烟草秸秆纤维素纳米晶的制备及表征分析

孟冬玲，刘 彬，邹 琳，薛 云，贾学伟，吴 彦**，许春平**

(1. 广西中烟工业有限责任公司技术中心，广西 南宁 530001；2. 郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450002)

纤维素是一种大分子多糖类物质，是存在于自然界中的天然可再生物质，且储量丰富，广泛存在于植物细胞壁中. 近年来对于纤维素的资源化利用，成为国内外的研究热点[1-3]. 木材是纤维素主要来源之一，但从木材、棉花等物质中提取纤维素，成本较高. 我国是世界上烟草总种植面积最大的国家，每年有大量的烟草秸秆无法处理，且烟草秸秆成分复杂，还田处理会造成环境污染，因此对烟草秸秆的再利用成为烟草行业关注的焦点. 由于烟草的行业特殊性，使得烟草秸秆废弃物更加集中，相较于其他作物秸秆烟草秸秆更易于集中利用. 烟草秸秆主要组成成分为纤维素、半纤维素和木质素，宋丽丽等[4]研究发现烟草秸秆中纤维素含量比玉米秸秆、稻草秸秆和小麦秸秆更高，为38.39%，半纤维素含量更低，且生物转化效率高，说明烟草秸秆中的纤维素具有高的利用价值，且烟草秸秆再利用的产物可应用到烟草薄片的制备中，可使废弃物循环利用，因此利用烟草秸秆中的生物质资源意义更加重大.

纳米纤维素是一种新型的高分子材料物质，具有高纯度、高比表面积、高结晶度、高弹性模量等特点，具有巨大的应用价值. 纳米纤维素（NC）是至少有一维空间尺寸达到纳米范围(1～100 nm)的纤维素[5]. 主要分为2种，一种是纤维素纳米晶（CNC），为短棒状结构；另一种是纤维素纳米纤丝（CNF），为纤维状结构，直径达到纳米级别，长度可达到微米级，长径比更高.

制备纳米纤维素的方法主要有化学法、物理法、生物法，以及两两结合的方法[6]，陈姗姗等[7]通过硫酸水解制备了苹果渣纳米纤维素，实现了对苹果渣的高值化利用，赵艳娇等[8]通过TEMPO氧化法制备出了水稻秸秆纳米纤维素. 但是以烟草秸秆为原料制备纳米纤维素的研究较少，因此对烟草秸秆纳米纤维素进行制备与结构表征具有重要意义.纳米纤维素具有众多优点，应用前景广阔. 目前已被广泛应用到功能性材料中，包括食品包装材料、纳米复合材料等，进而应用到生物医药、电子工业等领域中，还可作为添加剂或涂料，应用到造纸领域中[9]，改善纸张结构、挺度、紧度和透光性等. 张凯丽等[10]将制备的纳米纤维素与纳米银线混合成膜，得到电学性能好，机械性能强的高透明纳米纸，可作为导电材料应用，制备纸基电容器；Kolakovic等[11]将药物包裹在纳米纤维素膜中，研究发现纳米纤维素膜具有很好的包裹作用，且对药物可以起到缓释效果；Mahmoud等[12]将CNC/Au作为固定化酶进行催化反应, 研究发现CNC/Au表现出优异的生物催化活性和稳定性, 没有出现明显的活性损失.

本文以烟草秸秆为原料，采用超声波辅助过硫酸铵氧化法制备烟草秸秆纤维素纳米晶，并通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱分析仪、X射线衍射分析仪、同步热分析仪和旋转流变仪对其进行结构表征和分析，纳米纤维素由于具有独特的流变学特性，一定浓度的纳米纤维素悬浮液可成为胶体物质应用到食品中，可以为食品提供优异的热稳定性和冻融稳定性. 因此，本文除进行常规的结构表征以外，增添了对CNC悬浮液进行流变特性表征，对烟草秸秆纳米纤维素进行了全面的表征，并将其添加到烟草薄片中进行感官评吸，研究其对烟草薄片感官品质的影响，得到最优添加量.

