探頭式超聲輔助堿性H2O2處理對蔗渣纖維素影響

王碩，李明星，陳鵬，張志明，魏琳，謝彩鋒，2

(1.廣西大學 輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004；2.蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530004)

甘蔗是廣西主要特色作物，蔗渣年產(chǎn)量達1.7×107～2.0×107t。目前，主要用作燃料、生產(chǎn)紙漿及復合材料等，綜合利用產(chǎn)值不高。近年來，利用蔗渣中纖維素制備可降解餐具/膜、水凝膠及吸附材料等研究已成為蔗渣高值化利用發(fā)展主要途徑[1-3]。蔗渣中纖維素與半纖維素緊密纏繞，并被木質素覆蓋包圍，可將其有效去除，以提高纖維素利用率[4-6]。

蔗渣處理方法中化學法因效率高而被廣泛應用，其中堿處理法條件溫和且對設備腐蝕作用小[7-8]。堿處理通過OH-削弱氫鍵，破壞醚鍵、皂化酯鍵，以去除半纖維素和木質素[9-10]。在堿性條件下，H2O2分解生成自由基，參與木質素、半纖維素降解，同時氧化纖維素末端還原基，抑制其水解作用，使纖維素得以保存[11]。徐超等[12]利用堿性H2O2溶液提取蔗渣纖維素，提取率為78.6%。王淋靚等[13]利用槽式超聲波輔助堿性H2O2溶液提取蔗渣纖維素，提取率為87.54%。當超聲波與介質相互作用時，空化泡崩潰會伴生強烈沖擊波[14-15]。這種沖擊下，反應溶液易滲透到蔗渣內部，半纖維素和木質素得以較好去除。超聲分槽式和探頭式。相比于槽式超聲，探頭式可直接作用于樣品，空化效果更明顯，機械強度更高[16]。

基于文獻報道，本文采用探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液來對蔗渣進行處理，探究蔗渣纖維素含量和結晶度變化，并對處理后蔗渣纖維形態(tài)和結構進行分析，系統(tǒng)研究探頭式超聲輔助堿性H2O2處理法去除蔗渣木質素與半纖維素和提高纖維含量的效果及對蔗渣微觀結構的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

蔗渣，南寧糖業(yè)有限公司； NaOH、鹽酸(質量分數(shù)36%～38%)、過氧化氫(H2O2，質量分數(shù)≥30%)均為分析純；D(+)-木糖(C5H10O5，質量分數(shù)為99.90%)、L(+)-阿拉伯糖(C32H29F3N4O4S2)、D-半乳糖(C6H12O6，質量分數(shù)≥98%)、D-甘露糖(C6H12O6，質量分數(shù)≥98%)、葡萄糖(C6H12O6，質量分數(shù)≥99.5%)均為標準品。

Phenom F16502型掃描電鏡；MiniFlex600型X射線衍射儀；TENSOR Ⅱ傅里葉變換紅外光譜儀；Avanue Ⅲ HD 400M核磁共振波譜儀；LC-6A高效液相色譜儀。

1.2 實驗過程

1.2.1 蔗渣預處理 首先將蔗渣曬干、粉碎、過80目篩；然后加入0.1 mol/L HCl溶液，液面沒過蔗渣表面，加熱1 h(去除蔗渣中酸溶性果膠)，抽濾烘干，待用。

1.2.2 探頭式超聲輔助堿性H2O2處理蔗渣 探頭式超聲輔助堿性H2O2處理蔗渣的最優(yōu)工藝條件為：稱取3.00 g處理后的蔗渣，加入質量分數(shù)為10%的NaOH溶液(該溶液中H2O2的質量分數(shù)為0.9%)[m(蔗渣)∶m(溶液)=1∶30]，使用細胞超聲粉碎機，在超聲功率200 W、超聲時間20 min、反應時間80 min、200 ℃條件下對蔗渣進行處理。反應結束后，取固體殘渣用蒸餾水洗滌至中性，并于105 ℃干燥24 h，然后將樣品研細，用塑料封口袋收集，編號，置于干燥器中保存。

