磷酸鋯輔助催化水解菌糠制備納米纖維素晶體的性能

莊森煬，唐麗榮，2，盧麒麟，林鳳采，倪沛鐘，黃彪

（1福建農林大學材料工程學院，福建 福州 350002；2福建農林大學金山學院，福建 福州 350002）

?

磷酸鋯輔助催化水解菌糠制備納米纖維素晶體的性能

莊森煬1，唐麗榮1，2，盧麒麟1，林鳳采1，倪沛鐘1，黃彪1

（1福建農林大學材料工程學院，福建 福州 350002；2福建農林大學金山學院，福建 福州 350002）

摘要：以食用菌產業的副產品菌糠為原料，采用磷酸鋯催化劑輔助稀硫酸水解制備納米纖維素晶體（cellulose nanocrystals，CNCs）。與傳統酸水解方法相比，該方法簡化了工藝流程，制備過程環境友好。考察了超聲時間、超聲溫度以及稀硫酸濃度等因素對CNCs得率的影響。結果表明當超聲時間為5h、超聲溫度為75℃及稀硫酸濃度為12.3%時，CNCs得率為42.80%。采用透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）以及X射線衍射儀（XRD）對樣品的微觀形貌、譜學性能和晶體結構進行了研究分析，結果表明所制得的CNCs呈棒狀，直徑介于10～30nm之間；CNCs屬于纖維素I型，與原料菌糠相比，結晶度由63.79%增大到81.04%；且CNCs仍具有天然纖維素的基本化學結構。論文研究為菌糠的資源化高效利用開辟了新途徑。關鍵詞：菌糠；磷酸鋯；稀硫酸；催化水解；納米纖維素晶體

Key words：spent mushroom substrate; zirconium phosphate; diluted sulfuricacid; catalytic hydrolysis; cellulose nanocrystals

納米纖維素晶體（cellulose nanocrystals，CNCs）具有低密度、較高比表面積、高強度、良好的生物降解性和生物相容性及可再生等優良特性[1-2]。近年來，其作為一種聚合物增強相被廣泛應用于各領域的研究，如光電設備、生物材料、打印應用[3]、光學應用[4]及復合材料[5]。

菌糠是食用菌產業的副產品，也是一種木質纖維素原料。食用菌產業是一項集經濟效益、生態效益和社會效益于一體的短平快農村經濟發展項目，食用菌又是一類有機、營養、保健的綠色食品。發展食用菌產業符合人們消費增長和農業可持續發展的需要，是農民快速致富的有效途徑。據統計，目前我國食用菌總產量為2200萬噸，而菌糠的總產量為1320萬噸[6]，這是一筆豐富的可再利用資源。目前雖有將菌糠作為動物飼料[7]和園藝基質[8]等方面利用，但其高附加值的利用尚為空白，大部分菌糠利用率與利用價值低而且未得到有效處理而被廢棄，造成了環境污染和資源浪費。利用菌糠作為原料制備納米纖維素晶體既可變廢為寶，防治環境污染，形成農業生態的良性循環，又可開發出菌糠資源化高值利用的新途徑。

食用菌生長的營養是通過生物降解作用，把植物的殘體加以降解后利用的。植物殘體被微生物分解后，其中間產生的代謝產物可被食用菌利用，為菌絲的生長發育提供物質基礎。本研究思路正是基于菌絲在降解植物成分的生長過程中已將植物原料“咬”得“千瘡百孔”，在此基礎上，只需少許能量與工序就可將經過菌絲處理后的植物原料（菌糠）進一步加工成微納尺度材料，如納米纖維素等。

目前納米纖維素晶體的制備方法主要有3種：機械法[9]、水解法[10]和生物酶解法[11]。強酸水解法因其反應條件相對較易，且所制備的納米纖維素晶體懸浮液較穩定而最為常用，但其所產生的廢液回收困難，對環境污染嚴重，對設備腐蝕性較大。磷酸鋯是一種層狀的陽離子型化合物，具有熱穩定性好、比表面積大、力學強度高且不溶于水和有機溶劑、易回收等特點。磷酸鋯本身就是一種固體酸，且其磷酸基團的質子具有離子交換性能。在磷酸鋯層間引入含有酸性基團的有機分子與其所形成的化合物具有優異的酸催化和離子交換性能[12]。因此本文以磷酸鋯固體催化劑輔助稀硫酸催化水解，通過磺酸根作為插層劑進入磷酸鋯層間，使其層間距增大，增加了磷酸鋯表面的可接觸酸量[13-14]，從而增強了其催化性能，減少了硫酸濃度，與強酸水解相比更為簡便、綠色和高效。

