NaOH溶液处理甘蔗渣过程中纤维素晶体结构的变化

张云飞，李坚斌，2*，莫志鹏，申润艳，魏群舒，方坤

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004；2.广西蔗糖产业协同创新中心，南宁 530004)

由于化石燃料能源的快速消耗以及其对环境的不利影响，可再生能源替代品越来越引起人们的关注[1]。众所周知，在糖和酒精行业生产的甘蔗渣是主要木质纤维素材料之一，被认为是生物乙醇生产的有价值原料，特别是在巴西、中国和印度等国家[2，3]。据估计，每吨甘蔗可以生产约280 kg的甘蔗渣。世界上每年生产约5亿吨甘蔗，相当于产生了超过1.4亿吨甘蔗渣[4]。因此，充分利用这些廉价材料生产生物乙醇对经济和环境都有很大的好处。甘蔗渣主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成，其中纤维素在分子内和分子间氢键的作用下，形成微晶纤维丝，半纤维素、木质素则作为微纤丝之间的填充剂和黏结剂，包裹着纤维素[5]。由于甘蔗渣的这种结构特征，不利于反应试剂的渗透及扩散，很大程度上限制了甘蔗渣的应用范围，加大了其利用难度[6]。 因此，需要对甘蔗渣进行适当的预处理，除去半纤维素、木质素，降低纤维素的结晶度，从而提高利用效率。

碱处理是当前最有效的预处理工艺之一[7]。碱处理的机理是在碱性条件下，半纤维素、木质素及其他组分间的酯键发生皂化作用，去除木质素，并保留综纤维素，从而能够有效地提高木质纤维素的酶解性能，另外碱溶液还可以溶解木质纤维素中的灰分成分，去除乙酰基，溶胀纤维素，降低结晶度[8]。结晶度(CrI)是通常用于量化纤维素材料中存在的晶体结构量的参数，并且还用于解释物理化学和生物处理后纤维素晶体结构的变化[9]。测量CrI的方法包括X射线衍射(XRD)[10]，固态13C核磁共振(NMR)光谱[11]、FT-IR光谱和拉曼光谱[12]。碱性预处理是能够去除几乎全部木质素并降低蔗渣结晶度，从而提高酶效率的最有效方法之一[13-15]。

关于低浓度的NaOH溶液预处理的甘蔗渣的报道有很多，对于高浓度的碱液处理甘蔗渣以及碱液处理甘蔗渣过程中晶体结构的研究却鲜见报道。在本文中，使用4%～52%浓度的NaOH溶液对甘蔗渣进行预处理，使用XRD和FT-IR方法，探讨在碱处理过程中纤维素晶体结构的变化情况，对工业中提高甘蔗渣的利用效率、降低成本、选择最佳碱液浓度处理等具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘蔗渣：取自广西明阳糖厂；NaOH、KBr：国药集团化学试剂有限公司，以上试剂均为AR级。

DHG-9070A电热鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；HL-150高速多功能粉碎机 上海赛耐机械有限公司；FRITSCH粉碎机 德国Idear-Oberstein公司；SHB Ⅲ型循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；MR磁力搅拌器 德国Heidolph公司；TENSOR Ⅱ型傅里叶变换红外光谱仪 美国Bruker公司；MiniFlex 600 X射线衍射仪 日本Rigaku公司；台式扫描电镜 上海复纳科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 蔗渣的预处理

将从糖厂获得的甘蔗渣风干，用大量的蒸馏水冲洗，在温度为60 ℃的电热鼓风干燥箱中烘干过夜。将烘干后的甘蔗渣自然冷却，置于粉碎机中粉碎，过100目筛，用塑料封口袋收集筛后的蔗渣，置于干燥器中保存备用[16]。

1.2.2 不同浓度的NaOH处理蔗渣

配制浓度分别为4%、8%、12%、16%、20%、28%、36%、44%、52%的NaOH溶液。取2 g过筛后的蔗渣3份置于3个锥形瓶中，编号。向3个锥形瓶中加入40 mL上述配制好的NaOH溶液，置于温度为40 ℃、转速为400 r/min的磁力搅拌器上，磁力搅拌2 h。使用真空泵抽滤反应后锥形瓶中的混合物，弃去液体，取固体。用大量的蒸馏水洗至中性，抽滤，取固体，置于温度为60 ℃的鼓风干燥箱中烘干过夜，将烘干后的样品用研钵研细，用塑料封口袋收集，编号，置于干燥器中保存。处理一式三份进行。

