改性納米薯渣纖維素的制備優化及其形貌表征

程亞嬌，郭婷，李本姣，游玉明，趙丹，秦春青，劉雄

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

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改性納米薯渣纖維素的制備優化及其形貌表征

程亞嬌，郭婷，李本姣，游玉明，趙丹，秦春青，劉雄*

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

摘要對納米纖維素(cellulose nanocryslal,CNC)進行羧甲基化改性，以提高其再分散性。以取代度(degree substitution,DS)為響應值，利用響應面法(response surface methodology,RSM)優化羧甲基納米纖維素(N-CMC)的制備工藝，并運用透射電鏡(TEM)對改性前后的CNC進行形貌表征，研究羧甲基改性對納米纖維素結構的影響。結果表明：對N-CMC取代度有顯著影響的4個因素為，NaOH/CNC質量比、NaOH/一氯乙酸(MCA)摩爾比、醚化Ⅰ段溫度和醚化Ⅰ段時間；中心組合設計結合RSM分析確定主要影響因素的最佳水平組合為，NaOH/CNC質量比1.44、NaOH/MCA摩爾比2.40、醚化I段溫度50℃、醚化I段時間50 min，此條件下N-CMC取代度的平均值為1.343±0.015，與理論預測值1.364相符。TEM分析顯示，改性后的CNC仍保持了球形的結晶結構，只是粒徑略有增大，且表面結構更加疏松。羧甲基取代納米纖維素表面的部分羥基，并未顯著影響其結晶結構，且有利于其在極性介質中的再分散。

關鍵詞納米纖維素；羧甲基改性；響應面分析；形貌表征

納米纖維素具有尺寸小、力學性能優異、可生物降解及可再生等優點，在增強復合材料領域具有廣闊的應用前景。然而，它的高比表面積及眾多的表面活性羥基，使其在干燥過程中，顆粒間極易通過范德華力及氫鍵作用而發生團聚，且溫度越高，不可逆團聚程度越大[1]，團聚后的納米纖維素很難用物理方法實現再分散，這極大地限制了其應用方式及范圍。對納米纖維素進行適當的修飾以提高它的再分散性，成為近年來該領域的研究熱點之一。

目前，對納米纖維素的改性研究多集中在疏水性改性上，親水性改性鮮見報道。疏水性改性能夠提高其在非極性分散體系中的再分散性，但還存在很多難題。首先，在反應過程中，很難將極性差別較大的疏水性物質與親水性的納米纖維素充分混合，使得反應產物不均一。其次，采用接枝聚合等改性手段，不僅反應條件苛刻，且存在接枝效率低、接枝均聚物多等問題[2-4]。本試驗旨在采用一種簡單高效的方法來改善納米纖維素的再分散性。用羧甲基取代納米纖維素表面的部分羥基，通過增大分子間靜電斥力，減少干燥過程中由于氫鍵閉鎖而導致纖維素發生的不可逆角質化作用，達到提高納米晶體再分散性的目的。將羧甲基修飾的納米纖維素添加到含極性基團的分散體系中，可用于制備滿足特定要求的納米復合材料。

改性過程中取代度的控制非常重要，取代度過低，不能有效改善CNC的再分散性，取代度過高則會導致納米纖維素的結晶結構遭到嚴重破壞，結晶度急劇下降，溶解度大幅增加，從而失去其本身的顆粒特性[5]。因而在保證其結晶結構僅受到較低程度破壞的前提下，盡可能地提高取代基的含量，是改善其再分散性亟待解決的關鍵問題。

1材料與方法

1.1材料與試劑

甘薯渣，四川光友薯業有限公司提供；α-淀粉酶，北京奧博星生物技術有限責任公司；NaOH、H2O2、濃H2SO4、一氯乙酸、異丙醇、甲醇、無水乙醇、冰醋酸等均為分析純。

1.2儀器與設備

KQ 3200DB型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；PHS-3型精密酸度計，上海大普儀器有限公司；GYB60-6s型高壓均質機，上海東華高壓均質機廠；YC-015 實驗型噴霧干燥機，上海雅程儀器設備有限公司；85-2A數顯恒溫磁力攪拌器，常州博遠實驗儀器分析廠。

1.3實驗方法

1.3.1納米纖維素的制備[6]

將原料甘薯渣充分洗滌，除去其中的雜質和可溶性物質，置于恒溫鼓風干燥箱中，80℃條件下干燥8 h，超微粉碎后過180目篩。以得到的超微粉碎薯渣為原料，利用超聲波輔助酸水解法(體積分數65%H2SO4)提取納米纖維素，均質后得到穩定的薯渣納米纖維素懸浮液，噴霧干燥后保存備用。

1.3.2納米纖維素的羧甲基化改性[7-8]