本研究以磷酸鋯固體催化劑輔助稀硫酸催化水解菌糠制備納米纖維素晶體，并以單因素實驗參數為基礎設計了正交實驗，探究了超聲時間、超聲溫度及稀硫酸濃度3個主要因素對CNCs得率的影響并對其進行優化。采用SEM和TEM研究菌糠納米纖維素晶體的形貌與尺寸，通過FTIR和XRD研究其基本化學結構與晶型結構。本研究采用的磷酸鋯輔助稀硫酸催化水解菌糠制備納米纖維素的方法，具有設備腐蝕小、催化劑磷酸鋯可回收利用且制備過程高效綠色等優點；同時也開發了食用菌菌糠的一種高附加值利用的新途徑。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

原料：菌糠，福建農林大學菌草研究所。

試劑：磷酸鋯，廈門鑫達康無機材料有限公司；硫酸、氫氧化鈉、硝酸和乙醇，國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純。

1.2 實驗過程

1.2.1 原料的預處理

將菌糠洗凈、干燥、粉碎，過40目篩。采用5%（質量分數，下同）的NaOH在95℃下蒸煮，以除去木素，蒸煮后抽濾，以上步驟處理兩次后，取固形物用次氯酸鈉在50～60℃下漂白3h后抽濾除去液體，將漂白后的樣品用硝酸乙醇（體積比1∶4）在95℃下反應2.5h，進一步提純纖維素，抽濾后取固形物于燒杯中，測定其含水率。

1.2.2 預處理后原料纖維素和木素的測定

α-纖維素的測定根據GB/T 744－1989。

酸不溶木素測定根據GB/T 2677.8－1994。

經測定預處理后的原料中α-纖維素的含量為82.43%，木素含量為9.85%，灰分含量為2.21%。

結果可知，經預處理后的樣品已具有較高的纖維素含量。

1.2.3 菌糠納米纖維素晶體的制備

將預處理后的原料加入磷酸鋯和不同濃度的稀硫酸，在70℃下超聲攪拌反應5h（昆山KQ-250DB型超聲波清洗器，超聲功率250W）得到乳白色的懸浮液，離心洗滌至中性，再次離心收集上層膠體液，真空冷凍干燥得到納米纖維素晶體粉末樣品。進一步對影響納米纖維素晶體得率的因素進行分析研究，確定超聲時間、超聲溫度和酸濃度3個主要因素，并進行正交優化實驗。

1.2.4 菌糠納米纖維素晶體得率的測定

取一定量樣品膠體于稱量瓶，烘干恒重，冷卻后稱量。得率Y由式(1)計算得出。

式中，m1為烘干后樣品與稱量瓶的總質量，g；m2為稱量瓶的質量，g；m3為原料的質量，g；M為膠體的總質量，g；m0為移取膠體的體積，g。

1.3 納米纖維素晶體的表征測試

采用日本電子公司（JEOL）JEM-1010型透射電子顯微鏡（TEM）以及日本JSM-5310LV 型掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣的表面形貌、尺寸大小及分散情況進行觀察分析。采用Nicolet 380型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）進行CNCs表面官能團的表征，測試范圍為4000～400cm?1。采用荷蘭飛利浦X'Pert Pro MPD X射線粉末衍射儀觀察樣品的結晶結構，測試參數為特征射線CuKα，Ni 片濾波，衍射角2θ°=6.0°～40.0°，掃描速度0.1°/s。

2 結果與討論

2.1 磷酸鋯輔助稀硫酸催化水解菌糠制備CNCs的單因素實驗

2.1.1 超聲時間對CNCs得率的影響

由圖1可知，隨著超聲時間的延長，得率先增后下降，在5h時達到最大（40.91%），超過5h后開始下降，可能由于纖維素過度降解為葡萄糖致使得率降低。因此，超聲時間以5h為宜。

