酸水解和酶水解对纤维形态结构的影响研究

杜敏 李新平 王志杰

摘 要：分别采用盐酸和纤维素酶对漂白针叶木浆进行水解，制得酸水解纤维素和酶水解纤维素，通过分析比较水解后纤维素在聚合度、粒径、微观形态以及理化性能上的区别，研究这两种方法制备的纤维素在形态、结构、性能上的差异。结果表明，漂白针叶木浆经盐酸在高温下水解1 h，纤维素聚合度下降到200左右，纤维平均长度下降到0.1～0.2 mm，经机械粉碎后呈椭圆形颗粒状，平均粒径27.49 μm；漂白针叶木浆经纤维素酶水解24 h后，纤维素聚合度降低到700左右，纤维平均长度也下降到0.1～0.2 mm，经机械粉碎后呈棒状颗粒，平均粒径38.77 μm。酸水解纤维素较酶水解纤维素具有较大的表观密度、持水力以及较好的流动性。

关键词：酸水解纤维素；酶水解纤维素；聚合度；粒径；形态

中图分类号：TQ353.1

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.01.002

微晶纤维素（Microcrystalline cellulose， MCC）是由植物纤维原料水解至聚合度15～375后再经干燥、粉碎得到的功能化纤维素产品，其主要结构以β1，4葡萄糖苷键连接而成的直链多糖[13]。微晶纤维素一般呈短棒或粉末状，其颗粒大小为20～80 μm，不具纤维性而流动性极强，不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂，在稀碱溶液中能够部分溶解、润胀，在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中具有较高的反应活性[17]，因此，被广泛应用于食品[1，6]、医药[89]、制革[7]、复合材料[1011]等领域。

微晶纤维素通常采用稀酸水解的方法制备[59]，除此以外，也有采用物理法[12]、酶水解法[13]以及酸水解和酶水解相结合的方法[14]制备。虽然纤维素的酶水解较酸水解具有工艺条件温和、无污染等特点[13]，但利用酶水解制备微晶纤维素方面的研究和应用非常有限。纤维素在纤维素酶作用下的水解和其在稀酸（盐酸或硫酸）作用下的多相水解颇为相似，两者分别是在纤维素酶或H+的催化作用下使纤维素大分子上的连接键β1，4糖苷键发生断裂，产生水解纤维素，水解后纤维素仍保持它原有的分子结构，只是聚合度发生改变[15]。但相似的水解机理并不一定会产生相似的作用效果，因为作为蛋白质的酶分子和盐酸/硫酸分子在结构和性能上存在很大的差异，再加上纤维本身结构的复杂性，使得酶水解和酸水解对纤维结构和性能产生不同的影响。本实验主要对漂白针叶木浆经纤维素酶水解和稀酸水解后的纤维素形态、理化性能进行研究，为酶水解法制备微晶纤维素的研究提供理论参考。

1 实 验

1.1 原料和药品

（1）纤维原料：漂白针叶木浆板，加拿大金虹鱼牌。

（2）酶：复合纤维素酶，商品名Celluclast1.5L，自黑曲霉（Aspergillus niger）中提取，购自sigma公司，其滤纸酶活为94 FPU/mL，CMC酶活为51 U/mL。

1.2 实验方法

1.2.1 酸水解纤维素

漂白针叶木浆板浸泡6 h后，经标准浆样疏解机（SE003，瑞典L&W公司）疏解10 min，挤干水分，加入浓度6%的盐酸溶液，控制液比为1∶15（g∶mL），在90℃恒温振荡水浴（HHZ，北京科伟永兴有限公司）中水解一定时间。水解结束后用布氏漏斗抽滤，用蒸馏水反复洗涤至中性，即得到酸水解纤维素。

1.2.2 酶水解纤维素

漂白针叶木浆板浸泡6 h后，经标准浆样疏解机疏解10 min，挤干水分，用pH值4.8的柠檬酸缓冲溶液调整浆浓为3.0%，加入酶活为20 FPU/g（绝干纤维）的经稀释的纤维素酶，在50℃恒温振荡水浴中水解一定时间。水解结束后沸水浴灭活5 min，然后用布氏漏斗抽虑，用蒸馏水反复洗涤至中性，即得到酶水解纤维素。

