酸水解和酶水解對纖維形態結構的影響研究

杜敏 李新平 王志杰

摘 要：分別采用鹽酸和纖維素酶對漂白針葉木漿進行水解，制得酸水解纖維素和酶水解纖維素，通過分析比較水解后纖維素在聚合度、粒徑、微觀形態以及理化性能上的區別，研究這兩種方法制備的纖維素在形態、結構、性能上的差異。結果表明，漂白針葉木漿經鹽酸在高溫下水解1 h，纖維素聚合度下降到200左右，纖維平均長度下降到0.1～0.2 mm，經機械粉碎后呈橢圓形顆粒狀，平均粒徑27.49 μm；漂白針葉木漿經纖維素酶水解24 h后，纖維素聚合度降低到700左右，纖維平均長度也下降到0.1～0.2 mm，經機械粉碎后呈棒狀顆粒，平均粒徑38.77 μm。酸水解纖維素較酶水解纖維素具有較大的表觀密度、持水力以及較好的流動性。

關鍵詞：酸水解纖維素；酶水解纖維素；聚合度；粒徑；形態

中圖分類號：TQ353.1

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.01.002

微晶纖維素（Microcrystalline cellulose， MCC）是由植物纖維原料水解至聚合度15～375后再經干燥、粉碎得到的功能化纖維素產品，其主要結構以β1，4葡萄糖苷鍵連接而成的直鏈多糖[13]。微晶纖維素一般呈短棒或粉末狀，其顆粒大小為20～80 μm，不具纖維性而流動性極強，不溶于水、稀酸、有機溶劑和油脂，在稀堿溶液中能夠部分溶解、潤脹，在羧甲基化、乙酰化、酯化過程中具有較高的反應活性[17]，因此，被廣泛應用于食品[1，6]、醫藥[89]、制革[7]、復合材料[1011]等領域。

微晶纖維素通常采用稀酸水解的方法制備[59]，除此以外，也有采用物理法[12]、酶水解法[13]以及酸水解和酶水解相結合的方法[14]制備。雖然纖維素的酶水解較酸水解具有工藝條件溫和、無污染等特點[13]，但利用酶水解制備微晶纖維素方面的研究和應用非常有限。纖維素在纖維素酶作用下的水解和其在稀酸（鹽酸或硫酸）作用下的多相水解頗為相似，兩者分別是在纖維素酶或H+的催化作用下使纖維素大分子上的連接鍵β1，4糖苷鍵發生斷裂，產生水解纖維素，水解后纖維素仍保持它原有的分子結構，只是聚合度發生改變[15]。但相似的水解機理并不一定會產生相似的作用效果，因為作為蛋白質的酶分子和鹽酸/硫酸分子在結構和性能上存在很大的差異，再加上纖維本身結構的復雜性，使得酶水解和酸水解對纖維結構和性能產生不同的影響。本實驗主要對漂白針葉木漿經纖維素酶水解和稀酸水解后的纖維素形態、理化性能進行研究，為酶水解法制備微晶纖維素的研究提供理論參考。

1 實 驗

1.1 原料和藥品

（1）纖維原料：漂白針葉木漿板，加拿大金虹魚牌。

（2）酶：復合纖維素酶，商品名Celluclast1.5L，自黑曲霉（Aspergillus niger）中提取，購自sigma公司，其濾紙酶活為94 FPU/mL，CMC酶活為51 U/mL。

1.2 實驗方法

1.2.1 酸水解纖維素

漂白針葉木漿板浸泡6 h后，經標準漿樣疏解機（SE003，瑞典L&W公司）疏解10 min，擠干水分，加入濃度6%的鹽酸溶液，控制液比為1∶15（g∶mL），在90℃恒溫振蕩水浴（HHZ，北京科偉永興有限公司）中水解一定時間。水解結束后用布氏漏斗抽濾，用蒸餾水反復洗滌至中性，即得到酸水解纖維素。

1.2.2 酶水解纖維素

漂白針葉木漿板浸泡6 h后，經標準漿樣疏解機疏解10 min，擠干水分，用pH值4.8的檸檬酸緩沖溶液調整漿濃為3.0%，加入酶活為20 FPU/g（絕干纖維）的經稀釋的纖維素酶，在50℃恒溫振蕩水浴中水解一定時間。水解結束后沸水浴滅活5 min，然后用布氏漏斗抽慮，用蒸餾水反復洗滌至中性，即得到酶水解纖維素。

