，對應的TOCN長度和直徑見表3。由圖3和表3可以看出，TOCN的長度及直徑隨著預處理NaOH質(zhì)量分數(shù)和時間的增加逐漸減小。這是因為不同處理條件對纖維素結(jié)晶區(qū)的潤脹能力不同，導致后續(xù)的TEM?PO法對殘渣氧化程度不同。同時發(fā)現(xiàn)，當預處理NaOH質(zhì)量分數(shù)4%、反應時間5 h時，TOCN 4-5長度較長且仍出現(xiàn)一定程度的交纏；而當NaOH質(zhì)量分數(shù)增加至7%，反應時間3 h以上時，TOCN 7-3長度較短且均勻分散。由此可知，預處理所用NaOH質(zhì)量分數(shù)對于TOCN長度和分散性的影響遠大于預處理時間對它的影響。特別值得注意的是，這些分散較好的TOCN呈現(xiàn)一種棒狀形態(tài)，而這種TOCN在很多報道中也被稱為纖維素納米晶體（Cellulose Nanocrystal，CNC）[18-19]。這說明以經(jīng)過一定堿預處理后的纖維為原料，采用TEMPO氧化的方法可以制備出具有較好尺寸的CNC，相對于使用TEMPO法氧化纖維原料并加以機械輔助只能制備出纖維素納米纖絲（CNF）來說[20]，這是一個很重要的發(fā)現(xiàn)。

表3 低堿濃制備TOCN長度與直徑統(tǒng)計Table 3 Statistics of length and diameter of TOCN by low alkali concentrition nm

圖3 低堿濃制備TOCN的AFM圖與直徑分布圖Fig.3 AFM images and diameter distribution of TOCN by low alkali concentrition

為進一步研究堿預處理蔗渣對后續(xù)納米纖維素制備的影響情況，同時兼顧大分子半纖維素的結(jié)構(gòu)完整和得率的平衡，本研究對使用高濃度NaOH溶液（質(zhì)量分數(shù)10%～20%）經(jīng)過3 h預處理后制備出的TOCN進行了形貌觀察，如圖4所示，其長度和直徑統(tǒng)計見表4。隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)的增加，TOCN的尺寸，尤其長度進一步減小，且都呈現(xiàn)出棒狀的CNC形態(tài)并仍具有非常好的分散性，而當NaOH質(zhì)量分數(shù)達18%后，其長度幾乎不再變化且分散十分均勻。此外，當NaOH質(zhì)量分數(shù)為20%時，反應3 h TOCN 20-3的AFM圖中出現(xiàn)了一些細小纖維，而在相同質(zhì)量分數(shù)下反應5 h TOCN 20-5的AFM圖中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。這些細小纖維可能是纖維在高濃堿性條件和長時間反應下發(fā)生剝皮反應后形成的細小纖維顆粒，但也有可能是部分纖維素在NaOH質(zhì)量分數(shù)高于18%條件下發(fā)生了絲光化反應，導致其晶型發(fā)生轉(zhuǎn)化，致使其納米化后的形貌發(fā)生了變化[21]。

表4 高堿濃制備TOCN長度與直徑統(tǒng)計Table 4 Statistics of length and diameter of TOCN by high alkali concentrition nm

圖4 高堿濃制備TOCN的AFM圖與直徑分布圖Fig.4 AFM images and diameter distribution of TOCN by high alkali concentrition

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，低濃堿液（NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)4%和7%）處理后的TOCN AFM圖（圖3）中存在一些結(jié)塊狀物質(zhì)，結(jié)合該條件下半纖維素得率較低的情況，這極有可能是殘留在纖維素殘渣中的半纖維素，其在干燥過程中聚集成團。在TOCN的制備過程中，半纖維素的纏繞減少了試劑與纖維素的接觸，降低了試劑對纖維素的氧化，從而導致納米纖維素的尺寸相對較大，分散性相對降低。因此，若需要提高納米纖維素的質(zhì)量，則應盡可能提高蔗渣中半纖維素得率，減少半纖維素對后續(xù)納米纖維素制備的影響。

綜上，經(jīng)過NaOH預處理蔗渣，不但能夠較高得率地得到大分子半纖維素，同時也有利于剩余纖維殘渣與TEMPO氧化體系中的試劑進行反應，在不需要額外機械的輔助下，制備出具有較小納米尺寸的TOCN。與常規(guī)的TEMPO氧化結(jié)合超聲或均質(zhì)機處理相比[22-23]，本研究免除了機械能的損耗，大大降低了TOCN的制備成本，也為CNC的制備提供了一種新型方案。

2.4 XRD分析

纖維素屬于同質(zhì)多晶高分子物質(zhì)，天然纖維素具有I型纖維素結(jié)構(gòu)，但天然纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)會在部分化學或物理預處理過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)出不同的晶體形態(tài)。圖5為本研究中不同TOCN的XRD圖。