圖1 超聲時間對CNCs得率的影響

2.1.2 超聲溫度對CNCs得率的影響

由圖2可知，隨著溫度的升高，得率也先增后降，70℃時得率達最高值40.91%，溫度超過70℃后略有下降。較高溫度可促進纖維素分子氫鍵發生斷裂，聚合度下降，但溫度太高使纖維素發生水解反應，纖維素降解為葡萄糖，導致得率下降。因此，超聲溫度以70℃為宜。

2.1.3 稀硫酸濃度對CNCs得率的影響

由圖3可知，隨著稀硫酸濃度（濃度用質量分數表示）的增加，得率先增后降，稀硫酸濃度為15%時，得率最高（37.3%）；稀硫酸濃度增加到21.8%時，得率僅為25.6%。這可能是因為硫酸濃度過高導致纖維素過度降解，使CNCs得率降低。因此，稀硫酸濃度在13.8%為宜。

2.2 正交實驗結果與分析

為進一步優化實驗條件，采用正交實驗考察超聲時間、超聲溫度和酸濃度對CNCs得率的影響，實驗設計與結果見表1。由表1中的K值及R值可知，三因素對納米纖維素晶體得率的影響較為顯著的是超聲時間，超聲溫度次之，而稀硫酸濃度較小；較優條件為超聲時間5h、超聲溫度75℃及稀硫酸濃度為12.269%，此時得率為42.80%。正交分析的結果與實驗數據能夠較好地相符。

圖2 超聲溫度對CNCs得率的影響

圖3 稀硫酸濃度對CNCs得率的影響

表1 正交實驗結果

2.3 納米纖維素晶體的表征

2.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）與透射電子顯微鏡（TEM）分析

圖4 原料菌糠的掃描電鏡圖

圖4為原料菌糠的SEM圖。由圖4(a)可看出原料呈無規則的塊狀與棒狀分布，主要以塊狀為主，其中棒狀物較長約為100μm，較短約為50μm，徑長為15～20μm不等。這主要是因為菌糠中含有木素、纖維素、蛋白質等物質。由圖4(b)可看出在棒狀物上有許多的微孔，可能是由于在培養真菌過程中由真菌分泌的纖維素分解酶降解所致。

圖5為堿法蒸煮預處理后的菌糠的SEM圖。由圖5可看出長度不一的棒狀纖維素交織一起，它們之間通過一種塊狀物連接在一起，這種塊狀物可能就是木素與碳水化合物的復合體（LCC）。相比于圖4，棒狀物上的小孔消失，但連接纖維素的塊狀物上出現孔洞，可能是因為孔洞為反應源，在堿處理下，木素不斷被反應，故在塊狀物中出現孔洞；堿處理后棒狀物的徑長變短，為5～10μm不等，由于木素等其他雜質除去，棒狀物明顯增加，說明堿處理對提純纖維素的效果明顯。

圖6為CNCs的TEM圖。由圖可知，所制備的菌糠納米纖維素晶體呈棒狀，直徑為10～30nm。棒狀結構的纖維具有較好的力學性能，有利于其應用于復合材料中。

2.3.2 傅里葉變換紅外光譜分析（FTIR）

圖5 預處理后樣品的掃描電鏡圖

圖6 CNCs透射電鏡圖

圖7 原料、預處理漿料和CNCs的紅外光譜圖

FTIR譜圖如圖7所示。由圖7可知，3445cm?1附近較寬的強吸收峰為羥基—OH的伸縮振動吸收峰，2900cm?1附近對應的為亞甲基—CH2—的對稱伸縮振動吸收峰。1057cm?1為纖維素醇C—O單鍵的伸縮振動吸收峰。1162cm?1對應于C—C骨架的伸縮振動吸收，而1112cm?1附近對應纖維素分子C—O單鍵的伸縮振動。在1430cm?1處吸收峰對應纖維素—CH2—對稱彎曲振動峰。1375cm?1附近為C—H對稱伸縮振動。895cm?1附近為纖維素異頭碳(C1)的振動峰[15-16]。另一方面，1500～1600cm?1處有2～3個峰，是苯環的骨架振動，且在指紋區里650cm?1附近也有幾個振動峰，為芳環上C—H的面外變形振動，故可推斷苯環物質尚存，這是由原料中木素所致，譜圖1647cm?1為木素C=O共軛芳基酮的伸縮振動峰。

