生物酶處理對(duì)制備秸稈聚乙烯醇復(fù)合膜的影響

趙 菲,徐衍鵬,丁 烽,李丕武

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)生物工程學(xué)院 生物基材料與綠色造紙國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250353

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),秸稈是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種重要天然生物質(zhì)原料。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是秸稈的主要成分,這使秸稈有著極高的利用價(jià)值[1]。但是目前,秸稈大多被當(dāng)作廢棄物燃燒、掩埋或者直接丟棄,造成了生物質(zhì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[2]。近年來,人們開始廣泛關(guān)注秸稈的高值化利用方法,為了提高生物質(zhì)資源的利用率,目前主要對(duì)秸稈實(shí)行了“五料化”利用,即肥料化、燃料化、飼料化、原料化和基料化[3]。綜合利用秸稈資源能夠促進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

目前,秸稈常與其他材料復(fù)配制備成復(fù)合材料。秸稈表面存在的蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部具有極性和親水性的氫鍵基團(tuán)使得秸稈與其他材料之間相容性差,不能很好結(jié)合[4]。為了解決這一問題,提高復(fù)合材料的性能,國(guó)內(nèi)外研究人員長(zhǎng)期以來通過不同的物理或化學(xué)方法進(jìn)行改性。劉旭冉等[5]利用固相力化學(xué)法制備的馬來酸酐酯化改性蘆葦秸稈提高了與聚乳酸的界面相容性。武衛(wèi)莉等[6]利用偶聯(lián)劑改性玉米秸稈并與廢膠粉進(jìn)行復(fù)配,明顯提高了改性秸稈復(fù)合材料的強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性。李國(guó)忠等[7]采用堿處理法和丙烯包覆法對(duì)秸稈纖維表面進(jìn)行改性,提高了秸稈的表面粗糙度,增強(qiáng)了材料間的界面黏結(jié)。采用物理化學(xué)方法進(jìn)行秸稈改性雖然能在一定程度上增強(qiáng)秸稈與其他材料的界面相容性,但往往由于改性過程中采用大量化學(xué)試劑,產(chǎn)生的廢液會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此,生物法作為溫和、綠色的改性方式開始受到人們的廣泛關(guān)注。周亞巍等[8]采用木聚糖酶處理西南樺木粉,經(jīng)處理后纖維材質(zhì)變軟,表面粗糙度增加致使與塑料分子的接觸面積增加,提升了復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度。梅長(zhǎng)彤等[9]使用單一內(nèi)切纖維素酶降低了秸稈的表面潤(rùn)濕性和表面活性,使得其與聚乙烯的界面相容性提高。上述研究表明,生物酶在秸稈等木質(zhì)纖維素改性方面開始發(fā)揮著日益重要的作用,經(jīng)酶改性后的秸稈可在一定程度增強(qiáng)與其他材料的相容性,提高秸稈的利用率。但是目前關(guān)于生物酶改性秸稈的研究大多集中于單一酶對(duì)秸稈的影響,對(duì)于復(fù)合酶改性秸稈的作用效果鮮有報(bào)道。

不同酶類在秸稈改性中對(duì)秸稈內(nèi)各組分的作用機(jī)制是實(shí)現(xiàn)生物改性的關(guān)鍵[10]。纖維素酶的作用機(jī)制目前廣泛認(rèn)為是內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶協(xié)同作用的結(jié)果。內(nèi)切葡聚糖酶在纖維素內(nèi)部任意水解β-1,4糖苷鍵;外切葡聚糖酶從非還原性端依次水解α-1,4糖苷鍵生成纖維二糖;產(chǎn)生的纖維二糖被β-葡萄糖苷酶分解為葡萄糖[11]。半纖維素降解酶系中降解半纖維素主鏈的木聚糖酶和β-木糖苷酶協(xié)同水解側(cè)鏈的α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、乙酰木聚糖酯酶、阿魏酸酯酶和α-葡萄糖醛酸酶完成對(duì)半纖維素的降解[12]。木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶被廣泛用于木質(zhì)素的降解,它們使木質(zhì)素發(fā)生側(cè)鏈氧化、脂肪族側(cè)鏈和芳香環(huán)斷裂、脫甲氧基和羧基,并使C—C鍵斷裂,達(dá)到水解木質(zhì)素的目的[13]。

在本實(shí)驗(yàn)中,使用不同復(fù)配酶系探索玉米秸稈最佳改性方案,增強(qiáng)其與其他材料的界面相容性。采用聚乙烯醇為基底,與玉米秸稈粉末共混制備復(fù)合膜,并對(duì)秸稈-聚乙烯醇復(fù)合膜進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試,為生物可降解材料的制備和秸稈的再利用提供了一種有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