1.3 水解纖維素的測定與表征

1.3.1 得率測定

收集全部水解纖維素，稱重，在密封袋里平衡水分24 h后，測定其水分含量，水解后纖維素得率Y計算見式（1）。

Y=[SX（]m1[]m0[SX）]×100%（1）

式中，m0為漂白針葉木漿絕干質量，g；m1為水解纖維素絕干質量，g。

1.3.2 聚合度測定

采用黏度法測定纖維素聚合度[16]。具體方法為：將適量的水解纖維素樣品溶解于銅乙二胺溶液中，通過毛細管黏度計測定溶液的特性黏度[η]，根據式（2）計算水解纖維素聚合度DP。

DP0.905=0.75[η]（2）

1.3.3 光學顯微鏡分析

用解剖針將少量分散好的水解纖維素置于干凈的載玻片上，用赫氏試劑染色后，蓋上蓋玻片，用濾紙吸去多余水分，在多媒體光學顯微鏡（BA310Met，麥克奧迪實業集團有限公司）下進行觀察和拍照。

1.3.4 掃描電鏡分析

將水解纖維素干燥，并經行星式球磨機（KQMX4Z/B，咸陽市金宏粉碎設備廠）在一定轉速下分別碾磨1 h，過100目篩，得到粉末狀水解纖維素。用解剖針將少量水解纖維素粉末置于樣品臺上，表面噴金后在掃描電子顯微鏡（SEM，HITACHI.S—4800，日本）上進行觀察，采用二次電子成像模式，加速電壓為10 kV，圖像分辨率為0.15 μm/像素。

1.3.5 粒度及分布測定

將少量粉末狀水解纖維素用蒸餾水稀釋到一定濃度，分散均勻后直接在激光粒度儀（LS，美國貝科曼庫爾特公司）上進行測定。

1.3.6 表觀密度測定

按照文獻[17]的方法測定：稱取20 g水解纖維素粉末（m），移入100 mL量筒內，輕輕地碰敲量筒底部，使水解纖維素粉末下降至高度不再變化為止，讀取此時試樣所占據的容積（V），通過式（3）計算表觀密度（B）。

B=[SX（]m[]V[SX）]（3）

1.3.7 流動性測定

按照文獻[13]的方法進行測定：將水解纖維素粉末經漏斗緩慢均勻流至半徑（r）為4.5 cm的培養皿上，直至粉末堆積至從培養皿上緣溢出為止，測定形

成的粉末堆的高度（H），按式（4）計算靜止角α。

tgα=H/r（4）

1.3.8 持水性測定

按照文獻[13]的方法進行測定：稱取0.5 g干燥后的水解纖維素置于50 mL離心管中，加30 mL蒸餾水，搖勻，室溫下靜止1 h，于4000 r/min轉速下離心20 min，棄去上清液，稱量得到水解纖維素濕質量。按式（5）計算水解纖維素持水能力。

持水能力=[SX（]樣品濕質量-樣品干質量[]樣品干質量[SX）]×100% （5）

2 結果與討論

2.1 酸水解和酶水解對纖維素聚合度的影響

表1為漂白針葉木漿酸水解纖維素得率和聚合度的變化。由表1可見，漂白針葉木漿經濃度為6%的鹽酸在高溫下水解0.5 h，纖維素聚合度下降到272，延長水解時間，纖維素聚合度繼續下降，但下降幅度很小，基本維持在200左右。另外從表1可見，雖然經鹽酸水解后在短時間內纖維素聚合度降得很低，但得率下降幅度并不大，水解2 h后得率為90%左右，說明在鹽酸水解過程中，纖維素分子鏈的斷裂是比較均一的，在鹽酸的催化下，大量的分子鏈在短時間內發生斷裂，使得聚合度急劇下降，但溶出的葡萄糖等小分子寡糖數量有限。

表2為酶水解纖維素得率和聚合度的影響。由表2可知，在高酶用量下，隨著水解時間從2 h逐漸延長到48 h，得率急劇下降，水解48 h后，得率僅為43.26%，但在此過程中，纖維素聚合度變化幅度很小，聚合度都在670～700的范圍內，非常接近。說明雖然隨著酶水解程度的增加，大量的纖維素分子鏈發生斷裂，變成小分子寡糖水解溶出，但對于殘留的纖維來說，其內部纖維素分子鏈的長度基本是恒定的。

