机械辅助酶水解法制备竹基纤维素微粒的研究

王 妍，张月洪，贾润红

（1.江苏海洋大学化学工程学院，江苏 连云港222005；2.连云港师范高等专科学校初等教育学院，江苏连云港222006）

竹子是世界上生长最快的植物之一，与木材相比，具有强度高、韧性好、硬度大等优点［1］，可以用来制备高质量的纤维素材料。中国竹资源丰富，约占全世界竹林总面积的1/4［2］。在中国，竹子的使用历史悠久，竹纤维被广泛地应用于编织、制浆造纸和建筑材料等领域。然而，目前中国的竹纤维制品多是低附加值的产品，研究和开发高附加值的竹纤维产品是充分利用中国竹资源的途径之一。

随着人们环保意识的增强，微晶纤维素作为一种可再生、可生物降解并具有良好机械性能的生物基材料，在食品、医药、日用化工等方面得到了广泛的应用。目前，从天然纤维素材料中分离制备微晶纤维素的方法主要有化学法和机械法［3］。化学法是利用酸对原料中的非纤维素组分以及非晶纤维素部分进行水解，需要使用大量腐蚀性试剂，并且对环境造成污染，而机械法则需要消耗大量的能源，并且难以控制纤维的降解程度。因此，研究环保、低能耗的制备微晶纤维素的方法具有重要的意义。

与传统的酸水解法相比，使用生物酶对纤维素进行水解，反应条件温和，能耗小，且绿色环保。有文献［4］报道，相比酸水解法，酶水解法能够对微晶纤维素的形貌进行更好地控制。近年来，有研究者使用酶水解法与机械处理相结合，成功制备了尺寸更小的纳米纤维素［1，5］。

本文研究的主要内容是使用机械匀浆与酶水解相结合的方法，对竹纤维进行处理，考察酶的种类与用量对产物性状的影响，探索绿色低耗的制备竹基微晶纤维素的方法。

1 实验部分

1.1 实验原料

竹浆纤维购自贵州赤天化纸业股份有限公司。半纤维素酶购自江苏锐阳生物科技有限公司，酶活性≥200 units·mg-1。纤维素酶购自合肥博美生物科技有限责任公司，酶活性≥30 units·mg-1。柠檬酸和柠檬酸钠为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 竹纤维的机械预处理

使用粉碎机对竹浆纤维进行粉碎，并用40目筛网进行过筛处理。将过筛后的竹浆纤维与去离子水按照1∶100的质量比配制成混合溶液，使用均浆机对混合溶液进行匀浆处理，匀浆转头转速为13 Kr·min-1，匀浆处理20 min。

1.3 竹纤维的酶水解

使用半纤维素酶或半纤维素酶与纤维素酶的复合酶对匀浆处理后的竹纤维进行酶水解。使用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液调节反应体系的pH值为4.8，反应温度为45～50℃，反应时间为48 h。反应结束后，加热反应溶液至90℃以上使酶失活。将产物反复水洗至中性，高速离心得固体样品，于105℃干燥至恒重。酶水解中半纤维素酶的用量为竹纤维干重的30%，纤维素酶的用量分别为竹纤维干重的0%、1.5%和15%，样品编号依次为BF-30/0、BF-30/1.5和BF-30/15。

1.4 产物性能测试

使用JSM-6390型扫描电子显微镜（SEM）对产物的微观形貌进行表征。使用X-pertPro型X射线衍射仪（XRD）对产物进行表征，Cu靶，Cu-Kα辐射，电压为40 KV，测试范围为2θ=5～50°。使用STA 449 F3型同步热分析仪对纤维的热稳定性进行表征，气氛为氮气，升温速率为10 K·min-1。使用Impact410型傅里叶红外光谱仪（FTIR）对产物的红外光谱进行测量，扫描范围为400～4 000 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 机械处理与酶水解对竹纤维形貌的影响

