堿預處理對漂白硫酸鹽闊葉木漿微纖絲解離的影響

王福敏，李 群

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學造紙學院，天津 300457)

半纖維素是由多種戊糖和己糖以不同比例組成的非均一聚合物，是一種無定形物質，廣泛存在于植物細胞壁中，其聚合度一般低于 200．半纖維素與纖維素微細纖維之間以范德華力和氫鍵結合，與木素之間通過化學鍵構成木素-碳水化合物復合體(lignincarbohydrate complex，LCC)．半纖維素是自然界中含量豐富的可再生天然植物資源，通常占植物纖維原料組分總量的 15%～35%，而不同原料的半纖維素在含量、結構和組成上存在較大差異[1-2]．作為植物纖維細胞壁三大組分之一，半纖維素存在于纖維素微纖絲之間，與木素一起捆綁纖維素，形成類似于鋼筋混凝土式結實的細胞壁結構[3]．木材細胞壁這種復雜的結構嚴重降低了木質纖維的利用效率．傳統的蒸煮過程可以去除大量木素和少量的半纖維素，但殘存的半纖維素含量仍然可觀，約占纖維總量的 20%～40%[4]．微纖絲解離制備微纖化纖維素(MFC)的過程能耗較高，Taipale等[5]估算了直接通過機械處理制備MFC 所消耗的能量高達 5.5MW·h/t，認為經過適當的預處理可以顯著降低制備 MFC的能耗．而半纖維素與纖維素微纖絲緊密連接增強了纖維內部構架的結合強度，可能會對微纖絲解離制備 MFC造成不利影響(微細纖維和半纖維素的網絡結構如圖 1[6]所示)，因此可以用堿抽提的方法去除原料中的半纖維素，將脫出半纖維素之后的纖維樣品經過微纖化處理來制備MFC，以期達到更好的纖絲解離效果．

圖1 微細纖維-半纖維素網絡結構示意圖Fig. 1 Schema of microfibril-hemicellulose network structure

本課題對脫出半纖維素前后的纖維細胞壁進行微觀結構表征，通過對比纖維表面形貌、纖維素結晶度和各晶型含量變化等，探討半纖維素對微纖絲分離作用的影響．這不僅可為植物生理學提供理論依據，還對研究植物纖維的高效利用具有重要的現實意義.

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

漂白硫酸鹽闊葉木漿板，取自山東某造紙廠；葡萄糖、木糖、阿拉伯糖標準樣品，色譜純，國藥集團化學試劑有限公司；NaOH、HCl，分析純，國藥集團化學試劑有限公司．

LDZX-30FB型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫療器械廠；1200系列高效液相色譜儀(HPLC)，美國安捷倫科技有限公司；Bruker AVWB Ⅲ600型固體核磁共振譜儀，德國 Bruker公司；6100型 X射線衍射儀，日本島津公司；GYB60-6S型高壓均質機，上海東華高壓均質機廠；SU-1510型掃描電鏡，日本日立公司；NDJ-4 型旋轉黏度計，上海天平儀器廠．

1.2 樣品制備

1.2.1 不同含量半纖維素原料的制備

取適量漂白硫酸鹽闊葉木漿板撕成 2 cm×2 cm的小片，于去離子水中浸泡 4h，疏解備用．稱取相當于5g絕干纖維的樣品于錐形瓶中，用質量分數10%的 NaOH 溶液分別浸漬抽提 1、2、4、8、12h，固液比1∶15(g∶mL)，水浴鍋溫度45℃．

1.2.2 MFC的制備

將未經干燥的不同半纖維素含量的纖維樣品配制成漿濃為 1%的懸浮液，進行均質化處理制備MFC．均質機的操作壓力為 60MPa，30個循環后收集并冷藏備用[7]．

1.3 測定與表征

1.3.1 半纖維素含量測定

實驗中采用木糖與阿拉伯糖總量代表半纖維素含量．半纖維素含量根據美國國家可再生能源實驗室(NERL)的標準方法TP-510-42618測定．對一定質量纖維原料進行兩段酸水解處理，處理后的樣品經過稀釋后，采用高效液相色譜儀結合各單糖外標曲線確定兩種單糖含量，兩種單糖質量與絕干纖維原料之比為半纖維素含量[8]．高效液相色譜檢測條件：Biorad Aminex HPX-87色譜柱(300mm×7.8mm)；流動相5mmol/L H2SO4溶液；流量 0.6mL/min；柱溫和檢測溫度均為55℃．