在裝有冷凝管和機械攪拌裝置的三口燒瓶中加入1.00 g納米纖維素和45 mL異丙醇，攪拌均勻后將整個體系置于恒溫水浴裝置中，在一定溫度下，逐滴加入2 mL的NaOH溶液，攪拌一定時間，完成堿化過程；向上述堿化纖維素中逐滴加入一定量的一氯乙酸(溶解于15 mL異丙醇中)，一定溫度下恒溫水浴反應一段時間(醚化I段)；再向上述反應體系中逐滴加入1 mL的NaOH溶液，升溫繼續反應一段時間(醚化II段)。反應結束后，將所得產物過濾，懸浮于80%甲醇中，用90%醋酸中和至pH 7.5～9，用體積分數70%乙醇洗3次，甲醇洗1次，在真空低溫條件下烘干得到羧甲基納米纖維素。

1.3.3取代度的測定

根據ASTM D1439-03[9]測定羧甲基納米纖維素的取代度。

1.3.4響應面設計與數據處理

利用分析軟件Design-Expert 8.06進行試驗設計及數據分析。以取代度為響應指標，采用兩步法進行優化：首先利用Plackett-Burman (PB)設計挑選出對響應指標影響較大的幾個因素；然后再利用中心組合設計(CCD)對PB實驗篩選到的關鍵因子做進一步的分析，通過實驗數據擬合得到二階響應面模型，最終確定最優實驗條件，并進行驗證。

PB試驗設計：根據羧甲基纖維素的制備原理，結合有關方面的文獻報道[10-14]，對影響羧甲基纖維素取代度的8個主要因素進行全面考察，選用包含3個虛擬因素共12次試驗的PB設計。每個因素取2個水平：低水平用“-1”表示，高水平用“+1”表示。試驗均作3個平行，結果以平均值表示。試驗設計因素水平表見表1。

CCD試驗設計：以PB試驗篩選出的關鍵因子為考察對象，以取代度為響應值，進行中心組合試驗優化制備工藝。試驗設計因素水平表見表2。

1.3.5形貌表征

分別將改性前后的納米纖維素懸浮液稀釋到一定濃度，超聲處理并離心后，取部分滴于銅網上，待樣品晾干后，采用透射電子顯微鏡(JEM-2100)觀察其改性前后微觀形貌的變化。

表1　Plackett-Burman設計因素水平表

表2　中心組合設計因素水平表

2結果與分析

2.1PB試驗確定顯著影響因素

采用Design-Expert軟件對PB試驗設計結果(表3)中的數據進行顯著性分析，結果見表4。由表4可知，該數據具有統計學意義(P<0.05)，通過回歸分析得出響應值對因素編碼自變量的初步多元線性回

表3　Plackett-Burman試驗設計結果

表4　回歸模型方差分析

注：P<0.05，表示差異顯著。

歸方程為:

Y=+1.120+0.069 X1-0.013 X2+6.048e-3X3-0.035 X4+0.066 X5-0.028 X6-0.018 X7-0.010 X8

(1)

2.2CCD試驗確定顯著因素的最優水平

對中心組合試驗設計結果(表5)進行二次多項式回歸擬合，得到響應值與4個編碼自變量之間的初步回歸模型為：

Y=+1.270+0.120A+0.034B+0.039C-1.820e-3D+0.029AB+0.019AC+0.032AD-0.022BC+0.054BD-0.045CD-0.130A2-0.038B2-0.140C2-0.018D2

(2)

2.2.1回歸模型方差分析

表5　中心組合設計方案及結果

對模型中回歸系數的顯著性檢驗表明:A、C、BD、A2、B2、C2對取代度有極顯著影響(P<0.000 1)，B、CD對取代度影響高度顯著(P<0.001)，AB和AD對取代度影響顯著(P<0.05)，其他項系數影響均不顯著(P>0.05)。根據系數估計值A=0.120，B=0.034，C=0.039，D=-1.820e-3可知，影響因素的主效應關系為：A>C>B>D，且由方差分析可知，因素D(P>0.05)對響應值影響不顯著。

表6　回歸模型方差分析

注：P<0.001，表示差異極顯著；P<0.01，表示差異高度顯著；P<0.05，表示差異顯著。

2.2.2響應面分析

為進一步研究相關變量之間的交互作用，并在整個待定區域內確定各因素的最優取值范圍，繪制了各自變量對響應值交互影響的響應曲面圖和等高線圖(圖1～圖6)。

響應曲面圖可以直觀地反映各因素對響應值的影響程度，響應面曲線越陡，表明該因素對響應值影響越大，反之亦然。由圖2-a、圖4-a和圖5-a響應面的陡峭程度可知，各因素對響應值影響效應依次為：A>C>B>D，這與方差分析結果相一致。等高線圖可直觀反映出兩變量交互作用的顯著性。在另外2個自變量處于中心水平時，每條輪廓線的彎曲程度就表明交互作用項的顯著程度，曲率越大，越趨向橢圓表明兩因素交互作用越強，反之，越趨向圓形則表明兩因素交互作用越弱[16]。各個自變量的最大預測值就在等高線圖中最小的橢圓里。圖2-b和圖4-b等高線輪廓呈圓形，表明AC、BC兩交互作用項不顯著。其余4個交互作用項的等高線圖均呈橢圓，表明交互作用均顯著，且圖5-b等高線曲率最大，圖6-b次之，因此BD交互作用極顯著，CD高度顯著。