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器烟草秸秆（河南中烟工业有限公司提供）. 无水乙醇（≥99.7%，天津市富宇精细化工有限公司），过硫酸铵（≥98.0%，郑州派尼化学试剂厂），氢氧化钠（≥96.0%，天津市大茂化学试剂厂），冰乙酸（≥99.5%，天津市富宇精细化工有限公司），亚氯酸钠（天津市大茂化学试剂厂）均为分析纯.

高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)；布氏漏斗；DGX-9143电热恒温鼓风干燥箱(上海福玛实验设备有限公司）；TGL-16M离心机(上海卢湘仪离心机仪器有限公司)；超声波细胞破碎仪（上海皓庄仪器有限公司）；PL203电子分析天平(感量0.000 1 g）；SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵（河南省予华仪器有限公司）；MS-H280-Pro磁力搅拌器(北京大龙兴创实验仪器有限公司)；SCIENTZ-10N冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；MD7044-5m普通透析袋(上海源叶生物科技有限公司)；JSM-7001FJSM-7001F场发射扫描电子显微镜（日本电子公司）；JEM2100透射电子显微镜；D8 Advance型X射线衍射仪（德国布鲁克公司）；Vertex 70型傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）(德国布鲁克公司)；STA449F3同步热分析仪（德国耐驰仪器制造有限公司）；Discovery HR-1旋转流变仪（美国TA仪器公司）.

1.2 方法

1.2.1 烟草秸秆纤维素制备 将晒干的烟草秸秆（TS）切成小块，使用万能粉碎机粉碎，过0.42 mm（60目）筛. 称取一定量干燥的TS，加入去离子水在500 r/min，70 ℃条件下反应2 h，除去其中的水溶性杂质，将原料置于60 ℃烘箱中烘干，然后用无水乙醇抽提6 h，去除脂溶性物质，将抽提后的TS烘干，配置质量分数为10%的NaOH溶液，与TS混合（料液比为1∶30，g∶mL）在80 ℃，500 r/min条件下充分反应2 h，主要去除其中的半纤维素，反应后用去离子水洗涤去除碱液，得到样品TS-a[7,13].加入质量分数为3%的亚氯酸钠溶液，使用冰乙酸调节pH为3～4左右，在75 ℃的恒温水浴锅中反应，每隔1 h反应1次，直至样品变为白色，除去其中的木质素和残余半纤维素，使用去离子水洗涤样品至中性，得到纯化的纤维素（TS-b）.

1.2.2 纤维素纳米晶的制备[14-17]配置浓度为1.5 mol/L的过硫酸铵溶液待用，称取一定量烘干的TS-b与过硫酸铵溶液以1∶100（g∶mL）的比例混合反应，放置于磁力搅拌器上，调温度为70 ℃，转速为300 r/min，反应16 h后加入蒸馏水终止反应. 放置一段时间待悬浮液分层，弃去上清液，用去离子水洗涤沉淀物质，以11 000 r/min离心数次，再弃去上清液，将CNC悬浮液置于透析袋中，透析72 h，直到CNC悬浮液pH为中性. 对CNC悬浮液进行超声处理，超声条件为功率600 W，超声3 s间隙3 s，超声15 min，冷冻干燥得烟草秸秆纤维素纳米晶（TS-CNC）.

1.3 性能表征

1.3.1 CNC悬浮液初始固含量测定 CNC悬浮液的流变学特性表征与CNC悬浮液的固含量(w，%)有关. 称取一定量的CNC悬浮液放入称量过的干燥器中，在烘箱中烘干至恒重，取出后在室温下冷却，用分析天平称量，通过公式（1）计算得出.

式中：m0为干燥器的质量；m1为悬浮液与干燥器的质量；m2为烘干后样品与干燥器的质量.

1.3.2 烟草秸秆CNC得率的计算 测量所得的CNC悬浮液的总体积，用量筒准确量取20 mL CNC悬浮液于已称量过的干燥培养皿中，于烘箱中105 ℃烘干至恒重，取出后放入室温冷却30 min，然后在电子天平上称重.

式中：m1为烘干后样品与培养皿的质量；m2为培养皿的质量；m3为原料的质量；V1为CNC悬浊液的总体积；V2为移液管吸取CNC悬浊液的体积.