1.3 水解纤维素的测定与表征

1.3.1 得率测定

收集全部水解纤维素，称重，在密封袋里平衡水分24 h后，测定其水分含量，水解后纤维素得率Y计算见式（1）。

Y=[SX（]m1[]m0[SX）]×100%（1）

式中，m0为漂白针叶木浆绝干质量，g；m1为水解纤维素绝干质量，g。

1.3.2 聚合度测定

采用黏度法测定纤维素聚合度[16]。具體方法为：将适量的水解纤维素样品溶解于铜乙二胺溶液中，通过毛细管黏度计测定溶液的特性黏度[η]，根据式（2）计算水解纤维素聚合度DP。

DP0.905=0.75[η]（2）

1.3.3 光学显微镜分析

用解剖针将少量分散好的水解纤维素置于干净的载玻片上，用赫氏试剂染色后，盖上盖玻片，用滤纸吸去多余水分，在多媒体光学显微镜（BA310Met，麦克奥迪实业集团有限公司）下进行观察和拍照。

1.3.4 扫描电镜分析

将水解纤维素干燥，并经行星式球磨机（KQMX4Z/B，咸阳市金宏粉碎设备厂）在一定转速下分别碾磨1 h，过100目筛，得到粉末状水解纤维素。用解剖针将少量水解纤维素粉末置于样品台上，表面喷金后在扫描电子显微镜（SEM，HITACHI.S—4800，日本）上进行观察，采用二次电子成像模式，加速电压为10 kV，图像分辨率为0.15 μm/像素。

1.3.5 粒度及分布测定

将少量粉末状水解纤维素用蒸馏水稀释到一定浓度，分散均匀后直接在激光粒度仪（LS，美国贝科曼库尔特公司）上进行测定。

1.3.6 表观密度测定

按照文献[17]的方法测定：称取20 g水解纤维素粉末（m），移入100 mL量筒内，轻轻地碰敲量筒底部，使水解纤维素粉末下降至高度不再变化为止，读取此时试样所占据的容积（V），通过式（3）计算表观密度（B）。

B=[SX（]m[]V[SX）]（3）

1.3.7 流动性测定

按照文献[13]的方法进行测定：将水解纤维素粉末经漏斗缓慢均匀流至半径（r）为4.5 cm的培养皿上，直至粉末堆积至从培养皿上缘溢出为止，测定形

成的粉末堆的高度（H），按式（4）计算静止角α。

tgα=H/r（4）

1.3.8 持水性测定

按照文献[13]的方法进行测定：称取0.5 g干燥后的水解纤维素置于50 mL离心管中，加30 mL蒸馏水，摇匀，室温下静止1 h，于4000 r/min转速下离心20 min，弃去上清液，称量得到水解纤维素湿质量。按式（5）计算水解纤维素持水能力。

持水能力=[SX（]样品湿质量-样品干质量[]样品干质量[SX）]×100% （5）

2 结果与讨论

2.1 酸水解和酶水解对纤维素聚合度的影响

表1为漂白针叶木浆酸水解纤维素得率和聚合度的变化。由表1可见，漂白针叶木浆经浓度为6%的盐酸在高温下水解0.5 h，纤维素聚合度下降到272，延长水解时间，纤维素聚合度继续下降，但下降幅度很小，基本维持在200左右。另外从表1可见，虽然经盐酸水解后在短时间内纤维素聚合度降得很低，但得率下降幅度并不大，水解2 h后得率为90%左右，说明在盐酸水解过程中，纤维素分子链的断裂是比较均一的，在盐酸的催化下，大量的分子链在短时间内发生断裂，使得聚合度急剧下降，但溶出的葡萄糖等小分子寡糖数量有限。

表2为酶水解纤维素得率和聚合度的影响。由表2可知，在高酶用量下，随着水解时间从2 h逐渐延长到48 h，得率急剧下降，水解48 h后，得率仅为43.26%，但在此过程中，纤维素聚合度变化幅度很小，聚合度都在670～700的范围内，非常接近。说明虽然随着酶水解程度的增加，大量的纤维素分子链发生断裂，变成小分子寡糖水解溶出，但对于残留的纤维来说，其内部纤维素分子链的长度基本是恒定的。