图1为匀浆前后竹纤维的SEM图。图1a为匀浆之前的竹纤维原样，可以看出竹纤维结构完整，呈现细长型，宽度大约在10～30μm左右。从图1b中可以看出竹纤维原样为圆柱状，表面不光滑，有较多的褶皱，这是制浆处理造成的。匀浆处理后的竹纤维的形貌如图1c和1d所示。匀浆处理中，转头部位能够产生强大的剪切力，竹纤维在强剪切力的作用下被截断（图1c），同时，在剪切力的作用下，纤维的表面结构也受到了破坏，如图1d所示，纤维的表层结构被部分剥离，产生了薄膜状或微纤状的碎片。匀浆处理对纤维表层结构的剥离有助于后续的酶水解反应，表层结构的剥离增加了酶水解的反应面积，结构的破坏有利于增加酶解可及度。

图1 机械匀浆处理前后竹纤维的SEM图（a）、（b）竹纤维原样 ；（c）、（d）匀浆处理后的竹纤维Fig.1 SEM images of bamboo fibers before and after homogenization（a，b）Original bamboo fibers；（c，d）Homogenized bamboo fibers.

图2 是使用不同种类和不同用量的酶水解后的纤维的SEM图。由图2a和2b中可以看出，使用30wt%半纤维素酶水解后，竹纤维发生了大量的横向断裂，由原来的细长型结构变成的短棒状结构，同时，纤维的宽度减小至15～5μm左右。当使用半纤维素酶与纤维素酶的复合酶进行水解时，纤维的横向断裂进一步加剧，同时出现了少量的球状微粒，微粒表面较为光滑，有少量孔洞，如图2c和2d所示。随着纤维素酶用量的增加，如图2e和2f所示，短棒状的纤维结构基本消失，产物大部分为球状微粒，微粒的直径分布较为均一，在10～15μm左右，且微粒表面出现大量的孔洞结构。半纤维素酶对竹纤维结构中的半纤维素组分的水解造成了纤维的横向断裂以及纤维宽度的减小，纤维素酶对半纤维素酶的水解具有一定的协同作用，加剧了纤维的横向断裂，并最终生成微球结构，而微球结构表面的孔洞则是由纤维素酶对纤维素的非晶部分进行水解造成的。

图2 酶水解后竹纤维的SEM图（a）（b）BF-30/0；（c）（d）BF-30/1.5；（e）（f）BF-30/15Fig.2 SEM images of enzyme hydrolyzed bamboo fibers（a，b）BF-30/0；（c，d）BF-30/1.5；（e，f）BF-30/15.

2.2 竹纤维FTIR谱图分析

图3 为酶水解前后竹纤维的FTIR谱图。所有样品在3 400 cm-1附近都出现了宽而强的吸收峰，这是纤维中大量存在的羟基O-H的伸缩振动吸收峰，并由于氢键的形成而产生了宽峰。在2 900 cm-1附近所有样品都出现了中等强度的尖峰，这是C-H伸缩振动吸收峰。在1 650 cm-1附近所有样品都出现了中等强度的吸收峰，这是样品中吸附水的H-O-H弯曲振动吸收［6］，并且酶水解后的样品在该处的吸收峰变强变宽，说明酶水解后竹纤维对水的吸附能力更强。在1 025 cm-1附近，所有样品都呈现多重吸收峰，这是C-O伸缩振动的吸收峰。同时，从图3中可以发现，竹纤维原样在1 410 cm-1处有吸收峰，对应于纤维素结构中C6位CH2的剪式振动［7］，而经过酶水解后的纤维样品在此处没有明显的吸收，表明酶对纤维素的分子链结构进行了降解。

2.3 酶水解对竹纤维结晶度的影响

图4是酶水解前后竹纤维的X射线衍射图谱。从图中可以看出，所有的样品在2θ为15°、16°、22.5°和34.5°附近有衍射峰，分别对应天然纤维素I型晶胞的（101）、（10 1）、（002）和（040）衍射面［8-10］。其中，2θ为15°和16°的2个衍射峰合并为1个较宽的峰，这说明样品中含有非晶组分，如半纤维素、非晶纤维素等。同时，当增加了纤维素酶后，在2θ等于20°附近出现了明显的肩峰，这是纤维素II型晶胞的（10 1）面的衍射峰［10］，说明随着酶水解程度的增大，部分纤维素I型结晶向纤维素II型结晶进行了转化。

使用 Segal［11］方法计算各样品的结晶指数（CI），如下式所示：

图3 竹纤维酶水解前后的FTIR谱图（a）竹纤维原样；（b）BF-30/0；（c）BF-30/1.5；（d）BF-30/15Fig.3 FTIR spectra of bamboo fibers before and after enzymatic hydrolysis（a）Original bamboo fibers；（b）BF-30/0；（c）BF-30/1.5；（d）BF-30/15.