1.3.3 微观结构表征 使用场发射扫描电子显微镜（SEM）观察了TS-CNC的表面形貌特征，扫描前对样品表面进行喷金处理，加速电压为10 kV.

使用超声波破碎仪将TS-CNC分散到去离子水中，得到质量分数为0.005%的CNC悬浮液，滴到表面镀碳涂层的铜网上，室温下干燥后使用透射电子显微镜（TEM）观察其形貌结构，估算CNC的直径和长度.

1.3.4 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析 用傅里叶变换红外光谱仪记录纤维的红外光谱，将TS粉末、TS-CNC粉末和KBr进行真空干燥，样品分别与KBr以1∶150的比例放入研钵中磨成粉，加压制成透明薄片. 以吸光度为纵坐标，谱区范围：4 000～400 cm-1为横坐标记录谱图.

1.3.5 X射线衍射分析(XRD) 在室温下使用X射线衍射仪测定TS、TS-b和TS-CNC的晶型及结晶度. 样品研磨后过0.425 mm（40目）筛，放至扫描仪中，在阶跃模式下以扫描范围2θ为10°～60°，扫描速度为5°·min-1得到衍射图谱.

利用公式(3)计算相对结晶度（CrI）：

式中：Iam为非晶区2θ=18°处衍射峰的强度，I(200)为2θ=22.5°处的衍射峰的强度[18]

1.3.6 热重分析（TG-DTG） 利用热重分析测定热稳定性（TG），并且对其进行微商热重分析（DTG）. 称取5 mg干燥的TS、TS-CNC固体粉末，放入同步热分析仪中，持续通入30 min 流量为20 mL/min的氮气，将样品从28 ℃加热至700 ℃，加热速率为10 ℃ /min.

1.3.7 流变行为表征

（1）稳态流变测试 采用旋转流变仪(Discovery HR-1)对固体质量分数为0.52%、0.62%、0.72%、1.76%和2.26%的CNC悬浮液进行稳态流变测试，取1.5 mL的悬浮液，选用40 mm的夹具，剪切速率为10-1～103s-1，在25 ℃条件下进行测试.

（2）动态流变测试 动态测试分为动态应变扫描和动态频率扫描，动态应变扫描条件为在频率1 Hz下，动态应变范围为0.1%～100%；动态频率扫描条件：扫描频率范围为0.1～100.0 rad·s-1，应变为3.0%，测试温度为25 ℃.

1.4 CNC添加量对烟草薄片感官品质的影响将CNC按照不同的添加量添加到烟草薄片片基中，以39%的涂布率进行涂布，切丝后卷制成烟. 于温度22 ℃、相对湿度65%条件下，平衡48 h后进行感官评吸.

2 结果与讨论

超声波法辅助过硫酸铵氧化法得到的烟草秸秆CNC悬浮液为均一的淡蓝色溶液，当CNC固含量较高时呈凝胶状，冷冻干燥后得到的气凝胶为白色的絮状物，得到烟草秸秆CNC悬浮液的初始固体质量分数为0.62%，产率为25.2%.

2.1 微观结构观察通过场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察TS-CNC的形貌，得到图1.图1（a）、图1（b）是将冷冻干燥得到的CNC气凝胶粉碎制样后，不同放大倍数下的固态样品微观结构，从图1中可以看出CNC直径达到纳米级别，但纤维之间粘连严重，可能是由于冷冻干燥前CNC悬浮液浓度较大，使CNC发生团聚现象. 透射电子显微镜可以观察到液体状态下的CNC形貌，由于在低浓度悬浮液中CNC更加分散，对纤维形貌观察更为准确，可看出CNC为短棒状结构，直径为10 nm左右，长度为50～60 nm.

图1 CNC的微观结构表征图Fig. 1 Microstructure characterization of CNC

2.2 傅里叶变换红外光谱分析 (FTIR)将干燥后的KBr与实验制备的原料TS、TS-b、TS-CNC干燥粉末混合均匀，研磨成粉后进行压片处理，用傅里叶变换红外光谱仪进行官能团结构表征，得到图2. 比较3条曲线可发现，在原料TS曲线中，1 733，1 512 cm-1和1 256 cm-1处有吸收峰，1 733 cm-1处的吸收峰是乙酰基团中C＝O的伸缩吸收振动峰，1 512 cm-1处的吸收峰归属于木质素中苯环碳骨架伸缩振动吸收峰，1 256 cm-1处归属于半纤维素或木质素中芳基芳醚类化合物中的C＝O伸缩振动[19]，在TS-b和TS-CNC的曲线中3个峰均未出现，说明木质素和半纤维素被除去.

