羧甲基化对木聚糖结晶能力及水铸膜成膜性能的影响

金旭宸，项舟洋

(华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室，广州 510641)

木聚糖类半纤维素(简称木聚糖)是阔叶木和禾本科植物中半纤维素的主要种类,其拥有由β-1,4-糖苷键连接的D-吡喃木糖单元构成的主链结构。在阔叶木中，部分木糖单元C2或C3位的羟基被α-D-吡喃葡萄糖醛酸或4-O-甲基-α-D-吡喃葡萄糖醛酸所取代；在禾本科植物中，部分木糖单元C2和C3位的羟基分别被4-O-甲基-α-D-吡喃葡萄糖醛酸单元及α-L-呋喃阿拉伯糖单元取代[1-2]。木聚糖储量丰富，但大部分木聚糖在制浆废液、农作物秸秆中被当成低值能源燃烧，未得到高值化利用，造成资源浪费。

木聚糖水分散性较好，干燥后分子互相交织具有形成薄膜的能力，在精细化学品特别是功能涂料及包覆剂中具有极高的应用潜能，如纸用涂布胶黏剂、食品包装阻隔涂料、食品保鲜被膜剂、缓/控释化肥包膜剂、种子包衣成膜剂等[3-7]。以水为溶剂的涂料及包覆剂本质上是在被涂覆或包覆的基质上形成一层致密完整的水铸膜，该水铸膜的性能是影响涂料及包覆剂品质的关键因素。然而，木聚糖水铸膜的成膜性能参差不齐，成膜之后的力学性能也往往达不到应用要求，通常需要进一步的化学改性才能达到实际使用要求。碱法分离由于得率较高，是木聚糖常用的分离方法，碱法分离过程中木聚糖的乙酰基会被完全脱除，使其具有与水分子形成水合晶体的能力[8]。在前期研究中发现，木聚糖的水合结晶是阻碍脱乙酰木聚糖水铸膜成膜的关键因素，而脱乙酰木聚糖的结晶又受到其支链的调控。脱乙酰木聚糖的支链度越高，其结晶能力越差，其水铸膜成膜性能越好[9]；然而，脱乙酰木聚糖的支链度过高，又会反过来降低其水铸膜成膜后的力学性能[10]。因此，脱乙酰木聚糖的支链度需保持在一个合适的程度，一方面使其能够形成水铸膜，一方面保证其水铸膜具有较强的力学性能[9-10]。

基于上述研究，笔者假定通过化学衍生化增加脱乙酰木聚糖的支链也能够降低其结晶能力，并提高其水铸膜成膜性能；同时，通过调控化学衍生化的支链度在一个合适的程度，将能够使脱乙酰木聚糖水铸膜具有较高的力学性能。为验证上述假设，选取原生支链度较低的脱乙酰化木聚糖为原料，采用羧甲基化的化学衍生化手段，增加木聚糖的支链基团数量，分析衍生化支链对木聚糖结晶能力及水铸膜成膜性能的影响，力求为木聚糖在涂料及包覆剂中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验原料

氢氧化钠、异丙醇、氯乙酸钠等药品购自上海麦克林生化科技有限公司，冰醋酸购自上海润捷化学试剂有限公司，无水乙醇购自上海泰坦科技有限公司，所有样品均为分析纯级。蔗渣木聚糖购自上海源叶科技有限公司，其化学组分(质量分数)如下：76.5%的木糖，7.5%的阿拉伯糖以及3.9%的葡萄糖醛酸，且不具有乙酰基[9]。

1.2 样品制备

1.2.1 羧甲基木聚糖的制备

将10 g粉末状蔗渣木聚糖加入50 mL 25%(质量分数)氢氧化钠溶液和70 mL异丙醇混合液中，在30 ℃下连续搅拌30 min后，加入40 g氯乙酸钠，于65 ℃反应70 min。反应过程使用RW20型机械搅拌器(德国IKA)搅拌，搅拌速率为400 r/min。

反应完毕后，用水溶解反应后浆状液体，用5 mol/L冰醋酸将其pH调至5.5。溶液经减压浓缩后透析1 d(透析袋分子截留量为35 000)。将透析后的溶液缓慢倒入3倍体积的95%(体积分数)乙醇溶液中沉淀。沉淀经70%乙醇多次洗涤后冻干，得到羧甲基木聚糖样品。重复上述反应过程1～3次，最终得到4种不同取代度的羧甲基木聚糖样品CMH1～CMH4。