1.3.2 CP/MAS13C固體核磁共振測試

取 100mg堿處理后的纖維樣品，經冷凍干燥后研磨成粉末狀進行測試．測試條件：磁感應強度7.05T，4mm 魔角探頭，轉速 14kHz，脈沖寬度 90°，交叉極化時間4μs，接觸時間2ms，采樣間隔2.0s．

1.3.3 XRD分析

將堿處理前后的纖維樣品真空干燥 4h后置于XRD 圓形金屬樣品槽內，用 θ/2θ聯動掃描．掃描參數設定如下：Cu靶 Kα射線，波長 0.15nm，管電壓40kV，管電流 30mA，掃描范圍 2θ=5°～35°，掃描速率 2°/min．

根據衍射圖譜，采用分峰擬合法[9]計算結晶度，計算公式為

式中：Cr為結晶度；Ic為結晶區峰面積；Ia為非結晶區峰面積．

1.3.4 表觀黏度測定

將不同半纖維素含量的 MFC配制成漿濃為0.75%的水懸浮液，置于 50mL的燒杯中，采用旋轉黏度計進行表觀黏度測定．實驗采用2#轉子，測定溫度為25℃．

1.3.5 SEM分析采用掃描電鏡對纖維樣品進行表面形態分析．

2 結果與討論

2.1 堿處理對MFC性狀的影響

2.1.1 堿處理時間對MFC表觀黏度的影響

Missoum 等[10]在研究中發現，MFC的纖絲化程度是影響其剪切黏度的一個重要影響因素，通過研究纖維素微纖絲懸浮液的流變性能，能夠評估微纖絲在液體介質中的分散程度和微纖絲的存在狀況．實驗通過對不同堿處理時間樣品表觀黏度的測定分析，探討了不同堿處理程度的纖維樣品在制備MFC過程中的纖絲化程度的差異．堿處理時間對微纖絲表觀黏度的影響如圖2所示．

圖2 堿處理時間對微纖絲表觀黏度的影響Fig. 2 Effect of alkali treatment time on apparent viscosity of microfibril

由圖 2可知：隨著堿處理時間的增加，微纖絲懸浮液的表觀黏度整體呈上升趨勢，當堿處理時間增加到一定程度時，其黏度變化不再明顯．堿處理造成表觀黏度的增加，其原因可以解釋為：隨著堿處理時間的增加，半纖維素不斷溶出，纖維內部微纖絲之間結合程度下降，同等均質化處理條件下，纖維懸浮液中的微細纖絲數量逐漸增多，比表面積增大，纖維素表面羥基水合作用增強．

2.1.2 堿處理對MFC表面形貌的影響

未經堿處理和經堿處理 12h后通過均質化處理制備所得MFC的SEM表面形態如圖3所示．

圖3 MFC的表面形貌Fig. 3 Morphology of MFC

由圖 3可知：未經堿處理的 MFC纖絲尺寸較大，纖維微纖絲相互纏繞交聯形成致密的網狀結構，而經過堿處理 12h后制備所得的 MFC，纖絲尺寸明顯減小，纖絲分散更為徹底．

2.2 堿處理對纖維細胞壁理化性能的影響

為了解釋堿處理后 MFC的性狀變化，實驗對堿處理過程中纖維樣品的半纖維素含量和表面形貌變化進行分析，探討半纖維素的去除對纖維形貌特征的影響．

2.2.1 堿處理對半纖維素含量的影響

用質量分數10%的NaOH溶液處理漂白硫酸鹽闊葉木漿，對不同處理時間后的纖維原料中的半纖維素含量進行了測定，實驗結果見表1．

表1 堿處理時間對纖維的半纖維素含量的影響Tab. 1 Effect of alkali treatment time on hemicellulose content of fiber

由表 1可知：隨著處理時間的改變，半纖維素含量發生明顯變化，從堿處理前的 31.81%下降到了堿處理12h后的10.12%，下降幅度為68.19%，并且僅經 1h的堿處理，半纖維素的含量就發生了大幅下降，下降幅度高達36.75%，此后半纖維素含量的下降幅度逐漸變緩，11h內僅下降了31.44%．

2.2.2 堿處理對纖維細胞壁表面形貌的影響

未經堿處理、經堿處理1h和12h后纖維的掃描電鏡圖如圖 4所示．由圖 4可知：纖維在堿處理之前，表面較為光滑．經堿處理1h后，微纖絲之間填充的半纖維素溶出，纖維表面變得粗糙，呈現出較為清晰的微纖絲紋理或微纖束；隨著堿處理時間延長到12h，半纖維素進一步脫除，纖維細胞壁表面出現層狀結構．這意味著隨著堿處理過程中半纖維素的溶出，纖維細胞壁表面開始“解構”，這有利于后續MFC的制備過程中微纖絲的解離．