图2 TS和TS-CNC的红外光谱图Fig. 2 Infrared spectra of TS and TS-CNC

在TS-b和TS-CNC曲线中3 410、2 902、1 630、1 430、1 163、1 110、1 060、898 cm-1处的共有吸收峰说明纳米纤维素保留了纤维素的基本结构[20-21]，分别归属于纤维素分子和分子内、分子中羟基O―H的伸缩振动吸收峰，―CH2的C―H伸缩振动峰，纤维素中羟基吸附环境中水分产生的吸收峰，―CH2的弯曲振动峰，C―C骨架伸缩振动，纤维素分子环内C―O伸缩振动，C―O伸缩振动和β-1，4糖苷键摇摆振动吸收峰. 其中在1 430、1 163、1 110、898 cm-1处出现的吸收峰是纤维素Iβ的特征吸收峰，说明过硫酸铵氧化并没有改变纤维素的晶型，且制备得到的CNC为纤维素I型结构[22]. 与TS-b曲线相比，TS-CNC曲线中在1 726 cm-1处出现新的弱吸收峰，该峰归属于羧酸基团的C＝O，表明在反应过程中部分羟基被氧化为羧基，制备的纳米纤维素为羧基型纳米纤维素.

2.3 X射线衍射分析（XRD）通过XRD研究样品的结晶度，得到样品TS、TS-b、TS-CNC的XRD图线，如图3所示，计算得到TS、TS-b、TS-CNC的结晶度如表1中所示. 从图3可以看出3种样品都具有3个主要的衍射峰，18°和34.6°是2个低强度宽峰，22.5°是1个尖锐的高强度峰，3个峰分别对应于纤维素Ⅰ中（110），（200）和（400）3个晶面的衍射峰[23-24]，说明化学反应过程没有改变纤维素的晶型，制得的烟草秸秆CNC仍然保持纤维素Ⅰ型结构.

图3 TS、TS-b和TS-CNC的XRD分析图Fig. 3 XRD analysis of TS, TS-b and TS-CNC

表1中的相对结晶度值可以定量评价纤维结构中结晶纤维素和无定型区的数量[19]，相较于原料TS，TS-b、TS-CNC的相对结晶度分别提高了54.23%和41.53%，原料的结晶度最低，是由于纤维素结构被无定形纤维素多糖物质如半纤维素、木质素、果胶等包围，导致结晶区占比较低，经过碱液处理及氧化漂白处理，去除其中的木质素、半纤维素和果胶等杂质后，纤维素的结晶区占比增加，相对结晶度提高. TS-CNC结晶度低于TS-b的原因是由于超声处理时间过长，破坏了纤维素的结晶区.

表1 不同处理阶段的样品相对结晶度Tab. 1 Crystallinity index (CrI) of TS at different stages of treatment

2.4 热重分析通过同步热分析仪对TS、TS-CNC进行热重分析，得到热重曲线（图4）和微商热重曲线（图5）及主热解特征参数（表2）. 从图4和表2可以看出原料TS的初始降解温度为204.94 ℃，经过亚硫酸铵氧化处理及超声波破碎后TS-CNC的初始降解温度为201.47 ℃，相比原料，降低了1.7%，原因可能是纤维素纳米晶的粒径较小，比表面积大，聚合度低，裸露的活性基团较多，且不含热稳定性高的木质素，使热稳定性下降[25].

图4 TS和TS-CNC的TG曲线Fig. 4 TG curves of TS and TS-CNC

图5 TS和TS-CNC的DTG曲线Fig. 5 DTG curves of TS and TS-CNC

从图5的DTG曲线中可以看出，相较于TS，TS-CNC的主热解峰向低温区移动，热稳定性能弱于TS，在主热解温度范围内（200～400 ℃），主要是纤维素的β-1，4糖苷键和C＝O、C―C的断裂，最终裂解为CO、CO2、H2O等气体.