其中，I002是（002）衍射峰的最大强度，Iamorphous是非晶区的衍射强度，取值为（002）和（101）衍射峰之间的峰谷（2θ≈18.5°）的强度。

结晶指数的计算结果标注在图4中，可以看出，使用30wt%的半纤维素酶对竹纤维进行水解后，样品的结晶指数有所上升，这是由于半纤维素酶对竹纤维中非晶的半纤维素组分进行了降解，从而减少了样品中的无定型部分。同时，纤维素酶的加入导致了样品结晶指数的降低，这是由于纤维素酶优先对纤维素非晶部分进行了水解，从而使暴露出来的结晶部分向非晶进行转变，另一方面，纤维素酶可能对结晶较不完善的部分也有水解作用，这也会使得产物的结晶度下降。

2.4 酶水解对竹纤维热稳定性的影响

图5和图6分别为酶水解前后竹纤维的热失重（TG）曲线和DTG曲线。根据文献［12-13］报道，半纤维的主要热失重范围为220～300℃，热分解峰值温度在268℃左右，纤维素的主要热失重范围为300～400℃，热分解峰值温度在355℃左右。与纤维素相比，半纤维分子量的支化程度高，聚合度低，从而导致其热稳定性低于纤维素的热稳定性［13］。从图5和图6中可以看出，竹纤维原样只呈现一个热失重峰，峰值温度为355℃，为纤维素的热失重。同时，在半纤维素的热失重温度范围内未出现明显的肩峰，说明制浆过程已将样品中大部分的半纤维素除去。BF-30/0试样也只呈现一个热失重峰，峰值温度为344℃，为纤维素的热失重。相比原样，其热失重峰向低温方向移动，一方面是由于半纤维素酶对样品中残留的半纤维素组分进行了降解，使其热稳定性能降低，另一方面，由于酶水解对纤维的结构产生了破坏（如图2a和2b所示），使得纤维热稳定性能下降。

当使用了纤维素酶后，样品BF-30/1.5和BF-30/15的热失重曲线上都出现了除主要热失重峰以外的明显肩峰。BF-30/1.5的热失重峰值温度为354℃，同时，在310℃附近有明显的肩峰。这是由于纤维素酶优先对纤维素的非晶部分进行了水解，使得纤维素的分子链发生断裂，从而在较低温度出现了明显的热降解，同时在较高温度的热失重为结晶度较高的纤维素组分的热分解。BF-30/15的热失重峰值温度为300℃，同时在335℃附近出现明显的肩峰，随着纤维素酶用量的增加，纤维素组分的水解程度加剧，从而使其热稳定性能进一步降低，热失重温度向低温方向移动。

图4 竹纤维酶水解前后的XRD谱图Fig.4 X-ray diffraction patterns of bamboo fibers before and after enzymatic hydrolysis

图5 竹浆纤维酶水解前后的热失重曲线图Fig.5 TG curves of bamboo fibers before and after enzymatic hydrolysis

图6 竹浆纤维酶水解前后的DTG曲线图Fig.6 DTG curves of bamboo fibers before and after enzymatic hydrolysis

3 结论

机械匀浆预处理能够破坏竹纤维的表面结构，增加酶解反应的可及度。用半纤维素酶和纤维素酶同时进行水解时，得到了粒径在10～15μm左右的纤维素球状微粒。用半纤维素酶单独进行水解时，竹纤维的结晶度略有提高，而其与纤维素酶同时水解后，样品的结晶度降低，同时产生了纤维素I型结晶向纤维素II型结晶的转化。酶水解后，由于纤维结构的破坏以及纤维素分子链的断裂，竹纤维的热稳定性降低。与传统的微晶纤维素的制备方法相比，研究所采用的机械辅助酶水解法具有环保和低能耗的优点，在开发和利用纤维素材料方面具有一定的应用前景。