秸稈:玉米秸稈由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供,秸稈主要組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氧化降解法進(jìn)行測(cè)定[14],結(jié)果如表1所示。纖維素酶:購(gòu)自上海源葉生物科技有限公司,酶活力120 U/g。纖維素酶、木聚糖酶:購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司,酶活力均為50 000 U/g。聚乙烯醇1799型:購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。醋酸、醋酸鈉、甘油、25%戊二醛水溶液:均為試劑純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

表1 秸稈主要組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 玉米秸稈的預(yù)處理

用秸稈粉碎機(jī)粉碎玉米秸稈,選擇經(jīng)過100目標(biāo)準(zhǔn)篩篩分后的粉末備用。稱取粉碎后的秸稈粉末1 g加入30 mL 20 g/L的NaOH溶液中,加熱至95 ℃煮制8 h,將煮制完成后的秸稈粉末用去離子水洗滌至中性,烘干備用。

1.3 秸稈的生物酶處理方法

烘干后的秸稈粉末加入50 mL pH 4.6的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中,分別加入等量的蒸餾水M1、漆酶木聚糖酶復(fù)合制劑M2、纖維素酶木聚糖酶復(fù)合制劑M3、漆酶纖維素酶復(fù)合制劑M4,50 ℃反應(yīng)16 h,備用。

1.4 秸稈聚乙烯醇復(fù)合膜的制備

將5 g聚乙烯醇加熱溶于50 mL去離子水制成聚乙烯醇溶液,分別加入上述幾類秸稈粉末酶解混合液,在90 ℃下反應(yīng)30 min,分別加入1 mL甘油和1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的戊二醛,繼續(xù)反應(yīng)60 min,制得膜液。將膜液倒在聚四氟乙烯板上進(jìn)行刮刀涂布,60 ℃烘干成膜,分別命名為M-1、M-2、M-3、M-4。

1.5 復(fù)合膜的表征

1.5.1 力學(xué)性能分析

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測(cè)定》[15]測(cè)試秸稈復(fù)合膜的力學(xué)性能。在常溫常壓下,將薄膜裁成10 mm×150 mm的長(zhǎng)條試樣,調(diào)整夾具,測(cè)試速度為5 mm/min[16]。每組樣品測(cè)試3次取均值。

1.5.2 表面親疏水性分析

根據(jù)GB/T 30693—2014《塑料薄膜與水接觸角的測(cè)量》[17]測(cè)試膜表面的潤(rùn)濕性。實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)克呂士 DSA 100全自動(dòng)接觸角測(cè)量?jī)x分析膜材料表面的親疏水性[18]。每組樣品測(cè)試3次取均值。

1.5.3 結(jié)晶度分析

使用D8-ADVANCE X-射線衍射儀測(cè)定復(fù)合膜的結(jié)晶度。掃描范圍5°～80°,波長(zhǎng)15.4 nm,電壓40 kV,掃描速度為3(°)/min[4]。

1.5.4 紅外光譜分析

使用布魯克ALPHA-Ⅱ傅里葉變換紅外光譜儀,對(duì)樣品進(jìn)行全反射進(jìn)行掃描,掃描范圍4 000～550 cm-1[9]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

本研究中的數(shù)據(jù)分析和制圖均使用OriginPro 2018處理,采用SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 秸稈復(fù)合膜的力學(xué)性能

圖1為不同生物酶處理的秸稈纖維聚乙烯醇復(fù)合膜的力學(xué)表征。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過漆酶和木聚糖酶處理的秸稈復(fù)合膜M-2拉伸強(qiáng)度達(dá)到2.9 MPa,相較于蒸餾水處理的復(fù)合膜M-1提高了55%,但斷裂伸長(zhǎng)率較低,僅為7.7%。如圖1A所示,與經(jīng)過復(fù)合酶處理相比,使用蒸餾水的復(fù)合膜M-1的強(qiáng)度為1.3 MPa,也明顯低于拉伸強(qiáng)度分別為1.5、1.8 MPa的M-3、M-4秸稈復(fù)合膜,差異性顯著(P<0.05)。這表明經(jīng)復(fù)合酶改性處理后,秸稈對(duì)于增強(qiáng)復(fù)合膜力學(xué)強(qiáng)度的效果顯著,歸因于經(jīng)復(fù)合酶改性后秸稈表面的木質(zhì)素和半纖維素出現(xiàn)了一定的降解,秸稈表面的粗糙度增加,增強(qiáng)了與聚乙烯醇的結(jié)合力[9]。如圖1B所示,斷裂伸長(zhǎng)率隨著拉伸強(qiáng)度的增加而出現(xiàn)下降趨勢(shì),最高為經(jīng)水處理的復(fù)合膜M-1,斷裂伸長(zhǎng)率為12.4%,與其余樣品的差異性顯著(P<0.05)?？赡苁抢w維素的剛性結(jié)構(gòu)限制了聚乙烯醇分子鏈的運(yùn)動(dòng)[16]。