2.5 流变行为研究由于制备的CNC悬浮液浓度较低，因此通过使用旋转蒸发仪，除去CNC悬浮液中的部分水分，得到较高固体质量分数的CNC悬浊液，计算固体质量分数含量分别为1.76%，2.26%.

表2 样品的主热解特征参数Tab. 2 main pyrolysis characteristic parameters of samples

2.5.1 稳态剪切行为 CNC悬浮液剪切速率与黏度η的关系曲线如图6所示，CNC悬浮液的表观黏度随剪切速率增大而逐渐减小，且固含量越高，η越高. 在测试范围内，CNC悬浮液固体质量分数在达到1.76%时，悬浮液表现出明显的剪切变稀行为，在固体质量分数低于1.76%时，在高剪切速率下悬浮液表现出剪切变稀行为，这主要是由于剪切应力使CNC网络结构发生断裂，导致黏度下降，出现剪切变稀行为.

图6 不同固体质量分数烟草秸秆CNC悬浮液的表观黏度与剪切速率关系图Fig. 6 The relationship between apparent viscosity and shear rate of tobacco straw CNC suspension with different solid content

2.5.2 动态流变行为 流变体系的线性黏弹区域通过动态应变(γ)扫描确定，CNC悬浮液的储能模量G′和损耗模量G″与动态应变ε的关系曲线如图7(a)和图7(b)所示. 从图7中可以看出，应变增加到一定值，G′、G″开始下降，弹性下降明显，这是由于在一定应力作用下CNC结构被破坏，CNC悬浮液的浓度越高，G′、G″开始下降所对应的应变越小.为保证体系处于线性黏弹区域，选择应变为3.0%.

不同固体质量分数的CNC悬浮液的G′、G″与角频率ω的关系曲线如图8(a)和图8(b)所示. 随ω增加，G′和G″呈上升趋势，在低角频率时，曲线斜率随CNC固体质量分数的增加逐渐降低，当固体质量分数大于1.76%时，曲线斜率不再发生变化，表明体系在该固体质量分数下已具有明显的网络结构，表现出凝胶形态，达到凝胶形态的CNC胶体物质可应用到食品中，对食品起到保温隔热的效果.

图7 不同固体质量分数烟草秸秆CNC悬浮液的储能模量G′与损耗模量G″与动态应变的关系Fig. 7 Dependence of dynamic storage modulus G′ and loss modulus G″ on strain amplitude for different concentrations of tobacco straw CNC suspensions

2.6 CNC添加量对烟草薄片感官抽吸品质的影响设置不同的CNC添加量0%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%（以烟草薄片固含量计）添加到烟草薄片片基中，以39%涂布率进行涂布，对得到的烟草薄片进行切丝处理，分别卷制成卷烟进行感官评吸[26-28]，结果见表3. 由表3可知，CNC添加量为0.6%的烟草薄片，感官评分最高为94.42分，可以在一定程度上改善卷烟的香气，减轻卷烟的杂气和刺激性，丰富卷烟烟气.

表3 卷烟感官质量评吸结果Tab. 3 Smoking results of sensory quality assessment of cigarette

3 结论

以烟草秸秆为原料，通过过硫酸铵氧化法及超声处理成功制备了烟草秸秆纤维素纳米晶，冷冻干燥后得到纤维素纳米晶气凝胶. 通过透射电镜观察其直径达到10 nm左右，长度为50～60 nm；傅里叶红外光谱分析表明，大部分半纤维素和木质素已被除去；X射线衍射分析表明，纯化纤维素及烟草秸秆纤维素纳米晶仍保留纤维素Ⅰ型结构，纤维素纳米晶的结晶度略低于纯化纤维素，可能是由于超声处理时间过长导致；热重分析表明纤维素纳米晶的热稳定性相较于原料有所降低；流变行为表明纤维素纳米晶固体质量分数在达到1.76%时，表现出凝胶结构和明显的剪切变稀行为；将CNC按照不同添加量加入到烟草薄片片基中，添加量为0.6%（烟草薄片固含量计）时，感官评分最高，可以减轻卷烟的杂气和刺激性，丰富卷烟的香味.