1.3 測試和表征

1.3.1 掃描電鏡(SEM)分析[17]采用掃描電鏡對處理前后蔗渣的微觀形貌進行觀察。

1.3.2 X射線衍射(XRD)分析 采用X射線衍射儀分析處理前后蔗渣的結晶度和晶體結構變化。

1.3.3 紅外測試 采用傅里葉變換紅外光譜儀測試處理前后蔗渣的化學組成。

1.3.4 固體核磁測試 采用核磁共振波譜儀測試處理后蔗渣的化學結構變化。

1.3.5 高效液相色譜分析 采用高效液相色譜儀測試處理前后蔗渣中纖維素、半纖維素和木質素的含量。

2 結果與討論

2.1 NaOH質量分數(shù)對蔗渣纖維含量和結晶度的影響

在NaOH質量分數(shù)分別為4%，6%，8%，10%和12%，H2O2質量分數(shù)0.7%，反應時間70 min，反應溫度120 ℃，其他反應條件同1.2.2節(jié)時，由 圖1A 可知，當NaOH質量分數(shù)≤8%時，處理后蔗渣XRD譜圖與原蔗渣的類似，在20～22°只有一個高強度的衍射峰，表明此時蔗渣纖維素晶型仍保持Ⅰ晶型[18]；當NaOH質量分數(shù)≥10%時，在12°附近出現(xiàn)一個較小的纖維素衍射峰，且在20～22°之間出現(xiàn)兩個衍射峰，表明蔗渣纖維素晶型改變成Ⅱ晶型[19]，這可能是因為隨著堿液濃度的逐漸增大，蔗渣纖維素在堿處理的過程中，其水化鈉離子會進入結晶區(qū)，從而使纖維素潤脹。在處理完成后洗滌過程中，之前在晶體中的鈉離子逐漸擴散出來，而潤脹的纖維素鏈在重新結晶的過程中會傾向形成在熱力學上更加穩(wěn)定的纖維素Ⅱ晶型結構[20]。

圖1 NaOH質量分數(shù)對蔗渣纖維素晶型(A)、 結晶度和纖維素含量(B)的影響Fig.1 The effects of mass fraction of NaOH on crystalline structure(A)，crystallinity and cellulose content(B) of bagasse

由圖1B可知，當NaOH質量分數(shù)介于0～6%時，隨NaOH質量分數(shù)的增加，蔗渣纖維素結晶度快速增加，可能是因為蔗渣木質素和半纖維素是蔗渣中的非結晶成分，在超聲、NaOH及H2O2共同作用下，半纖維素與纖維素間范德華力減弱、氫鍵斷裂，木質素與半纖維素之間的醚鍵、酯鍵發(fā)生斷裂，木質素和半纖維素溶出、降解，NaOH質量分數(shù)越高，對木質素與半纖維素、半纖維素與纖維素間的破壞作用更強，則溶出降解的木質素和半纖維素數(shù)量越多，因此蔗渣非結晶區(qū)成分比例越少，其結晶度增大。但當NaOH質量分數(shù)增大至6%～10%時，纖維素結晶度隨著NaOH質量分數(shù)升高急劇下降；NaOH質量分數(shù)由10%增加至12%時，纖維素結晶度仍呈下降趨勢，但下降速度相對緩慢?？赡苁且驗镹aOH質量分數(shù)過大且反應溫度高，蔗渣中纖維素本身也發(fā)生溶脹，其晶體結構遭到破壞，導致纖維素的結晶度下降。

由圖1B可知，隨著NaOH質量分數(shù)逐漸增加，蔗渣纖維素含量一直呈增加趨勢。這可能是因為當NaOH質量分數(shù)增加時，去除的木質素和半纖維素數(shù)量更多，因此纖維素含量增加[21]。當NaOH溶液質量分數(shù)為10%時，纖維素含量已提高至90.1%，當NaOH溶液質量分數(shù)為12%時，纖維素含量為92.0%，增加不明顯。綜上所述，在保證纖維素結晶度較低的情況下，NaOH質量分數(shù)選擇10%。