2.3.3 X射線粉末衍射分析（XRD）

圖8 X射線衍射譜圖

原料菌糠、預處理后的中間樣品以及樣品CNCs的XRD譜圖如圖8所示。三者的特征衍射峰的位置基本保持一致，其中3個最強峰分別位于14.3°、16.26°及22.57°，分別對應于纖維素晶體的{101}、{10}、{002}面，為典型的纖維素Ⅰ型譜圖[17]。說明以菌糠為原料制備的納米纖維素晶體的晶型未發生改變，屬于纖維素Ⅰ型，同時結晶度從原料菌糠的63.79%提高到預處理后的樣品的73.38%，再到CNCs的81.04%。相比于另外兩個樣品，CNCs在22.5°處的衍射峰更尖銳，相對峰強度明顯增大，表明結晶度增大。這是因為，在磷酸鋯輔助稀硫酸催化水解纖維素過程中，氫離子進入無定形區，促使纖維素的糖苷鍵加速斷裂，使無定形區及結晶區表面的部分纖維素降解，形成納米纖維素晶體，從而使得CNCs的結晶度較天然纖維素高，此外部分纖維素單晶發生重排，也進一步提高了CNCs結晶度。在圖8 (a)、(b)中還觀察到在25.34中還有一個峰，可能是在原料菌糠中含有蛋白質所致，但在圖8(c)中此峰消失，說明制備的CNCs樣品中無蛋白質雜質。

3 結 論

磷酸鋯輔助稀硫酸催化水解法制備CNCs具有簡便高效、設備腐蝕性小等優點，同時以食用菌產業的廢棄物菌糠為原料制備高附加值的納米纖維素，不僅能延長食用菌產業鏈條，提高菌糠的利用率，從而提高食用菌生產的效益，而且實現廢物再利用，變廢為寶，形成農業循環經濟，從而凈化生產環境，促進生態農業的發展。

（1）通過單因素探索實驗及正交實驗得較優工藝條件：超聲時間5h、溫度75℃及稀硫酸濃度為12.269%，CNCs的得率為42.80%。

（2）菌糠納米纖維素晶體呈棒狀，直徑10～30nm。與天然纖維素相比，菌糠納米纖維素晶體的FTIR譜圖的特征峰無明顯變化，說明CNCs基本化學結構未改變。菌糠納米纖維素晶體仍屬于纖維素Ⅰ型，結晶度由63.79% 增加到81.04%。

參 考 文 獻

[1] TANG L，HUANG B，LU Q，et al. Ultrasonication-assisted manufacture of cellulose nanocrystals esterified with acetic acid[J]. Bioresource Technology，2013，127：100-105.

[2] LU Q，TANG L，LIN F，et al. Preparation and characterization of cellulose nanocrystals via ultrasonication-assisted FeCl3-catalyzed hydrolysis[J]. Cellulose，2014，21（5）：3497-3506.

[3] TORVINEN K，SIEV?NEN J，HJELT T，et al. Smooth and flexible filler-nanocellulose composite structure for printed electronics applications[J]. Cellulose，2012，19（3）：821-829.

[4] OKAHISA Y，ABE K，NOGI M，et al. Effects of delignification in the production of plant-based cellulose nanofibers for optically transparent nanocomposites[J]. Composites Science and Technology，2011，71（10）：1342-1347.

[5] ZAMAN M，LIU H，XIAO H，et al. Hydrophilic modification of polyester fabric by applying nanocrystalline cellulose containing surface finish[J]. Carbohydrate Polymers，2013，91（2）：560-567.

[6] GAO W，LIANG J，PIZZUL L，et al. Evaluation of spent mushroom substrate as substitute of peat in Chinese biobeds[J]. International Biodeterioration & Biodegradation，2015，98：107-112.

[7] 汪水平，王文娟. 菌糠飼料的開發和利用[J]. 糧食與飼料工業，2003（6）：37-39.