由此可見，雖然酸水解和纖維素酶水解都是使纖維素大分子上的β1，4糖苷鍵發生斷裂，但酸水解纖維素聚合度存在巨大差異，酶水解纖維素得率下降較多。

2.2 酸水解和酶水解對纖維形態的影響

圖1為漂白針葉木漿經鹽酸水解和纖維素酶水解后的纖維顯微鏡圖。

由圖1（a）可見，經鹽酸在高溫下水解1 h時，纖維基本上都被切斷成只有0.1～0.2 mm。由圖1（b）～圖1（f）可見，經纖維素酶水解后，纖維也發生明顯的切斷，且隨著酶水解時間的延長，纖維斷裂程度逐漸增加，纖維平均長度逐漸減小，當酶水解24 h時，纖維平均長度下降為只有0.1～0.2 mm。酶水解48 h的纖維形態和水解24 h的完全相同，即當酶水解到一定程度以后，纖維長度并沒有因為水解程度的進一步增加而下降，關于這一點，李新平等人[18]進行了專門的研究，認為纖維細胞壁在制漿過程中發生移位的地方在酶水解過程中容易發生斷裂。由此可見，纖維素酶水解24 h的纖維素和鹽酸水解1 h的纖維素在形態上完全一致，兩者纖維都發生了多處切斷，纖維平均長度都下降到只有0.1～0.2 mm。

2.3 纖維素粒徑及顆粒形態比較

將酸水解1 h和酶水解24 h制得的纖維素干燥后分別經球磨機粉碎，得到粉末狀纖維素，分別測定其粒徑并在掃描電鏡下觀察粉末纖維素形態，結果分別如圖2和圖3所示。

酶水解纖維素的平均粒徑為38.77 μm，明顯大于酸水解纖維素的27.49 μm。從圖2的粒徑分布上可以看出，酸水解纖維素粒徑主要集中在20～60 μm；而酶水解纖維素中含有較多的直徑在100～160 μm的顆粒，直徑在70～100 μm之間的顆粒占據比例較高，說明酶水解纖維素中含有較多的大顆粒，且顆粒大小均勻性不及酸水解纖維素。

由圖3可知，雖然酸水解纖維素顆粒大小不夠均勻，但基本上都呈橢圓形的顆粒狀；而酶水解纖維素樣品，除了顆粒大小不夠均勻、尺寸較大以外，和酸水解纖維素最大的區別是其形狀主要為棒狀。從圖3還可以清楚的看到，酶水解纖維素，在機械粉碎過程中，纖維的細碎化主要是通過橫向斷裂和縱向撕裂這兩種途徑進行的。

酸水解和酶水解纖維素經機械粉碎后在微觀形態上會產生如此大的區別，歸根結底還是跟水解纖維素聚合度大小有關。酸水解后，纖維素聚合度下降到200左右，而酶水解后，纖維素聚合度還保持在700左右。一般來說，纖維素聚合度越高，則纖維強度越高，這主要是因為纖維素分子間還存在大量的氫鍵結合，所以當纖維素聚合度沒有下降到某一值之前，要通過機械作用破壞纖維結構，形成只有幾十個微米數量級的纖維素顆粒需要消耗較大的能量。而當纖維素聚合度下降到200左右時，分子間氫鍵結合的數量大大減少，這表明在本實驗條件的機械力作用下，纖維細胞壁即發生了較高程度的分離和破碎。

2.4 理化性能比較

兩種方法制備的纖維素都為白色、無嗅的粉末，但由于酸水解纖維素和酶水解纖維素在顆粒大小和微觀形態上存在較大的區別，這必然會影響到兩者的理化性能。兩種水解纖維素的理化性能見表3。如表3所示，酸水解纖維素較酶水解纖維素具有較大的表觀密度、持水力以及較好的流動性。

3 結 論

（1）漂白針葉木漿經濃度為6%的鹽酸在高溫下水解1 h，得率93.6%，纖維素聚合度下降到200左右，纖維平均長度下降到0.1～0.2 mm。漂白針葉木漿經酶活為20 FPU/g的酶水解24 h，得率下降到49.3%，纖維素聚合度下降到690，纖維平均長度也下降到0.1～0.2 mm。

（2）通過掃描電鏡分析可知，酸水解纖維素為橢圓形的顆粒，平均粒徑為27.49 μm；酶水解纖維素主要為棒狀顆粒，平均粒徑為38.77 μm。酸水解纖維素較酶水解纖維素具有較大的表觀密度、持水力以及較好的流動性。

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（責任編輯：董鳳霞）