2.2 H2O2質量分數(shù)對蔗渣纖維素含量和結晶度的影響

H2O2質量分數(shù)分別為 0.3%，0.5%，0.7%，0.9% 和1.1%，反應時間70 min，反應溫度120 ℃，其他反應條件同1.2.2節(jié)時，由圖2A可知，與原蔗渣相比，不同H2O2質量分數(shù)溶液處理后，蔗渣雖然纖維素晶型沒有明顯改變，但22°左右的衍射峰增強，表明H2O2溶液能增強纖維素暴露。

由圖2B可知，經(jīng)過堿性H2O2溶液處理，蔗渣纖維素結晶度呈先增加后下降再趨于穩(wěn)定趨勢，相比于原蔗渣，結晶度明顯增加。這是由于H2O2具有強氧化作用，在堿性條件下產(chǎn)生的含氧自由基(HO·)能使木質素的α-醚鍵斷裂，發(fā)生氧化反應，進而使木質素溶出，因此能有效去除蔗渣中木質素等非結晶組分，提高纖維素結晶度。當H2O2質量分數(shù)增加至0.7%時，纖維素結晶度達到最高，為80.67%。繼續(xù)增加H2O2質量分數(shù)，纖維素結晶度開始下降，這是因為當H2O2濃度過大時，部分結晶區(qū)纖維素結構會遭到破壞。當H2O2質量分數(shù)增加至0.9%～1.1%時，纖維素結晶度趨于穩(wěn)定，說明在一定范圍內，增加H2O2質量分數(shù)，有利于蔗渣中木質素與半纖維素去除，但當H2O2質量分數(shù)達到一定數(shù)值時，蔗渣中木質素和半纖維素的降解已達到極限，再繼續(xù)增大H2O2質量分數(shù)，對木質素與半纖維素去除作用不明顯。

由圖2B可知，與原蔗渣相比，經(jīng)探頭式超聲輔助堿性H2O2處理后蔗渣纖維素含量先明顯增加后趨于穩(wěn)定趨勢。當H2O2質量分數(shù)達到1.1%時，纖維素含量提高1.96倍，達到90.94%。這是由于HO·自由基催化氧化反應的進行，使木質素和半纖維素降解，從而提高了纖維素含量。綜上所述，在保證纖維素結晶度較低的情況下，H2O2質量分數(shù)選擇0.9%。

圖2 H2O2質量分數(shù)對蔗渣纖維素晶型(A)、 結晶度和纖維素含量(B)的影響Fig.2 The effects of mass fraction of H2O2 on crystalline structure(A)，crystallinity and cellulose content(B) of bagasse

2.3 反應時間對蔗渣纖維素含量和結晶度的影響

在反應時間分別為50，60，70，80，90 min，反應溫度120 ℃，其他反應條件同1.2.2節(jié)時，由圖3A可知，與原蔗渣相比，在不同處理時間下，蔗渣纖維素晶型沒有明顯改變，但是22°左右衍射峰增強。說明反應時間的適當增加，有利于木質素和半纖維素的降解，增加蔗渣中纖維素的試劑可及度。

由圖3B可知，隨著反應時間的不斷增加，蔗渣纖維素的結晶度呈先增加后下降趨勢，當反應時間為70 min時，蔗渣纖維素結晶度最高，為81.81%。開始反應時，隨著反應時間的延長，在探頭式超聲輔助堿性H2O2條件下，蔗渣中木質素和半纖維素發(fā)生降解，非結晶區(qū)成分比例越少，因此纖維素結晶度增加。當反應時間高于70 min時，纖維素結晶度開始下降，這是由于隨著反應時間的延長，纖維素表面晶體被破壞，從而導致纖維素結晶度下降。

由圖3B可知，蔗渣纖維素含量隨反應時間的增加呈先增加后下降的趨勢。反應時間為70 min時，蔗渣纖維素含量最高，為93.45%，說明此時半纖維素與木質素較充分降解。但是隨著反應時間的繼續(xù)增加，蔗渣纖維素易受到破壞，導致纖維素含量降低。綜上所述，在保證纖維素結晶度較低的情況下，反應時間選擇80 min。

圖3 反應時間對蔗渣纖維素晶型(A)、 結晶度和纖維素含量(B)的影響Fig.3 The effects of different reaction time on crystalline structure(A)，crystallinity and cellulose content(B) of bagasse