綜合分析圖1-a、圖2-a和圖3-a可知，響應值隨NaOH/CNC質量比出現先增大后減小的趨勢。原因是反應體系中堿濃度增加，有利于堿化纖維素的生成和醚化反應的進行，但是過高濃度的游離堿，會促使氯乙酸水解，副反應加劇，降低醚化劑利用率，從而降低取代度[17-18]。分析圖1-a、圖4-a和圖5-a可得，在試驗水平范圍內，響應值隨著NaOH/MCA摩爾比的增大而增大，表明該反應必須在一定的堿性環境中進行。為獲得最佳取代度，必須嚴格控制納米纖維素、NaOH與MCA三者用量比，因而AB間交互作用顯著。

由圖2-a、圖4-a和圖6-a響應曲面圖可知，響應值隨醚化I段溫度的升高先增大后減小。同理，由圖3-a、圖5-a和圖6-a可以直觀地看出，醚化I段時間響應面曲線十分平滑，且響應值隨隨醚化I段時間的延長出現緩慢增大的趨勢。醚化I段主要是醚化劑與游離堿的中和反應及醚化劑在堿纖維素中的擴散和滲透，這一階段溫度宜低，時間應較長。堿對纖維素的親和力大于MCA對纖維素的親和力[19]，因而時間較長有利于氯乙酸在堿纖維素中的充分滲透和均勻分散。溫度不宜過高，否則醚化反應速度過快，一方面引起局部反應，另一方面在納米纖維素表面生成的N-CMC膠粒將阻礙MCA的進一步擴散、滲透和反應，導致取代不均勻[20]。溫度會顯著影響醚化劑擴散和滲透的速度，進而影響醚化I段完成的時間，因此CD間交互作用高度顯著。

2.3最佳工藝條件的確定與驗證

從上述回歸模型中求得最佳工藝條件為: NaOH/CNC質量比1.44、NaOH/MCA摩爾比2.4、醚化I段溫度49.75℃、醚化I段時間50 min，此條件下取代度預測值為1.364。考慮到實際操作，將上述條件修正為：NaOH/CNC質量比1.44、NaOH/MCA摩爾比2.4、醚化I段溫度50℃、醚化I段時間50 min。

驗證實驗結果表明：在修正的最佳工藝條件下，取代度平均值為1.343±0.015，預測精度高達98.46%，證明該模型可用于N-CMC取代度的預測。

圖1　NaOH/CNC質量比與NaOH/MCA摩爾比對取代度影響的響應面和等高線Fig.1　Effects of NaOH/CNC mass ratio and NaOH/MCA molar ratio on substituting degree of response surface and contour

圖2　NaOH/CNC質量比與醚化I段溫度對取代度影響的響應面和等高線Fig.2　Effects of NaOH/CNC mass ratio and Etherification temperature at I phase on substituting degree of response surface and contour

2.4形貌表征

為觀察改性前后納米纖維素的粒徑和形態變化，分別取部分經超聲并離心處理的羧甲基納米纖維素/乙醇懸浮液和納米纖維素/去離子水懸浮液滴于銅網上，干燥后用透射電鏡觀察，得到其TEM照片(見圖7)。由圖7-a、圖7-b和可觀察到，薯渣納米纖維素呈典型的球形，粒徑主要分布在20～40 nm。薯渣納米纖維素的粒徑小，比表面積大，且表面含有眾多活性羥基，使顆粒間存在較強的分子間作用力及氫鍵作用，導致納米纖維素粒子極易發生團聚。即使分散均勻的懸浮液，在溶劑揮發過程中，銅網上的顆粒仍有部分發生團聚，因而會觀察到圖中納米纖維素顆粒出現粘連和堆疊的現象[21]。

圖3　NaOH/CNC質量比與醚化I段時間對取代度影響的響應面和等高線Fig.3　Effects of NaOH/CNC mass ratio and Etherification time at I phase on substituting degree of response surface and contour

圖4　NaOH/MCA摩爾比與醚化I段溫度對取代度影響的響應面和等高線Fig.4　Effects of NaOH/MCA molar ratio and Etherification temperature at I phase on substituting degree of response surface and contour