由圖5可知，反應時間1 h、質(zhì)量分數(shù)4%～12%的NaOH溶液預處理后制得的TOCN與天然纖維素具有相同的衍射特征峰，均屬于天然纖維素I晶型結(jié)構(gòu)。當NaOH質(zhì)量分數(shù)升至15%～20%時，衍射角2θ在12.0°、21.1°處出現(xiàn)了新的特征峰，屬于纖維素II晶型結(jié)構(gòu)的特征峰[24]，說明NaOH質(zhì)量分數(shù)高于15%可以在預處理蔗渣1 h后使纖維素晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變。此外，當NaOH質(zhì)量分數(shù)為4%時，而預處理時間延長至3～5 h，衍射角2θ為12.0°處就已經(jīng)開始出現(xiàn)新的特征峰，說明此時纖維素已經(jīng)開始出現(xiàn)晶型的轉(zhuǎn)變，并隨著NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)的增高而增強。根據(jù)Gupta等人[25]的研究，當堿處理時間為2 h，NaOH質(zhì)量分數(shù)15%時，纖維素晶型開始轉(zhuǎn)變。而通過本研究發(fā)現(xiàn)，即便是在較低的NaOH質(zhì)量分數(shù)下，延長預處理時間也會導致納米纖維素晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變。由于TEMPO氧化過程不會改變纖維素晶型，由此可知，預處理所用NaOH質(zhì)量分數(shù)的增加是導致纖維素晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變的主要原因，且隨著預處理時間的延長，其發(fā)生轉(zhuǎn)變所需的NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)降低。經(jīng)計算蔗渣的結(jié)晶度為54.29%。不同反應條件下TOCN結(jié)晶度見表5。由表5可知，當堿預處理時間為1 h時，隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)的增加，TOCN的結(jié)晶度呈先升高后下降的趨勢，并在NaOH質(zhì)量分數(shù)15%時達到了最高，為69.79%。結(jié)晶度的提高是因為纖維素非結(jié)晶區(qū)被破壞，結(jié)晶區(qū)保留，從而提高了納米纖維素的結(jié)晶度。然而，當NaOH質(zhì)量分數(shù)達到18%后，纖維素的結(jié)晶度顯著降低，有研究表明，由于預處理過程中纖維素溶解再生，由I型纖維素轉(zhuǎn)變成II型纖維素，使結(jié)晶度大大降低[24]。而從晶型的分析中所知，隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)的增加，纖維素的晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變，I型纖維素占比逐漸降低，所以，這種結(jié)晶度的改變可能是由晶型的轉(zhuǎn)變引起的。此外，隨著預處理時間延長至3 h和5 h，總體來看即使是在較低的NaOH質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi)，納米纖維素的結(jié)晶度也隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)增加而顯著降低，且基本上均低于蔗渣結(jié)晶度。除了晶型的轉(zhuǎn)變，還可能是因為NaOH溶液在足夠長的時間里使纖維素充分潤脹，導致纖維素的非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)均被破壞，從而導致結(jié)晶度降低[26]。

圖5 TOCN的XRD曲線Fig.5 XRD curves of TOCN

表5 不同反應條件下TOCN結(jié)晶度Table 5 Crystallinity of TOCN with different reaction conditions %

3 結(jié) 論

以蔗渣為原料并以NaOH為抽提溶劑，在35℃下提取出大分子半纖維素后，將抽提后的纖維素殘渣通過TEMPO氧化法制備TEMPO氧化纖維素納米晶體（TOCN），從而實現(xiàn)了蔗渣中木質(zhì)纖維素多糖組分的一體式制備。

3.1 蔗渣經(jīng)過質(zhì)量分數(shù)為4%～20%的NaOH溶液預處理后，獲得平均分子質(zhì)量為40～60 kDa的大分子半纖維素；半纖維素得率較高（33.5%～73.1%，基于原材料中半纖維素）且與NaOH質(zhì)量分數(shù)和反應時間成正相關(guān)，但是當反應時間大于3 h后，其隨時間的變化趨于平緩。

3.2 TOCN的形貌和晶型受預處理NaOH質(zhì)量分數(shù)和時間影響：NaOH質(zhì)量分數(shù)對于TOCN形貌的影響遠大于預處理時間的影響，當預處理所用NaOH質(zhì)量分數(shù)低于7%，所得到的TOCN是互相纏繞的纖絲狀CNF，長度2μm以內(nèi)，直徑在30 nm以內(nèi)；當NaOH質(zhì)量分數(shù)達到7%且反應時間達3 h后，繼續(xù)增加NaOH質(zhì)量分數(shù)或反應時間制得的是棒狀的CNC，且長度在1μm以內(nèi)，直徑集中分布在20 nm以內(nèi)。相對于使用TEMPO法氧化纖維原料后加以機械輔助只能制備出CNF來說，這是一個很重要的發(fā)現(xiàn)。

3.3 使用高濃度的NaOH預處理蔗渣明顯導致了TOCN晶型的轉(zhuǎn)變，但預處理時間的延長，也會使TOCN的晶型在低濃度NaOH預處理后發(fā)生轉(zhuǎn)變。