2.4 反應溫度對蔗渣纖維素含量和結晶度的影響

在反應溫度分別為80，100，120，160，200 ℃，其他反應條件同1.2.2節(jié)時，由圖4A可知，與原蔗渣相比，經(jīng)過高溫處理后，蔗渣纖維素在22°左右的衍射峰明顯變強，說明高溫可以促進木質素和半纖維素間化學鍵的斷裂，使蔗渣纖維素結構裸露。當溫度達到120 ℃時，34°左右的蔗渣纖維素衍射峰開始變明顯，此時蔗渣纖維素的晶型由Ⅰ晶型向Ⅱ晶型轉變。當反應溫度達200 ℃時，22°左右蔗渣纖維素衍射峰明顯降低，是由于溫度過高，纖維素結構受到破壞。

圖4 反應溫度對蔗渣纖維素晶型(A)、結晶度和 纖維素含量(B)的影響Fig.4 The effects of different reaction temperatures on crystalline structure(A)，crystallinity and cellulose content(B) of bagasse

由圖4B可知，隨著反應溫度的升高，蔗渣纖維素的結晶度呈先增加后下降趨勢，反應溫度為 160 ℃ 時，纖維素的結晶度最高，為81.14%。這是由于隨著反應溫度的升高，蔗渣中非結晶區(qū)域的羥基相互交錯發(fā)生“架橋現(xiàn)象”，導致其內部結構排列轉向結晶區(qū)發(fā)展，此時蔗渣半纖維素發(fā)生降解，使得纖維素的結晶度增加。當反應溫度超過160 ℃時，蔗渣纖維素分子鏈中的糖苷鍵被破壞，結晶度開始降低。

由圖4B可知，隨著反應溫度的升高，蔗渣纖維素含量呈先顯著增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，當反應溫度為200 ℃時蔗渣纖維素含量最高，為91.63%。這是因為在高溫水熱條件下，半纖維素中的醚鍵會發(fā)生斷裂，從而使半纖維素降解，同時在高溫堿性條件下木質素也會發(fā)生降解，打破了蔗渣中纖維素、半纖維素和木質素的致密結構，從而使蔗渣纖維素暴露出來，進而增加了蔗渣纖維素含量。綜合上述分析，在保證纖維素結晶度較低的情況下，反應溫度選擇200 ℃。

3 蔗渣的微觀結構和官能團表征

3.1 SEM分析

原蔗渣和處理后的蔗渣放大1 000倍的掃描電鏡結果見圖5。

圖5 原蔗渣(a)、處理后蔗渣(b)的掃描電鏡圖Fig.5 SEM photographs of bagasse(a)and treated bagasse(b)

由圖5可知，原蔗渣表面平滑，結構致密，孔隙少；處理后的蔗渣結構發(fā)生明顯變化，表面粗糙，出現(xiàn)很多深淺不一的溝壑，疏松多孔，呈現(xiàn)明顯的纖維條狀結構，表明處理后的蔗渣，包裹和纏繞在其表面的木質素與半纖維素已被有效降解，纖維素直接暴露出來，因此蔗渣纖維素的試劑可及度顯著增加。

3.2 蔗渣FTIR分析

由圖6可知，未處理蔗渣在1 602，1 513，1 459 cm-1處的吸收峰為木質素中芳香烴骨架的振動；處理后，這些吸收峰完全消失，表明探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液處理能有效減少蔗渣中木質素結構[22-23]。在1 734 cm-1處的吸收峰為半纖維素的特征峰，處理后發(fā)現(xiàn)該吸收峰消失，表明探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液處理能有效減少半纖維素含量[24]；處理后，666，897 cm-1處的纖維素特征峰吸收強度明顯增強；在1 048 cm-1和1 163 cm-1處的纖維素C—O鍵振動吸收峰和C—O—C鍵的不對稱伸縮振動峰仍保留或增強，說明探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液處理蔗渣，其纖維素含量會增加[25]。由此可知，探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液能使蔗渣木質素和半纖維素的衍射峰減弱甚至消失，而纖維素衍射峰都得以保留或增強。表明蔗渣木質素與半纖維素去除效果較好，纖維素組分直接暴露并被純化，有利于提高蔗渣中纖維素含量。

