玉米秸秆纳米纤维素制备的工艺优化

宋亭，张丽媛,2*，于润众

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319）（2.黑龙江省农产品加工与质量安全重点实验室，黑龙江大庆 163319）（3.黑龙江八一农垦大学信息与电气工程学院，黑龙江大庆 163319）

中国在种植农作物方面具有悠久的历史。随着种植业发展势头迅猛，秸秆的燃烧产生大量 PM2.5，造成严重的环境污染[1]。但是由于玉米秸秆中含有丰富的纤维素，半纤维素和木质素，其中粗纤维的含量更是高达 31%~41%[2,3]，因此可以利用玉米秸秆这一性质将其制作成纳米纤维素，合理利用玉米秸秆资源。

纳米纤维素是指纳米材料中的纤维素至少有一维是处于纳米尺度（1~1000 nm），并且将纳米材料分散在水中可以形成稳定悬浮液的纤维素晶体[4]。以植物为原料制备纳米纤维素可根据晶型分为两类：纳米纤维素纤维或微纤化纤维素（Nanofibrillated cellulose，NFC）和纳米晶体纤维素（Nanocrystalline cellulose，CNC)[5]。与CNC短棒状的结构相比，NFC具有较大的长径比和比表面积、高结晶度、良好的亲水性、且空间膨胀性强、表面羟基被活化，较容易进行表面化学改性[6]。目前国内外制备纳米纤维素的方法主要是物理法、化学法和生物法。Shang等[7]用3 mol/L盐酸水解牛皮纸浆制备出长度为481 nm的CNC，其产率为61%。Ditzel等[8]采用62%硫酸水解玉米芯纤维素制备CNC，其长度为30~70 nm，但产率较低，仅有6.0%。孙海涛[9]通过研究发现，利用超声辅助酸法制备的玉米秸秆纳米纤维素NCSC，直径为10~60 nm，产率为38.29%。An等[10]通过纤维素酶预处理结合硫酸水解牛皮纸浆制备出长度为481 nm的纳米纤维素，产率为35.3%。胡建雪[11]利用弹射式蒸汽闪爆联合酶解法制备NFC，其直径为30~200 nm。但是这些方法普遍存在操作工艺复杂、产量少、成本高昂、样品中残留大量强酸等缺点。

本研究利用弹射式蒸汽闪爆（HDSF）联合高压均质法制备玉米秸秆纳米纤维素，利用HDSF高强度的作用力破坏木质纤维素的结构，使纤维素，半纤维素，木质素更好的分离。蒸汽闪爆法不仅效率高、纤维粒度小、环保高效，还能够提高纤维素含量[12]。与其他制备NFC的方法相比，本研究没有采用酶解法制备NFC，很大程度上简化实验步骤，节约成本，使实验更加高效有序的进行。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料和试剂

玉米秸秆：科瑞 981，大庆市农户；乙二胺四乙酸（分析纯）：荣宏化工有限责任公司；丙酮（分析纯）：富宇精细化工有限公司；十二烷基磺酸钠，十六烷基三甲基溴化铵（分析纯）：上海凯茵化工有限公司；乙二醇乙醚（分析纯）：华信化工公司；十水四硼酸钠（分析纯）：上海抚生实业有限公司。

1.1.2 仪器与设备

PHS.2C精密pH计，美国METTLER TOLEDO公司；FZ102型微型植物粉碎机，天津泰斯特公司；AB204-N分析天平，上海梅特勒-托利多仪器有限公司；TDZ5-WS多管架自动平衡离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司；SENCO恒温水浴锅，上海申生科技有限公司；QBS-200B蒸汽闪爆机，鹤壁市汽爆工程技术研究中心；AS-15高压均质机，若凡工业系统有限公司；JEM-200透射电子显微镜，日本 JEOL公司。

1.2 实验方法

1.2.1 纳米纤维素的制备

将玉米秸秆切断，洗净后晾干，粉碎并过筛至80目，置于100 mL的氢氧化钠溶液（1.5%）中浸泡24 h后进行蒸汽闪爆，过滤洗涤烘干后得到秸秆样品，放置于高压均质机中进行处理，可以使纤维细化，利于下一步操作。

去除木质素：取2 g秸秆残渣加入130 mL去离子水，1.2 g亚氯酸钠，1 mL醋酸摇匀，密封好放于75 ℃水浴锅中加热1 h，每隔1 h再加入1.2 g亚氯酸钠，1 mL醋酸直到溶液变白，停止加热用去离子水洗至中性，晾干[13,14]。

去除半纤维素：将残渣放入300 mL浓度为6%的KOH溶液中，常温静置8 h，然后在80 ℃水浴锅中加热2 h，用去离子水洗至中性，晾干[15]。

1.2.2 试剂的配置根据文献[11]