1.2.2 羧甲基木聚糖水铸膜的制备

将0.6 g羧甲基木聚糖分散于8 mL去离子水中，得到7.5%(质量分数)的铸膜液。将铸膜液于90 ℃下搅拌30 min，转速为350 r/min。搅拌结束后，将铸膜液倒入聚四氟乙烯模具(65 mm×40 mm，长×宽)中，于LHS-50CL型恒温恒湿干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)中以温度50 ℃、相对湿度75%干燥24 h。接着在25 ℃室温条件下，将薄膜分别置于装有饱和LiCl、饱和MgCl2和饱和NaCl溶液的干燥皿(相对湿度分别为11%，33%和75%)及恒温恒湿室(相对湿度50%)中干燥或平衡24 h。

1.3 样品表征

1.3.1 羧甲基取代度测定

根据Peng等[11]提供的滴定方法测定CMH1～CMH4的羧甲基取代度。

1.3.2 分子量测定

利用装配有示差显示器的Agilent 1100型高效液相色谱(美国Agilent)测定蔗渣未改性木聚糖及CMH样品的重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)。流动相为NaNO3-Na2HPO4溶液(摩尔比为0.100∶0.001)，流速为0.6 mL/min，柱温为40 ℃。约2 mg的木聚糖粉末溶解于1.5 mL流动相，检测进样量为10 μL。用葡聚糖标样作分子量标准曲线。

1.3.3 红外光谱表征

用Nicolet IS50型红外光谱仪(FT-IR，美国Thermo Fisher)记录CMH粉末样品的红外光谱，仪器分辨率为4 cm-1，仪器扫描范围为400～4 000 cm-1。

1.3.4 X射线衍射表征

木聚糖样品的X射线衍射表征(XRD)是在40 kV和40 mA的条件下由对称反射模式的X’Pert Powder型X射线衍射仪(荷兰Eindhoven)测定。冻干后的木聚糖样品被安装在中心孔深为200 μm的粉末样品台上，轻轻按压样品后，用平刃将表面以上的多余部分擦掉。

1.3.5 溶液黏度测定

将羧甲基木聚糖样品CMH1～CMH4充分溶解在水中，配制为质量分数为10%及20%的溶液。取适量体积溶液，用LY-SSR型转子黏度计(上海方瑞仪器有限公司)测量在30～100 r/min的转速范围里测定溶液的黏度，每份溶液黏度测量2次。

1.3.6 羧甲基木聚糖水铸膜力学性能测定

拉伸试验在恒温恒湿室进行，温度为25 ℃，相对湿度为50%。将水铸膜预先剪成长方形样条(4 cm ×1 cm，长×宽)状，从具有不同相对湿度环境的干燥皿拿出后(在恒温恒湿室干燥的样品除外)立即用INSTRON 5565型材料试验机(美国Instron)对样条进行抗拉强度及弹性模量(MOE)测试。每种相对湿度条件下的样条至少取8张进行测试，夹具间距离设定为3 cm，拉伸速率为 5 mm/min。

1.3.7 羧甲基木聚糖水铸膜动态力学性能分析

为了测定部分CMH水铸膜的玻璃化转变温度(Tg)，动态力学温度扫描用DMA Q800(美国TA)进行测量。水铸膜样品需进一步裁剪为长和宽分别为10和5 mm的小样条。夹具间的有效长度为6 mm，每组样品至少取3张样条进行测试。动态应力的振动频率为1 Hz，测试时的温度为25 ℃，相对湿度为50%。样条被冷却至-60 ℃平衡2 min，按5 ℃/min速率升温，在-60～110 ℃的温度范围内进行数据测量。

2 结果与分析

2.1 羧甲基木聚糖的取代度及分子量

木聚糖的羧甲基改性反应式见图1，未改性木聚糖(UX)和羧甲基木聚糖样品CMH1～CMH4取代度及分子量见表1。随着羧甲基化反应程度的增加，CMH1～CMH4的取代度之间增大，其范围为0.27～0.92。羧甲基木聚糖的分子量变化不大，Mn在40 000左右变化，Mw在60 000左右变化，说明羧甲基化反应对木聚糖的降解较少。取代度高的木聚糖较取代度低的分子量有一定程度的提高，应是羧甲基基团带来的分子量增量所致。

图1 木聚糖羧甲基改性反应式Fig. 1 Scheme of xylan carboxymethylation

表1 未改性木聚糖及羧甲基木聚糖的取代度和分子量Table 1 Degree of substitution and molecular weight of unmodified xylan and carboxymethylated xylan

2.2 羧甲基木聚糖的红外表征

未改性木聚糖及羧甲基木聚糖CMH2的红外谱图如图2所示，其中3 300，2 930，1 044 和898 cm-1处均为木聚糖的特征峰；3 300 cm-1处的吸收峰来源于木聚糖丰富的—OH基团的伸缩振动，2 930 cm-1为C—H基团的伸缩振动峰，1 044 cm-1为糖苷键中C—O基团的伸缩振动峰，898 cm-1为β糖苷键的特征峰[12]。此外，未改性木聚糖在1 750 cm-1附近没有出现特征峰，说明其不具有乙酰基，为脱乙酰木聚糖[12]。与未改性木聚糖不同的是，CMH2在1 598和1 427 cm-1处具有2处明显的特征峰，1 598 cm-1为COO-基团的特征峰[13]，1 427 cm-1处则为CH2基团的剪切振动峰[11]，说明羧甲基被成功接枝到木聚糖上。