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 秸稈復(fù)合膜表面的潤(rùn)濕性

膜表面的潤(rùn)濕性由靜態(tài)接觸角表示。當(dāng)接觸角越大時(shí),膜表面越疏水,越不容易潤(rùn)濕。由圖2可知,未經(jīng)酶處理改性的秸稈復(fù)合膜M-1的接觸角為38.7°,經(jīng)復(fù)合酶改性后秸稈復(fù)合膜的接觸角均出現(xiàn)大幅上升現(xiàn)象,表明酶處理對(duì)秸稈纖維聚乙烯醇復(fù)合膜的潤(rùn)濕性影響顯著(P<0.05)。其中,經(jīng)漆酶木聚糖酶復(fù)合制劑改性處理的復(fù)合膜M-2與經(jīng)漆酶纖維素酶復(fù)合制劑處理的復(fù)合膜M-4的接觸角分別增大至87.6°、87.3°,復(fù)合膜M-2與M-4差異性不顯著(P>0.05)。聚乙烯醇內(nèi)存在大量的羥基導(dǎo)致其在水中可迅速潤(rùn)脹溶解。經(jīng)過不同酶處理后秸稈表面極性降低,提高了與聚乙烯醇的界面相容性,羥基間形成了強(qiáng)烈的氫鍵,減少了游離羥基的含量,提高了膜的表面疏水性[9]。

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3 秸稈復(fù)合膜的結(jié)晶度

圖3為不同復(fù)合酶制劑處理后秸稈聚乙烯醇復(fù)合膜的XRD圖譜。如圖3所示,復(fù)合膜均在2θ=20.1°有尖銳的特征峰,但峰強(qiáng)度不同。在添加有漆酶處理的M-2、M-4復(fù)合膜的衍射峰強(qiáng)度明顯高于另外兩組復(fù)合膜。原因可能是聚乙烯醇分子內(nèi)含豐富的羥基,羥基間很容易形成強(qiáng)烈的氫鍵作用。經(jīng)漆酶處理后,秸稈粉末表面的木質(zhì)素發(fā)生一定的降解,使木聚糖酶以及纖維素酶更容易接近作用位點(diǎn),同時(shí)與聚乙烯醇間的氫鍵作用增強(qiáng),從而使膜內(nèi)各組分之間的連接更加緊密[19]。

圖3 不同酶處理的秸稈復(fù)合膜XRD圖譜

2.4 秸稈復(fù)合膜的紅外光譜分析

圖4為經(jīng)過不同酶制劑處理的秸稈復(fù)合膜的紅外衍射圖譜,用來表征改性前后復(fù)合膜的官能團(tuán)變化。3 330、2 960、1 570、1 430、1 335、1 040 cm-1分別歸因于—OH伸縮振動(dòng)、—CH2伸縮振動(dòng)、—NO2伸縮、O—H與C—H的伸縮振動(dòng)、O—H與C—H的搖擺振動(dòng)、—C—O的伸縮振動(dòng)。改性前后復(fù)合膜未出現(xiàn)新的官能團(tuán),說明秸稈與聚乙烯醇之間只是物理連接。經(jīng)過酶處理后的復(fù)合膜M-2、M-4的羥基峰減弱,說明游離的羥基減少,氫鍵作用增強(qiáng)[17]。

圖4 不同酶處理的秸稈復(fù)合膜紅外圖譜

3 結(jié) 論

通過不同的酶處理玉米秸稈粉末,制備得到了秸稈聚乙烯醇復(fù)合膜。并對(duì)復(fù)合膜的相關(guān)性能進(jìn)行了表征。漆酶和木聚糖酶共同處理的秸稈粉末與聚乙烯醇共混后得到的復(fù)合膜的力學(xué)性能最佳,拉伸強(qiáng)度達(dá)到了2.9 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率低于其他幾種酶處理的復(fù)合膜。改性后復(fù)合膜的表面疏水性和結(jié)晶度相對(duì)于未改性的秸稈聚乙烯醇復(fù)合膜均出現(xiàn)上升趨勢(shì)。通過紅外光譜分析,沒有出現(xiàn)新增的官能團(tuán),表明秸稈與聚乙烯醇之間的連接為氫鍵間的結(jié)合。通過本研究制備得到的秸稈聚乙烯醇復(fù)合膜在食品包裝領(lǐng)域有極大的利用價(jià)值。