半纤维素和纤维素的计算方法如下：

式中：

m1——经过中性试剂洗涤后烘干得到的残渣的质量；

m2——经过酸性试剂洗涤后烘干得到的残渣的质量；

m3——经过硫酸水解后烘干得到的残渣的质量；

m——原始秸秆粉末质量。

木质素含量的测定采用Klason法。

1.2.3 单因素实验

氢氧化钠浓度的确定。采用不同浓度的氢氧化钠0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%进行秸秆的浸泡处理，将浸泡后的秸秆投入到爆腔中进行蒸汽闪爆，压力维持在2.0 MPa维压270 s后进行爆破，蒸汽闪爆后纤维素、半纤维素、木质素含量分析结果如图1所示。

蒸汽闪爆压力的确定。用NaOH（1.5%）浸泡过后的秸秆投入到爆腔中进行蒸汽闪爆，在 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa下维压270 s后进行爆破，蒸汽闪爆后纤维素、半纤维素、木质素含量分析结果如图 1所示。

蒸汽闪爆时间的确定。用NaOH（1.5%）浸泡过后的秸秆投入到爆腔中进行蒸汽闪爆，压力维持在2.0 MPa条件下分别对秸秆原料进行0、90、180、270、360 s的处理，蒸汽闪爆后纤维素、半纤维素、木质素含量分析结果如图1所示。

1.2.4 响应面条件的优化

根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理，基于单因素试验结果，以蒸汽闪爆压力值（A）、蒸汽闪爆时间（B）、氢氧化钠浓度（C）为响应因素，纤维素含量为（Y）为响应值，采用3因素3水平的响应面分析法进行实验设计，因素和编码水平见表 1。结果运用Design- Expert.V8.0.6软件进行数据处理和响应曲面分析。

表1 响应面试验的因素与水平设计Table 1 Factors and horizontal design of response surface test

1.2.5 微观形貌观察

将纳米纤维素超声处理30 min，使其均匀分散，取适量样品放置于400目铜网上，待样品干燥后置于透射电子显微镜下观察。

1.3 统计分析

所有指标均选取3次平均值，所得数据采用SPSS 25软件进行数据分析。

2 结果与讨论

2.1 玉米秸秆纳米纤维素单因素条件研究

由图1所示，氢氧化钠处理后的半纤维素和木质素的含量发生了显著的改变，是因为半纤维素与碱液发生剥皮反应，纤维素苷键水解裂开，半纤维素分子上的乙酰基也容易脱落下来，木质素分子结构中的酚羟基在与NaOH反应时，发生裂解，从而增加了碱液的溶解度，使反应高效、有序的进行[16]。而蒸汽闪爆前进行了碱处理也使得纤维素在高温碱处理的条件下发生了溶胀作用，这更利于半纤维素和木质素的脱离[17,18]。蒸汽闪爆处理后纤维素的含量显著增加，半纤维素和木质素的含量下降，且随着压力的升高，纤维素的含量呈现递增趋势，而半纤维素和木质素的含量呈现下降趋势。孙芳芳等[19]对秸秆皮纤维在不同压力下进行蒸汽闪爆处理的实验中也有同样的发现，从1.5 MPa到2.5 MPa，随着蒸汽压力的升高，半纤维素和木质素的含量逐渐下降；但当爆破压力大于2.5 MPa时，纤维素，半纤维素，木质素的相对含量百分数趋于稳定。造成这种结果的原因可是过高的温度使秸秆纤维更加软化，高温分解了部分纤维素；也可能是当蒸汽闪爆压力升高时，爆腔中由于水蒸气温度的升高产生了更大的机械作用力，半纤维素由于高温、高压的作用而水解为酸性物质溶于水，部分木质素降解溶于水，但仍有少量未完全分解的半纤维素和木质素细胞壁的杂质成分无法溶于水，所以即使升高蒸汽压力也无法继续降低半纤维素、木质素的含量[20]。随着蒸汽闪爆时间的延长，秸秆中纤维素含量逐渐增加，半纤维素和木质素的含量逐渐降低。这是因为在蒸汽闪爆的过程中，随着时间的延长，半纤维素的水解时间更为充分，而半纤维素水解后形成了酸性的环境有利于木质素的分解[21]。因此选取氢氧化钠浓度为1%~2%，蒸汽闪爆压力值为1 MPa~2 MPa，蒸汽闪爆时间为180 s~360 s作为响应面试验参数，进行响应面试验。

2.2 响应面优化条件

响应面优化条件及结果见表2、表3。

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Experimental designs and results for response surface analysis

2.3 响应面优化试验结果分析

根据Box-Behnken原理设计出三因素三水平的17个试验组进行响应面优化分析试验，响应面试验设计与结果见表2。用Design-Expert.V8.0.6软件对响应值和各因素的编码值进行回归拟合分析，得到二次多元回归方程：Y=45.92+0.7663A+0.6738B+0.3500C-1.46AB-1.53 AC+1.46BC-4.33A2-2.96B2-1.49C2。

对回归方程的方差分析结果见表3。从表3中可以看出，对玉米秸秆纳米纤维素建立的回归方程模型的显著性（p=0.0001）极高，失拟项（p=0.0652>0.05）不显著，模型的调整系数R2=0.9715，R2Adj=0.9348表明该模型与实际实验的拟合较好，自变量与响应面之间的线性关系较为显著，试验的误差较小，因此可以运用该回归模型来分析和预测玉米秸秆纳米纤维素中纤维素含量最高工艺参数。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