2.3 堿處理對纖維細胞壁的作用機制

2.3.1 XRD分析堿處理對纖維素結晶度的影響

采用 X射線衍射儀對未經堿處理和經質量分數10% NaOH溶液處理12h的纖維樣品進行了結晶度分析，衍射圖譜如圖5所示．

圖4 堿處理前后纖維的表面形態Fig. 4 Surface morphology of fiber before and after alkali treatment

圖5 堿處理前后纖維樣品的X射線衍射圖Fig. 5 XRD patterns of fiber samples

從圖5的特征衍射峰可看出，纖維樣品經一定程度的堿處理后，其在 X射線衍射圖譜中的出峰位置與堿處理前相同，仍然呈典型半結晶的纖維素I的衍射曲線，在 2θ 等于 15.0°、16.7°和 22.8°附近都出現了明顯的衍射峰，分屬于纖維素結晶區的 101、和 002晶面[11]．木材植物細胞壁中的纖維素是由結晶區和無定形區交錯結合的復雜體系，而半纖維素是一種典型的無定形物質，堿溶液極易滲透到無定形區造成無定形物質的溶解，還可能部分滲透到纖維素結晶區的表面[12]，使部分結晶區的有序結構被破壞，轉化為無定形組織．通過圖 5的衍射峰可以確定，本實驗所采用的去除半纖維素的堿處理條件，并沒有使纖維素的晶態結構發生顯著改變．

使用 jade軟件分峰擬合的結果如圖 6所示．通過分峰擬合，可以得到結晶區(Ic)和非結晶區(Ia)的峰面積，從而可以計算得到纖維樣品中纖維素的結晶度．未經堿處理和堿處理 12 h后纖維樣品的結晶度分別為67.7%和74.11%．與未處理纖維樣品相比，經過堿處理后纖維樣品的結晶度有所升高．堿液處理纖維樣品主要有兩方面作用：(1)堿處理過程中，無定形的半纖維素組分大量溶出(半纖維素含量由31.81%降至 10.12%)；(2)雖然纖維堿性潤脹作用主要發生在無定形區，但部分堿液會作用到結晶區表面，破壞部分結晶區纖維素鏈的有序結構[12]．然而，總體看來，纖維素結晶度增加證明了半纖維素的溶出主導了結晶度的變化．Kim 等[13]用水合氨對玉米秸稈進行預處理時發現了類似現象，得出了堿處理可以使纖維素結晶度增大的結論．

圖6 XRD衍射圖譜的分峰擬合Fig. 6 Peak fitting of XRD diffraction spectrum

2.3.2 CP/MAS13C NMR分析堿處理對纖維素晶型含量的影響

將未經堿處理和經堿處理 12h后的纖維樣品通過CP/MAS13C NMR的方法進行分析，得到相應的核磁共振譜圖(圖7)．

圖7 漂白硫酸鹽闊葉木漿CP/MAS 13C NMR圖譜Fig. 7 CP/MAS 13C NMR spectra of bleached kraft hardwood pulp

研究表明，在固體核磁共振中，纖維素的吸收信號主要在化學位移60～110處[14]. 按照文獻[15-16]對纖維素碳譜進行波峰分配，化學位移為 60～70的區域歸屬于葡萄糖單元的C6，化學位移70～81之間的共振束分配給不與糖苷鍵連接的環碳C2、C3、C5，化學位移 81～92之間的區域歸屬于 C4，而化學位移102～108之間的區域歸屬于C1．由于C2、C3、C5的共振峰重疊在一起，它們不能用于纖維素結晶結構的研究[14]．而從圖 7中可明顯觀察到，纖維素的 C4譜線裂分為兩部分：尖窄的高場和寬闊的低場，分別對應著纖維素的結晶區和非結晶區．因此通過對C4區進行光譜擬合，就可以得到纖維素各形態區域的信號歸屬信息．

植物纖維細胞壁中纖維素分子鏈平行排列形成原微細纖維，再由若干根原微細纖維聚集在一起組成微細纖維(即原纖聚集體)[6]．微細纖維是纖維的主要結構單元，晶區位于微細纖維內，稱為“微晶”或“膠束”．原微細纖維即絲狀多晶體，是結晶纖維素中最小的結構單元．人們發現纖維素I晶體并不是以單一晶型形式存在，而是纖維素Iα和纖維素Iβ兩種晶體的混合物，并且在一定條件下它們可以相互轉化[17]，其轉換的中間產物按照 Larsson提出的概念被稱為次晶[15,18]，表示有序性不及結晶纖維素(纖維素Iα和 Iβ)而大于無定形區纖維素的一種結晶結構．纖維素 Iα和 Iβ分別指的是單鏈的三斜單元晶胞和雙鏈的單斜單元晶胞[19]．