1.2.3 X射线衍射(XRD)

纤维素具有两个X射线衍射特征峰，与晶面有关(Bragg angles, 2θ)。第一个峰I1与纤维素的非结晶区有关，纤维素I为18°，纤维素II为16°。第二个峰对应于纤维素的结晶区，对于纤维素I，2θ介于22°～23°，对于纤维素II，2θ介于18°～22°。未处理和NaOH预处理的SCB样品通过MiniFlex 600 X射线衍射仪进行分析，在观察之前将样品盖在显微载玻片上。以0.2 s的时间间隔按2θ=2°～60°，以2°的步长收集扫描。仅对一些随机选取的样品进行两次扫描。SCB的结晶度指数(CrI)计算方法如下：

CrI=(I002-Iam)×100/I002。

式中：I002为在2θ=22.4°处来自002平面的衍射强度，Iam为在2θ=18.4°处的衍射强度。

1.2.4 傅里叶红外光谱(FT-IR)

将研磨后的蔗渣在温度为60 ℃的电热鼓风干燥箱中干燥5 h，溴化钾在温度为121 ℃的电热鼓风干燥箱中干燥4 h。在TENSOR Ⅱ型傅里叶变换红外光谱仪配套的烘箱前研磨制样。压片后使用FT-IR光谱仪获得样品的FT-IR光谱，扫描范围为4000～400 cm-1，扫描间隔为2 cm-1。

作为一种补充方法，FT-IR被广泛应用于估计纤维素的结晶度值，与之前计算CrI值的研究方法相比，FT-IR计算相对结晶度是根据吸收带的比例来计算的[17，18]。主要方法有4种：横向有序指数(LOI)A1429/A897；总结晶度值(TCI)A1374/A2900；A1374/A668；A1058/A1374[19，20]。式中：A表示在FT-IR光谱中某个波数下的吸光度值。

1.2.5 扫描电子显微镜(SEM)

使用台式扫描电镜，将样品颗粒置于样品架上的碳导电带上，压制蔗渣颗粒以确保颗粒之间没有留下空隙，松散的颗粒由喷雾器除尘。经喷金系统涂膜后进行观测。

1.2.6 数据处理

实验结果使用Origin 8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 X射线衍射(XRD)方法表征甘蔗渣的结构变化

Dadi等指出，纤维素物质的结晶度是影响酶解反应的重要因素。当用NaOH溶液处理纤维素时，纤维素的形态、分子和超分子性质会发生相当大的变化，同时也会引起纤维素的结晶度、孔结构、可接近性、刚度及结晶度的变化[21]。未经处理的甘蔗渣和经不同浓度的NaOH溶液处理的甘蔗渣的XRD图见图1。

图1 蔗渣经不同浓度的NaOH溶液处理后的XRD谱图Fig.1 XRD spectrogram of bagasse treated with different concentration of NaOH solution

注：a为未经NaOH处理的蔗渣；b为 4% NaOH处理的蔗渣；c为8% NaOH处理的蔗渣；d为12% NaOH处理的蔗渣；e为16% NaOH处理的蔗渣；f为20% NaOH处理的蔗渣；g为28% NaOH处理的蔗渣；h为36% NaOH处理的蔗渣；i为44% NaOH处理的蔗渣； j为52% mol/L NaOH处理的蔗渣。

由图1可知，未经碱液处理的甘蔗渣的晶型结构显现出典型的纤维素Ⅰ型结构，在20°～22°之间只有一个高强度的衍射峰[22]。与未经处理的甘蔗渣样品相比，使用4%和8%的NaOH溶液处理2 h后，甘蔗渣生物质在20°～22°的衍射峰强度明显增高，但仍然是纤维素Ⅰ型的结构。当NaOH溶液的浓度增大到12%时，与浓度低于8%的NaOH溶液处理的甘蔗渣的图谱相比，其最大衍射峰的峰强度降低。纤维素的晶型开始发生改变，不再是典型的纤维素Ⅰ型结构。当使用16%的NaOH溶液处理甘蔗渣2 h后，XRD图谱中20°～22°之间不再是一个单一的高强度衍射峰，而是两个衍射峰，并且在低角度12°附近开始出现一个衍射强度较低的峰，这是纤维素Ⅱ型的结构，此时甘蔗渣生物质的晶型结构发生了转变，这是甘蔗渣进行了丝光处理的结果，丝光处理能够将纤维素Ⅰ型转化为纤维素Ⅱ型，但丝光处理受处理条件的影响，如NaOH的浓度、温度以及处理时间的影响[23]。当NaOH溶液的浓度从20%升至52%对甘蔗渣进行预处理2 h后，纤维素的晶型没有再发生改变，20°～22°的两个衍射峰更加明显地分离开来。

甘蔗渣的结晶度值CrI根据1.2.3中的公式计算，经过不同浓度的NaOH溶液预处理后其CrI的变化趋势见图2。

图2 峰值法结合XRD谱图得到的经不同浓度NaOH溶液的处理CrIFig.2 CrI treated with different concentration of NaOH solution obtained by peak method combined with XRD spectrum