图2 未改性木聚糖及羧甲基木聚糖CMH2红外谱图Fig. 2 FT-IR spectrum of unmodified xylan and carboxymethylated xylan CMH2

2.3 羧甲基木聚糖水溶液黏度表征

CMH2～CMH4样品水溶液黏度的变化见图3。由图3可见，20%(质量分数)CMH溶液黏度高于10% CMH溶液。随着剪切速率的增加，CMH溶液的黏度反而下降，出现剪切变稀现象，这说明CMH溶液为假塑性流体。CMH2的剪切变稀现象尤为明显。剪切变稀现象的出现是由CMH残余羟基与水分子在静止状态下形成的氢键随着剪切速率的增大而被逐步破坏所致[5,14]。CMH2的取代度较低，残余羟基较多，因此静止状态下与水分子形成的氢键更多，因而剪切变稀现象较为明显。在同一剪切速率下，CMH2溶液的黏度最高。这是由于CMH2羧甲基取代度低，与水分子的氢键结合较多，造成水合半径较大所致。随着羧甲基取代度的增加，CMH3、CMH4溶液的黏度依次降低。

a) 10%(质量分数)溶液; b) 20%(质量分数)溶液。图3 羧甲基木聚糖水溶液黏度Fig. 3 Viscosity of carboxymethylated xylan

2.4 羧甲基化改性对木聚糖结晶能力的影响

未改性木聚糖及羧甲基化木聚糖粉末的XRD谱图如图4所示。本研究选用的未改性脱乙酰木聚糖支链度非常低，造成其结晶能力非常强，具有典型的脱乙酰木聚糖水合晶XRD特征峰，这与前期研究结论相符合[9]。羧甲基化后，木聚糖的结晶能力明显下降；随着羧甲基取代度的增大，CMH1和CMH2特征峰半峰宽变大，峰型变得不明显，说明结晶度下降[15]；当取代度增加至0.85时，对应的CMH3样品除了110晶面的特征峰，其他特征峰几乎消失；当取代度增加至0.92，对应的CMH4呈明显无定形态。这与前人对羧甲基木聚糖结晶度的研究结果相符[16]，相似的现象也能在羧甲基纤维素中发现[17]。此外，羧甲基木聚糖的分子量变化不大，可以排除分子量对其结晶能力的影响。因此可以得出结论，羧甲基木聚糖的结晶能力与其羧甲基支链的数量呈负相关。

图4 未改性木聚糖及羧甲基木聚糖的粉末XRD谱图Fig. 4 Powder XRD profiles of unmodified xylan and carboxymethylated xylan

2.5 羧甲基化改性对木聚糖成膜性能的影响

水分子在多糖基材料中是作为一种塑化剂存在的，因而含水率的变化能够改变木聚糖的成膜性能及薄膜的力学性能[18-19]。木聚糖具有较强的吸湿性，在引入羧甲基后，吸湿性更强，因此要准确评价羧甲基木聚糖的成膜性能，需要分析羧甲基木聚糖在不同相对湿度条件下的成膜性能。选取了11%，33%，50%及75%相对湿度(RH)条件进行研究。在75% RH下，未改性木聚糖无法形成完整的水铸膜，游离水挥发之后呈碎裂状；而羧甲基木聚糖的成膜性随着羧甲基取代度增大而得到改善，取代度为0.27的CMH1样品形成的水铸膜带有明显裂纹，取代度等于或大于0.58的CMH2～CMH4样品则能够形成完整水铸膜(图5)。

图5 未改性木聚糖及羧甲基木聚糖在75%相对湿度下的成膜情况Fig. 5 Film formability of unmodified xylan and carboxymethylated xylan under 75% relative humidity

木聚糖在不同RH条件下的成膜性能总结在表2中。未改性木聚糖及CMH1样品在选取的RH条件下均未能成膜，游离水挥发之后呈碎裂状。CMH2在11%及33% RH下，水铸膜失水之后出现严重皱缩，产生较大褶皱。CMH3在选取的RH条件下均能形成完整的可揭下的薄膜。CMH4与CMH3的情况相似，但在75% RH下，CMH4的游离水无法完全挥发，呈现凝胶状，无法形成可揭下的薄膜(图5)。综合来看，CMH3的成膜性最好。

表2 不同相对湿度条件下未改性木聚糖及羧甲基木聚糖的水铸膜成膜性能及薄膜力学性能Table 2 Water cast film formability and film mechanical properties of unmodified xylan and carboxymethylated xylan under different relative humidity