由表3的回归方程系数显著性检验可知，模型中的AC、A2、B2、C2对响应面影响极显著（p<0.01），A、C、AB、BC对响应面的影响显著（p<0.05），B、C对响应面的影响不显著（p>0.05）。在回归方程中，各因素的系数值是直接反映每个试验因子与指标值的影响效果。由各因素的均方值可知，各因素对玉米秸秆纳米纤维素中纤维素含量的影响顺序如下（蒸汽闪爆压力值（A）、蒸汽闪爆时间（B）、氢氧化钠浓度（C））：蒸汽闪爆压力值（A）>蒸汽闪爆时间（B）>氢氧化钠浓度（C），3个因素之间相互影响的主次顺序为：AC>BC>AB。蒸汽闪爆压力值，蒸汽闪爆时间，氢氧化钠浓度 3个因素在反应过程中的相互作用见图。如果响应面中曲线的走势越来越陡，就表明两个因素相互作用越显著，如果响应面曲线走势越平滑，则表明两个因素的相互作用影响越小；等高线为椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则表明交互作用不显著[22]。

由图2可以看出，等高线呈现椭圆形，表明蒸汽闪爆压力与蒸汽闪爆时间两者交互作用显著。当蒸汽闪爆压力小于1.5 MPa时等高线密集，表明蒸汽闪爆压力对玉米秸秆纤维素含量影响显著（p<0.05）；蒸汽闪爆压力在1.5~2 MPa时，曲线较为平稳，此时的等高线稀疏，说明随着蒸汽闪爆压力的不断增加，影响纤维素含量的值越来越小[23-25]。

由图3可以看出，随着3D图变化趋势的增加，其颜色逐渐加深坡度变陡，表现蒸汽闪爆压力与氢氧化钠浓度的交互作用显著（p<0.01）。蒸汽闪爆压力和氢氧化钠浓度在0水平时，纤维素含量为较大值，并且保持不变；当蒸汽闪爆压力与氢氧化钠浓度低于 0水平时，纤维素的含量随着两者的增加而增加，且呈现较明显的上升趋势[26,27]。

由图4可以看出，蒸汽闪爆时间与氢氧化钠浓度之间存在显著交互作用，固定氢氧化钠浓度，纤维素含量随着蒸汽闪爆时间的增加呈现先快速升高后缓慢下降的趋势，在同一蒸汽闪爆时间下，纤维素含量随着氢氧化钠浓度的增加而一直下降[28,29]。

2.4 响应面模型最佳条件的验证

通过 Box-Behnken实验的所得数据，利用Design-Expert.V8.0.6软件进行处理，获得了最佳的蒸汽闪爆条件为：蒸汽闪爆压力值为：1.52 MPa，蒸汽闪爆时间为：283.31 s，氢氧化钠浓度为：1.59%，在此条件下得到的纳米纤维素含量为：46.02%。为去验证响应面法的可行性，并考虑到操作过程中实验的具体可实施性，在蒸汽闪爆压力值为1.5 MPa，蒸汽闪爆时间为：285 s，氢氧化钠浓度为：0.4 mol/L，条件下进行验证性实验，通过重复3组平行实验，得到半纤维素含量 13.50%，木质素含量11.78%，纳米纤维素的含量为45.88%，与预测值46.02%的误差在1.5%以内，表明采用该响应面优化得到的工艺参数模型可靠，对提高纳米纤维素得率具有一定意义。

2.5 微观形貌分析

纳米纤维素的TEM图如图5所示。由图5可知，HDSF联合高压均质法制备出的NFC呈现纤丝状，直径为20~220 nm，这也说明了经过0.4 mol/L氢氧化钠溶液浸泡后，进行压力值为1.5 MPa，时间为285 s的弹射式蒸汽闪爆和高压均值 15次处理后形成了具有纳米径级的纤维素，而较小的直径使得纳米纤维素的水溶性能更好，应用范围更广泛。图中的纤维素出现团聚现象，这是因为纳米纤维素以较粗的纤丝聚集体的形式存在，纳米纤维素与聚集体相互缠绕构建成了三维网络结构。

3 结论

应用响应面法优化蒸汽闪爆工艺参数提高纳米纤维素含量，结果显示，模型拟合度较高，可用于纳米纤维素含量的预测与优化。氢氧化钠浓度、蒸汽闪爆压力、蒸汽闪爆时间、均对纳米纤维素得率产生显著影响。制备纳米纤维素的工艺参数条件为：蒸汽闪爆压力值为：1.5 MPa，蒸汽闪爆时间为：285 s，氢氧化钠浓度为：0.4 mol/L，在此条件下纳米纤维素得率为45.88%，与预测值46.02%的误差在0.5%以内。对比其他制备纳米纤维素的方法，弹射式蒸汽闪爆法不仅成本低廉、快捷高效、无污染，而且本研究为优化蒸汽闪爆工艺参数提高纳米纤维素得率提供了参考，为纳米纤维素进一步在食品领域的开发利用奠定了基础。