由图2可知，未经预处理的甘蔗渣生物质的CrI为38.96%，在低于8%的NaOH溶液范围内，CrI随着NaOH浓度的增加出现升高的趋势。当碱液的浓度高于8%时，经过预处理的甘蔗渣的CrI出现下降趋势，16% NaOH处理后CrI值达到最低，为30.74%。总的来说，使用不同浓度的NaOH溶液处理甘蔗渣其CrI呈现先上升后下降的趋势。CrI的演变可能是由于力作用于纤维素结构中的不同区域。根据两相模型理论[24]，纤维素链中存在两个区域，即无定形区域和结晶区域。较低的CrI意味着NaOH溶液作用于晶体区域，从而导致对晶体结构的破坏和相对较低的结晶区域。另一方面，CrI的降低与去除木质素和半纤维素有关[25]，下降趋势可能是由于持续破坏结晶结构所致。结果表明，CrI与NaOH溶液浓度之间的关系不是线性的，而是先上升后下降的趋势。

2.2 傅里叶红外光谱表征甘蔗渣的结构变化

甘蔗渣样品的FT-IR光谱见图3，显示了不同浓度NaOH溶液的预处理条件下纤维素的结构变化。处理过的甘蔗渣样品的图谱与未处理的样品相似，图谱显示没有产生任何其他新的官能团峰，这表明NaOH溶液对纤维素的溶解是一种非衍生化的溶解。

图3 蔗渣经不同浓度NaOH处理后的FT-IR图谱Fig.3 FT-IR spectrograms of bagasse treated with different concentration of NaOH

注：a为未经NaOH处理的蔗渣；b为1 mol/L NaOH处理的蔗渣；c为2 mol/L NaOH处理的蔗渣；d为 3 mol/L NaOH处理的蔗渣；e为4 mol/L NaOH处理的蔗渣；f为5 mol/L NaOH处理的蔗渣；g为7 mol/L NaOH处理的蔗渣；h为9 mol/L NaOH处理的蔗渣；i为11 mol/L NaOH处理的蔗渣；j为13 mol/L NaOH处理的蔗渣。

原料中在1603，1513，1461 cm-1处的吸收条带(代表木质素中芳香烃骨架的振动)在经NaOH溶液处理后的样品中减弱或者消失。这些结果表明再生样品中的木质素被去除。897 cm-1处的吸收强度增强，表明纤维素含量增加，可能是由于木质素的去除引起的[26,27]。与未经预处理的甘蔗渣相比，经过NaOH预处理的甘蔗渣在FT-IR的光谱上最显著的变化波数是897，1060，1167，1161，1246，1363，1618，1652，2776，2820，3430 cm-1。经NaOH溶液预处理的甘蔗渣样品的带高度减小并且OH伸缩振动区域变宽。具体而言，某些频段似乎NaOH溶液的预处理非常敏感。这些带处于分子内和分子间氢键键合的OH基团(在3500～3200 cm-1之间)的振动范围内，在指纹区域，另外，1738 cm-1和1625 cm-1处的峰分别归因于乙酰基的羰基价振动和吸收水的OH弯曲振动。以上现象都证明NaOH溶液对甘蔗渣生物质的FT-IR光谱形状有很大的影响。据推测，在预处理过程中纤维素结晶度的变化可能是FT-IR光谱变化的原因。Schwanninger等报道了类似的结果，他们认为球磨产生的木材FT-IR光谱的变化主要是由于纤维素的变化[28]。此外，纤维素的变化与结晶度的降低和聚合度有关[29，30]。

由LOI和TCI表示的CrI的变化趋势见图4。

图4 A1429/A897与A1374/A2900法计算不同浓度的NaOH溶液预处理甘蔗渣样品的CrI值的趋势图 Fig.4 Trend chart of CrI value of bagasse samples pretreated with NaOH solution of different concentration by A1429/A897 and A1374/A2900

对于LOI的曲线，首先，当NaOH溶液的浓度从4%增加到16%时，CrI值显示出上升的趋势，从0.9186升至1.0265，这与XRD计算的CrI值的趋势相似。LOI曲线的CrI值在NaOH溶液浓度为16%～28%的范围内呈现下降趋势，在NaOH溶液浓度为28%～52%的范围内，CrI曲线出现上下波动的趋势，这可能是去除了半纤维素和木质素的原因[31，32]。CrI在NaOH溶液浓度达到12%时上升至最大值0.9363，然后在浓度高于这个范围时下降，当浓度为28%时下降至最小值0.8858。当NaOH溶液的浓度高于28%时出现了轻微的上下波动，表明甘蔗渣生物质在经过NaOH溶液预处理后，其CrI值出现先升高后降低的趋势。