由此可见，虽然酸水解和纤维素酶水解都是使纤维素大分子上的β1，4糖苷键发生断裂，但酸水解纤维素聚合度存在巨大差异，酶水解纤维素得率下降较多。

2.2 酸水解和酶水解对纤维形态的影响

图1为漂白针叶木浆经盐酸水解和纤维素酶水解后的纤维显微镜图。

由图1（a）可见，经盐酸在高温下水解1 h时，纤维基本上都被切断成只有0.1～0.2 mm。由图1（b）～图1（f）可见，经纤维素酶水解后，纤维也发生明显的切断，且随着酶水解时间的延长，纤维断裂程度逐渐增加，纤维平均长度逐渐减小，当酶水解24 h时，纤维平均长度下降为只有0.1～0.2 mm。酶水解48 h的纤维形态和水解24 h的完全相同，即当酶水解到一定程度以后，纤维长度并没有因为水解程度的进一步增加而下降，关于这一点，李新平等人[18]进行了专门的研究，认为纤维细胞壁在制浆过程中发生移位的地方在酶水解过程中容易发生断裂。由此可见，纤维素酶水解24 h的纤维素和盐酸水解1 h的纤维素在形态上完全一致，两者纤维都发生了多处切断，纤维平均长度都下降到只有0.1～0.2 mm。

2.3 纤维素粒径及颗粒形态比较

将酸水解1 h和酶水解24 h制得的纤维素干燥后分别经球磨机粉碎，得到粉末状纤维素，分别测定其粒径并在扫描电镜下观察粉末纤维素形态，结果分别如图2和图3所示。

酶水解纤维素的平均粒径为38.77 μm，明显大于酸水解纤维素的27.49 μm。从图2的粒径分布上可以看出，酸水解纤维素粒径主要集中在20～60 μm；而酶水解纤维素中含有较多的直径在100～160 μm的颗粒，直径在70～100 μm之间的颗粒占据比例较高，说明酶水解纤维素中含有较多的大颗粒，且颗粒大小均匀性不及酸水解纤维素。

由图3可知，虽然酸水解纤维素颗粒大小不够均匀，但基本上都呈椭圆形的颗粒状；而酶水解纤维素样品，除了颗粒大小不够均匀、尺寸较大以外，和酸水解纤维素最大的区别是其形状主要为棒状。从图3还可以清楚的看到，酶水解纤维素，在机械粉碎过程中，纤维的细碎化主要是通过横向断裂和纵向撕裂这两种途径进行的。

酸水解和酶水解纤维素经机械粉碎后在微观形态上会产生如此大的区别，归根结底还是跟水解纤维素聚合度大小有关。酸水解后，纤维素聚合度下降到200左右，而酶水解后，纤维素聚合度还保持在700左右。一般来说，纤维素聚合度越高，则纤维强度越高，这主要是因为纤维素分子间还存在大量的氢键结合，所以当纤维素聚合度没有下降到某一值之前，要通过机械作用破坏纤维结构，形成只有几十个微米数量级的纤维素颗粒需要消耗较大的能量。而当纤维素聚合度下降到200左右时，分子间氢键结合的数量大大减少，这表明在本实验条件的机械力作用下，纤维细胞壁即发生了较高程度的分离和破碎。

2.4 理化性能比较

两种方法制备的纤维素都为白色、无嗅的粉末，但由于酸水解纤维素和酶水解纤维素在颗粒大小和微观形态上存在较大的区别，这必然会影响到两者的理化性能。两种水解纤维素的理化性能见表3。如表3所示，酸水解纤维素较酶水解纤维素具有较大的表观密度、持水力以及较好的流动性。

3 结 论

（1）漂白针叶木浆经浓度为6%的盐酸在高温下水解1 h，得率93.6%，纖维素聚合度下降到200左右，纤维平均长度下降到0.1～0.2 mm。漂白针叶木浆经酶活为20 FPU/g的酶水解24 h，得率下降到49.3%，纤维素聚合度下降到690，纤维平均长度也下降到0.1～0.2 mm。

（2）通过扫描电镜分析可知，酸水解纤维素为椭圆形的颗粒，平均粒径为27.49 μm；酶水解纤维素主要为棒状颗粒，平均粒径为38.77 μm。酸水解纤维素较酶水解纤维素具有较大的表观密度、持水力以及较好的流动性。

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（责任编辑：董凤霞）