圖5　NaOH/MCA摩爾比與醚化I段時間對取代度影響的響應面和等高線Fig.5　Effects of NaOH/MCA molar ratio and Etherification time at I phase on substituting degree of response surface and contour

圖6　醚化I段溫度與時間對取代度影響的響應面和等高線Fig.6　Effects of Etherification temperature and time at I phase on substituting degree of response surface and contour

從圖7-c、圖7-d可以看出，改性后的納米纖維素仍為具有結晶結構的球形顆粒，顆粒粒徑并沒有發生明顯改變，只是略有增大，集中分布在30～50 nm。羧甲基基團的引入，一方面使納米纖維素顆粒表面變得蓬松，粒子之間堆砌松散[22]；另一方面羧甲基之間的靜電斥力，使顆粒之間的吸附作用大為減弱，因而改性納米纖維素的再分散性得到改善。另外，從圖7中也可以看出，羧甲基納米纖維素的結構更加疏松，這是由于反應過程中，CNC表面致密的結晶結構遭到破壞，纖維素晶體內表面的活性增加，微孔結構得到改善，從而形成疏松多微孔的表面[23-25]。

圖7　納米纖維素(a) (b)與羧甲基納米纖維素(c) (d)的透射電鏡圖Fig.7　Transmission electron microscopy (TEM) of nano cellulose (a) (b) and carboxymethyl cellulose (c) (d)

3結論

(1) 綜合文獻資料選定了影響羧甲基納米纖維素取代度的8個因素及其高低水平，通過PB設計確定了對取代度有顯著影響的4個因素：NaOH/CNC質量比、NaOH/MCA摩爾比、醚化I段溫度和醚化I段時間，對取代度影響不顯著的因素，則根據其對響應值表現出的正負效應，相應地取試驗水平的上下限值。

(2) 中心組合設計結合響應面分析建立了響應值與4個主要因素的二次回歸模型，對該模型進行優化，得到4個主要因素的最佳水平組合為：NaOH/CNC質量比1.44、NaOH/MCA摩爾比2.4、醚化I段溫度50℃、醚化I段時間50 min。該條件下取代度理論預測值為1.364，實測平均值為1.343±0.015，預測精度高達98.46%，證明該模型具有準確性和可行性。

(3) 形貌表征結果顯示，羧甲基改性并未對納米纖維素的基本結構產生明顯影響，改性后的納米纖維素粒徑集中分布在30～50 nm，比改性前略有增大，但羧甲基納米纖維素的表面結構更加疏松，為其應用提供了有利條件。

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Response surface methodology for optimization and characterization of modified cellulose nanocrystals from sweet potato residue

CHENG Ya-jiao, GUO Ting, LI Ben-jiao, YOU Yu-ming, ZHAO Dan, QIN Chun-qing, LIU Xiong*

(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715，China)

ABSTRACTIn this study, cellulose nanocrystal (CNC) was modified by carboxymethylation to improve their re-dispersion. Specifically, the response surface methodology (RSM) was applied to optimize the preparation conditions of carboxymethylated cellulose nanocrystal (N-CMC) to obtain the maximum substitution degree (DS) of CNC. Compared with the original morphology of CNCs, modified CNC was characterized by transmission electron microscopy (TEM) to study the effect of carboxymethylation on the crystalline structure of CNC. The results showed that the DS of N-CMC was significantly influenced by NaOH/CNC mass ratio, NaOH/monochloracetic acid (MCA) mole ratio, first-stage etherification temperature and time. RSM analysis based on Central Composite Design was applied to assess the optimal values of the selected factors, and the optimal conditions were: NaOH/CNC mass ratio 1.44，NaOH/MCA mole ratio 2.40，first-stage etherification temperature 50 ℃, for 50 min. Under the optimum conditions, the experimental value of DS of 1.343±0.015 was well consistent with the predicted value of 1.364. Furthermore, morphology characterization confirmed that the modified CNC was still spherical nano particles, only the particle size slightly increased, and the microstructure became looser. Therefore, Carboxymethylation did not significantly change CNC’s crystal structure, but improved its re-dispersion in the polar medium.

Key wordscellulose nanocrystals；carboxymethylation；response surface analysis；morphology characterization

收稿日期：2015-08-16，改回日期：2015-10-12

基金項目：重慶市科委民生專項一般項目(cstc2015shmszx0367)2015——甘薯渣纖維高值化利用關鍵技術研究；重慶市科委集成示范項目(cstc2012jcsf-jfzh0033)——重慶特色農產品產業協同創新與關鍵技術攻關；社會事業與民生保障科技創新專項——薯類食品安全加工技術研究與應用(cstc2015shms-ztzx0113)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201603025

第一作者：碩士研究生(劉雄教授為通訊作者，E-mail：liuxiong848@hotmail.com)。