[8] 李加友，苗淑杏，姚祥坦. 蘑菇菌糠二次增效發酵及其作物栽培應用[J]. 食用菌學報，2008，15（3）：75-79.

[9] BAHETI V，ABBASI R，MILITKY J. Ball milling of jute fibre wastes to prepare nanocellulose[J]. World Journal of Engineering，2012，9（1）：45-50.

[10] 劉鶴，王丹，商士斌，等. 纖維素納米晶須與水性聚氨酯復合材料的性能[J]. 化工進展，2010，29（s1）：236-239.

[11] NIDETZKY B，STEINER W. A new approach for modeling cellulase-cellulose adsorption and the kinetics of the enzymatic hydrolysis of microcrystalline cellulose[J]. Biotechnology and Bioengineering，1993，42（4）：469-479.

[12] 饒小平. 晶態混合磷酸鋯的超分子插層組裝[D]. 重慶：西南師范大學，2004.

[13] 李穎，劉可，華偉明，等. 苯磺酸修飾的層柱磷酸鋯的制備及催化應用[J]. 高等學校化學學報，2011，32（3）：731-737.

[14] 盧麒麟. 巨菌草制備納米纖維素的研究[D]. 福州：福建農林大學，2013.

[15] ALEMDAR A，SAIN M. Isolation and characterization of nanofibers from agricultural residues-wheat straw and soy hulls[J]. Bioresource Technology，2008，99（6）：1664-1671.

[16] OH S Y，YOO D I，SHIN Y，et al. Crystalline structure analysis of cellulose treated with sodium hydroxide and carbon dioxide by means of X-ray diffraction and FTIR spectroscopy[J]. Carbohydrate Research，2005，340（15）：2376-2391.

[17] QUA E H，HORNSBY P R，SHARMA H S S，et al. Preparation and characterisation of cellulose nanofibres[J]. Journal of Materials Science，2011，46（18）：6029-6045.

綜述與專論

Preparation of cellulose nanocrystals by solid catalyst zirconium phosphate assisted hydrolysis from spent mushroom substrate

ZHUANG Senyang1，TANG Lirong1，2，LU Qilin1，LIN Fengcai1，NI Peizhong1，HUANG Biao1
（1College of Material Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，Fujian，China;2Jinshan College of Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，Fujian，China）

Abstract：In this research，cellulose nanocrystals (CNCs) were prepared by solid catalyst zirconium phosphate assisted hydrolysis method from spent mushroom substrate. Compared with traditional acid hydrolysis method，this method is simpler to operate and more eco-friendly. The effect of ultrasonication time，ultrasonication temperature and the concentration of diluted sulfuric acid on the yield of CNCs were investigated. The results showed that the yield of CNCs reached 42.80%，when ultrasonication time was 5h，ultrasonication temperature was 75℃ and the concentration of diluted sulfuric acid was 12.3%. The microstructure，morphology，spectrum properties and the crystal structure of CNCs were characterized by transmission electron microscopy(TEM)，scanning electron microscope (SEM)，fourier transformation infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD)，respectively. The SEM and TEM showed that CNCs were rod-like with diameters of 10－30nm，and the FTIR analysis showed that the CNCs still kept the basic chemical structure of cellulose. The XRD pattern showed that the CNCs presented the crystal form of cellulose I. Compared with the spent mushroom substrate，the crystallinity of CNCs increased from 63.79% to 81.04%. This research proposed a new approach to efficient utilization of the spent mushroom substrate.

基金項目：“948”國家林業局引進先進林業科學技術項目（2014-4-30）、福建省教育廳A類科研項目（JA13371）及福建農林大學“校杰出青年科研人才”培養專項基金（xjq201422）項目。

收稿日期：2015-07-23；修改稿日期：2015-08-13。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.033

中圖分類號：TK 6

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）03–0866–06

共同第一作者：莊森煬（1991—），男，碩士研究生。唐麗榮（1984—），女，講師，博士，主要從事植物纖維化學與炭材料研究。E-mail tanglr0201@126.com。 聯系人：黃彪，教授，博士生導師，主要從事植物纖維化學與炭材料研究。E-mail fjhuangbiao@hotmail.com。