圖6 原蔗渣(a)和處理后蔗渣(b)的傅里葉紅外光譜圖Fig.6 The FTIR spectrograme of bagasse(a) and treated bagasse(b)

3.3 蔗渣固體核磁分析

由圖7可知，在光譜中，主信號出現(xiàn)在δ62～104之間的碳水化合物區(qū)域中，這主要分配給各種纖維素炭。δ104處的信號峰為蔗渣纖維素中C-1的化學位移，δ75處的信號峰為蔗渣纖維素中C-2，C-3和C-5的化學位移，δ62處的信號峰為蔗渣無定型纖維素中C-6的化學位移，δ88處的信號峰為蔗渣結晶纖維素中C-4的化學位移，δ83處的信號峰為蔗渣無定型纖維素中C-4的化學位移[26]。δ21和δ171處信號峰對應的是半纖維素的甲基和羧基，但在該圖譜中，在此位置卻未出現(xiàn)信號峰，說明處理后蔗渣中半纖維素去除較完全；δ120～160處信號峰代表的是木質素芳族炭，該圖譜中在此位置也未出現(xiàn)信號峰，說明蔗渣中木質素去除也較完全[27]。

圖7 探頭式超聲輔助堿性H2O2處理蔗渣的固體核磁圖Fig.7 Solid state 13C NMR spectra of bagasse treated by alkaline hydrogen peroxid assisted with probe ultrasound

3.4 探頭式超聲輔助堿性H2O2處理蔗渣纖維素、半纖維素和木質素含量分析

采用NaOH質量分數(shù)10%，H2O2質量分數(shù) 0.9%，反應時間80 min，反應溫度200 ℃，超聲功率200 W及超聲時間20 min對蔗渣進行處理，蔗渣中纖維素、半纖維素和木質素含量見表1。

表1 不同蔗渣纖維素、半纖維素和木質素含量Table 1 Contents of cellulose，hemicellulose and lignin in different bagasse

圖8為混合標準品(a)和探頭式超聲輔助堿性H2O2處理后蔗渣的酸解液(b)的高效液相色譜圖。

由圖8a可知，葡萄糖、木糖、半乳糖和阿拉伯糖的出峰時間分別為 15.782，16.914，18.013，19.517 min。其中葡萄糖屬于纖維素類，木糖、半乳糖和阿拉伯糖屬于半纖維素類。由圖8b可知，經(jīng)過探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液處理后，蔗渣酸解液的高效液相色譜圖僅出現(xiàn)纖維素與半纖維素的降解產(chǎn)物——葡萄糖(15.780 min)和木糖(16.951 min)的特征峰，且木糖特征峰很弱，沒有觀察到有木質素的特征峰，這可能是因為使用硫酸對蔗渣進行酸解處理時，絕大部分木質素與硫酸反應生成硫酸鹽木質素沉淀形成殘渣，只有極少量溶解在酸解液中，因此在高效液相色譜圖中沒有觀察到相應特征吸收峰。表明使用探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液處理蔗渣時，大部分半纖維素被去除，去除率達 70.77%，93.87%木質素被去除，甘蔗渣中纖維素純度很高，達到91.63%。

圖8 混合標準品(a)和探頭式超聲輔助堿性H2O2 處理蔗渣(b)的高效液相色譜圖Fig.8 High performance liquid chromatography of different kinds of standard (a)and bagasse treated by alkaline hydrogen peroxid assisted with probe ultrasound(b)

4 結論

用探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液處理蔗渣，纖維素含量與結晶度顯著增加，蔗渣表面疏松多孔，纖維素直接裸露，呈現(xiàn)明顯纖維條狀結構；木質素和半纖維素衍射峰吸收強度和固體核磁信號峰明顯減弱甚至消失，纖維素的特征衍射峰吸收強度和固體核磁信號峰明顯增強或得以很好保留，表明處理后蔗渣中木質素和半纖維素發(fā)生降解，纖維素含量明顯升高，纖維素的試劑可及度提高，這對提高蔗渣纖維素利用率非常有利。因此，認為探頭式超聲輔助堿性H2O2溶液處理是一種去除蔗渣木質素與半纖維素的有效方法，為高效利用蔗渣中纖維素提供可能途徑。