一般来说，LOI和TCI的结果表明，CrI的演化涉及两个上升阶段然后下降阶段，这表明NaOH溶液预处理甘蔗渣可分为两个阶段，如上所述在两个XRD方法中。此外，LOI和TCI曲线之间的良好一致性证明它们都适合于评估纤维素的结晶度值。

除了896 cm-1和2900 cm-1的谱带外，其他谱带还记载了668，1263，1374 cm-1适合于FT-IR方法中CrI的内标。为了进一步证明碱液处理的纤维素结晶度的变化，用A1374/A668、A1058/A1374处的吸收带比率来评估CrI，结果见图5。首先，可以看出两条曲线在初始阶段都显示出上升的趋势。对于A1058/A1374的曲线，在NaOH溶液的浓度为4%处，CrI急剧上升至最大值1.0131，而在NaOH溶液浓度为12%处，CrI则下降至最小值0.8689。对于A1374/A668的曲线也表现出先升高后降低的趋势，通过比较CrI与LOI和TCI的演变，表明A1374/A668的曲线显示出相对一致的趋势。因此，在本文中，668 cm-1的波段可能比内部标准1374 cm-1更好。一般来说，896，2900，668 cm-1处的谱带被证明适合于将纤维素结晶度指数估计为分母，这进一步证实了XRD方法中所证明的常见规律性。

图5 A1374/A668与A1058/A1374法计算不同浓度的NaOH溶液预处理甘蔗渣样品的CrI值的趋势图Fig.5 Trend chart of CrI value of bagasse samples pretreated with NaOH solution of different concentration by A1374/A668 and A1058/A1374

2.3 XRD方法与FT-IR方法的比较

对于同一样品的CrI值根据不同的测定方法得出不同的值。以经过12%的NaOH溶液预处理的甘蔗渣为例，使用XRD峰高法、LOI、TCI、A1374/A668和A1058/A1374测得的CrI值分别为0.3973，0.9363，1.0266，0.8689，0.9664，这表明不能直接比较不同方法测定的CrI值的大小。使用FT-IR光谱法和XRD峰高法测量CrI能快速得到结果，但这个值是拟合后的经验值，因为光谱是包含结晶区和非晶区两种不可分割的部分。XRD方法和FT-IR方法都显示出类似的两阶段划分的变化趋势特征，都表现出初始上升然后下降的规律性，这表明在这项工作中研究的FT-IR方法将纤维素排序与XRD方法大致相同。

2.4 扫描电镜(SEM)

为了直观地看出不同浓度的NaOH对蔗渣的影响，对处理后的蔗渣的样貌进行了电镜扫描，见图6。

图6 不同浓度NaOH处理后的蔗渣的SEM照片Fig.6 SEM photographs of bagasse treated with different concentration of NaOH

注：a为未经NaOH处理的蔗渣；b为1 mol/L NaOH处理的蔗渣；c为2 mol/L NaOH处理的蔗渣；d为3 mol/L NaOH处理的蔗渣；e为4 mol/L NaOH处理的蔗渣；f为5 mol/L NaOH处理的蔗渣；g为7 mol/L NaOH处理的蔗渣；h为9 mol/L NaOH处理的蔗渣；i为11 mol/L NaOH处理的蔗渣；j为13 mol/L NaOH处理的蔗渣。

未经NaOH处理的蔗渣表面纤维束清晰可见(见图6a)，表面有很多细小的孔洞，边角轮廓完整且清晰可见，能够清楚地将不同的蔗渣颗粒区分。经过4%的NaOH溶液处理2 h后，蔗渣表面变得粗糙，蔗渣颗粒的轮廓开始变得模糊，表面出现细小、形状不规则、大小不一的颗粒，表面的孔洞变小甚至消失。随着NaOH浓度的升高，蔗渣的表面不再光滑且表面附着的不规则颗粒逐渐增多，蔗渣表面粗糙的程度逐渐增大，纤维束的结构逐渐消失，蔗渣表面细小的孔洞逐渐消失，边角轮廓逐渐变得不清晰，多个蔗渣颗粒分子很难清晰分开，蔗渣颗粒的整体结构变得松散。这与木质素的去除有关，与上面研究的结晶度降低和FT-IR谱图中部分官能团逐渐消失的结果一致。

4 结论

通过XRD和FT-IR光谱研究了NaOH溶液预处理甘蔗渣过程纤维素晶体结构的变化。XRD法与FT-IR计算的CrI值显示出相同的趋势特征，即随着NaOH溶液浓度的升高，CrI值先上升后下降，是一种非线性的关系。SEM分析表明，NaOH溶液使得蔗渣颗粒由光滑紧凑的结构变得粗糙松散，容易被其他化学试剂、酶或者微生物降解。为蔗渣的进一步降解利用提供了有效的途径，有一定的发展潜力。