上述结果表明，羧甲基木聚糖的水铸膜成膜性能受到其羧甲基取代度的调控，高取代度的羧甲基木聚糖易于形成完整的水铸膜。结合羧甲基木聚糖的结晶能力(图4)可以看出，羧甲基木聚糖的水铸膜成膜性能也与其结晶能力密切相关，这与前期的研究结论相符合[9]。随着羧甲基化取代度的提高，羧甲基木聚糖的结晶度下降，而成膜性能得到提高。因此，可以推导出羧甲基化的木聚糖与天然分离的木聚糖在水铸膜成膜性能方面具有相似的构效关系[9]：羧甲基木聚糖的水铸膜成膜性能同样受其结晶过程的阻碍，而羧甲基木聚糖的结晶能力同样受其羧甲基支链的抑制。但是，如果羧甲基取代度过高，木聚糖的吸湿性及亲水性过强，在较高的相对湿度条件下，游离水分无法完全挥发，无法形成可揭下的薄膜。

选取完整且能揭下的薄膜在对应RH条件下进行力学性能测试，结果表明CMH2、CMH3及CMH4水铸膜均在50% RH的条件下具有最佳的力学性能，其抗拉强度分别为10.30，6.50和0.26 MPa，其弹性模量分别为482.6，254.8和9.7 MPa，远高于其他条件下的力学性能。这可能是因为在RH小于50%时，水铸膜失水收缩，造成较多的应力集中点；而RH大于50%时，水铸膜含水量较大，过于柔软，而刚性不足。对比不同羧甲基取代度的木聚糖薄膜，发现取代度0.58的CMH2水铸膜力学性能最强(取代度为0.27的CMH1不能成膜)，随着取代度的增加，水铸膜力学性能反而降低。一方面，随着取代度的增加，木聚糖分子链上的羟基基团减少，相互之间的氢键结合减弱；另一方面，羧基基团数量明显增加，在含水的情况下电离成COO-基团，这些基团相互排斥，木聚糖分子链之间作用力减弱，其水铸膜的力学性能有所降低。前人的研究发现取代度在0.3～0.7之间的羧甲基木聚糖薄膜的力学性能随着取代度的增加而增大，和本研究结果有一定出入，但是其木聚糖的种类及结构不同，且研究的取代度范围不完全重合，因而并不能反证本研究的羧甲基木聚糖薄膜的力学性能变化规律[20]。基于上述结果可以推导出在可以成膜的羧甲基取代度范围内，羧甲基支链越少，羧甲基木聚糖水铸膜的力学性能更优，这是由于更多的氢键结合所致。因此，羧甲基化改性必须适度才能获得力学性能较好的木聚糖水铸膜。

水铸膜CMH2及CMH3的动态力学分析(DMA)图见图6a、b。在-60～40 ℃，CMH2和CMH3水铸膜的储能模量(弹性模量)均大于损失模量，说明CMH水铸膜发生的是弹性形变。此外，水铸膜的玻璃化转变温度(Tg)由损耗角(tanδ)的峰值决定。CMH2的Tg约为38 ℃，而CMH3的Tg约为28 ℃；说明羧甲基化改性有利于木聚糖Tg的降低。由于材料Tg的降低有利于材料成膜[21]，因此再次验证了羧甲基化改性有利于木聚糖成膜性能的提升。

a)CMH2水铸膜；b)CMH3水铸膜。图6 羧甲基木聚糖水铸膜DMA热扫描图 Fig. 6 DMA heating scan of carboxymethylated xylan films

3 结 论

利用蔗渣脱乙酰木聚糖与氯乙酸钠在碱性环境中多次反应，制备出羧甲基取代度为0.27～0.92的羧甲基木聚糖(CMH)样品，并重点研究了羧甲基化对脱乙酰木聚糖结晶能力及水铸膜成膜性能的影响，主要结论如下：

1)羧甲基化改性有利于改善脱乙酰木聚糖的水铸膜成膜性能。随着羧甲基取代度增加，CMH分子链上羧甲基支链数量增加，CMH的结晶能力变弱、Tg降低，其水铸膜成膜性能增强。

2)羧甲基化改性不利于脱乙酰木聚糖水铸膜力学性能的提升。羧甲基取代度为0.58的CMH2水铸膜力学性能最佳，其在50% 相对湿度条件下的抗拉强度为10.30 MPa，而取代度为0.85 及0.92的水铸膜在相同条件下的抗拉强度分别为6.50和0.26 MPa，说明在可以成膜的羧甲基取代度范围内，羧甲基取代度越低，羧甲基支链的数量越少，羧甲基木聚糖水铸膜的力学性能越高。羧甲基取代度提高，木聚糖分子链之间氢键被破坏，分子间作用力减弱，导致其水铸膜的力学性能降低。