原微細纖維聚集組成微細纖維的過程中，原微細纖維表面組成的邊界層因為與周圍的溶劑或其他聚合物直接接觸，被稱為可及表面[20-21]．另外一些由原微細纖維表面相互接觸，形成的幾何不連續接觸區被稱為不可及表面[21]．

利用混合洛倫茲(Lorentzian)和高斯(Gaussian)函數的模型對CP/MAS13C NMR的C4區進行光譜擬合[22]，分析的方法是基于一個非線性的最小二乘擬合來測定纖維素 Iα、纖維素 Iβ、次晶、纖維素可及表面和不可及表面的相對含量，擬合結果如圖 8所示．由圖 8可知：在有序的 C4區域(化學位移 86～92)，用于擬合模型的包括來自結晶纖維素 I的 3種信號的洛倫茲譜線：纖維素 Iα、纖維素 Iα+β和纖維素 Iβ；在無序的區域(化學位移 80～86)是由非晶態纖維素引起的4種信號的高斯譜線進行擬合：次晶纖維素、可及表面(兩種)和不可及表面，具體的信號歸屬定量信息見表2．其中，C4區光譜擬合中出現了兩種來源于可及表面的信號，具體表現為它們的化學位移不同，在這里被命名為可及表面 1和可及表面 2，Larsson推測這種情況的出現有兩種可能，一是可及表面的葡聚糖鏈具有雙螺旋軸，二是纖維素I的原微細纖維有兩對非等值曲面[23]．

圖8 堿處理前后纖維樣品 C4區 CP/MAS 13C NMR光譜擬合圖Fig. 8 CP/MAS 13C NMR spectral fitting of C4 region in fiber samples before and after alkali treatment

表2 堿處理前后纖維樣品 C4區 CP/MAS 13C NMR光譜擬合定量信息Tab. 2 Quantitative information of C4 region CP/MAS 13C NMR spectral fitting

由表 2可知：經過堿處理后的纖維樣品，化學位移在 81.8處歸屬于半纖維素的信號強度下降，進一步證明堿處理后半纖維素含量減少．另一方面，結晶纖維素相對含量(即纖維素 Iα、纖維素 Iβ和纖維素Iα+β相對強度之和)增加，從堿處理前的 33.31%上升到堿處理 12h后的 36.79%，表明纖維的結晶度上升，與XRD結果一致．可及表面(可及表面1和可及表面 2之和)的含量從 12.76%減少到 11.39%，而不可及表面從 25.49%增加到 29.99%，推測其原因：隨著原微細纖維之間填充物質半纖維素的溶出，原微細纖維之間無位阻作用，纖維干燥脫水(CP/MAS13C固體核磁制樣)過程中，水張力作用使原細纖維緊密貼近，形成共結晶，從而增加纖維中原微細纖維的聚集[24-25]．將可及表面的信號強度與C4原子的總信號強度的比值定義為信號相對強度(q)，假定原微細纖維的聚集束具有近似正方形的橫截面，根據經驗公式q=(4n-4)/n2(n為沿原微細纖維聚集束一邊上的葡萄糖數)，纖維素鏈上一個葡萄糖的尺寸為 0.57nm[26]，所以相應的原微細纖維聚集尺寸 d=0.57n，計算可得原微細纖維在干態下，聚集(微細纖維)尺寸從17.27nm增加到19.43nm．

由此可推斷出，半纖維素作為纖維素聚集態和三級結構的調節劑[27]，其溶出一方面會促進 MFC制備過程中微纖絲的解離，另一方面也會造成纖維干燥過程中微纖絲的聚集．

3 結 論

(1)質量分數為 10%的 NaOH溶液低溫浸漬脫出半纖維素，能夠對纖維細胞壁微觀結構造成影響，主要表現為半纖維素潤脹溶解，纖維素結晶度上升，同時保持纖維素的晶胞結晶類型不變．

(2)填充在微纖絲之間的半纖維素的脫出，導致纖維素無定形區可及表面積相對下降，不可及表面增加，從而造成纖維中原微細纖維的聚集，原微細纖維聚集尺寸增大．

(3)半纖維素含量對纖維素微纖絲的解離效果有影響，表現為堿處理時間越長，MFC表觀黏度越大，且隨著填充在微纖絲之間的半纖維素含量的減少，半纖維素與微纖絲的連接被破壞，導致纖維內部構架解體，纖絲解離更容易．