低共熔溶劑預處理制備豆渣纖維素納米纖絲的研究

李佩燚 簡博星 李新平 雷鎬哲 王雨萌 劉鶴震 劉瑞巖

（陜西科技大學輕工科學與工程學院，陜西西安，710021）

纖維素納米纖絲（CNF）由于其具有輕質、優異的機械強度和生物相容性等獨特屬性[1]，已被研究應用于造紙[2]、制藥[3]、涂層[4]、電子設備[5]和聚合物納米復合材料[6]等領域作為增強材料。目前，雖然CNF在各個領域的應用研究已開展較多，但對于更經濟、更清潔的CNF產業化研究相對較少。Assis等人[7]研究表明，纖維原料類型是CNF 生產的主要因素，占總成本的60%以上。漂白硫酸鹽漿和溶解漿一般不含木質素或含有少量半纖維素和木質素，是生產CNF的主要原料[8]。近年來，農業廢棄物纖維可從稻草[9]、麥秸[10]、玉米芯[11]、甘蔗渣[12]、甜菜漿[13]等中提取，由于資源豐富、成本低、環境友好、可再生等特點，可作為生產CNF 的替代纖維原料。農業廢料的應用使低成本生產CNF成為可能。

目前，我國是世界上主要的大豆生產和消費國家之一。豆渣是一種低成本的可再生資源。由于豆渣的熱量低、口感粗糙，大部分作為動物飼料或直接丟棄，造成了資源的巨大浪費和環境污染[14]。豆渣為薄壁組織，細胞壁較薄，微纖維間的結合力較弱[15]，其主要成分為膳食纖維（含量60%～70%），因此以豆渣為原料制備CNF 不僅可以提升豆渣的附加值利用，也可以拓寬CNF的原料種類。低共熔溶劑（DES）是一種液體混合物，由氫鍵受體（如季銨鹽、季鏻鹽）和氫鍵供體（如羧酸、醇、胺或碳水化合物）組成。DES溶劑的凝固點遠低于合成單體物質的熔點。與傳統的酸堿溶劑相比，低共熔溶劑具有生物相容性、環保、無毒、可再生、成本低等優點[16]。利用低共熔溶劑制備豆渣CNF 是一種高效、方便、溫和的預處理方法，可以減少預處理過程中纖維素的損失，提取高純度纖維素。因此，本課題從經濟環保的角度出發，合成了3 種DES，用價格更低廉的豆渣作為原料通過極為友好的反應過程和成熟的高壓均質法[17]制備CNF，并探討不同DES組成對豆渣纖維組分分離效果的影響。

1 實 驗

1.1實驗原料

豆渣取自黑龍江省某豆奶廠，脫水后閃蒸干燥。氯化膽堿、草酸、檸檬酸、氨基磺酸、尿素均為分析純。

1.2實驗儀器與設備

FD-1B-50 冷凍干燥機，北京博醫康儀器有限公司；DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，河南艾伯特科技與產業發展集團股份有限公司；FK13-SHBIIIG 循環水式多用真空泵，北京中西遠大科技有限公司；JA-2003 電子天平，上海精科儀器有限公司；Dmax2500/PC X 射線衍射儀，上海通譜檢測技術有限公司；Vertex70 傅里葉變換紅外光譜儀，德國布魯克Bruker 公司；S-4800場發射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；GN-6000Y 高壓均質機，上海谷寧儀器有限公司；GHL-200高速攪拌機，常州日翔干燥設備股份有限公司；1000 mL 溶劑過濾器，上海禾汽化工科技有限公司。

1.3實驗方法

1.3.1低共熔溶劑的合成

以氯化膽堿、氨基磺酸為氫鍵受體，草酸、檸檬酸和尿素為氫鍵供體，根據圖1所示的合成路線，共合成了3 種DES。將稱量好的氯化膽堿與草酸以摩爾比1∶1、氯化膽堿與檸檬酸以摩爾比1∶3、氨基磺酸與尿素以摩爾比1∶3 分別混合至3 個100 mL 錐形瓶中，油浴加熱至80℃，磁力攪拌直至錐形瓶中的懸浮液變成均相透明液，得到氯化膽堿-草酸（ChCl-O）、氯化膽堿-檸檬酸（ChCl-C）、氨基磺酸-尿素（Sula-U）3種DES。

圖1 3種DES反應方程式Fig.1 Reaction equations of three DES

1.3.2豆渣CNF的制備

將ChCl-O、ChCl-C、Sula-U的DES溶液，分別按照固液比1∶20 的比例加入豆渣至100 mL 錐形瓶中，隨后將ChCl-O 體系油浴加熱至100℃、ChCl-C 體系油浴加熱至160℃、Sula-U 體系油浴加熱至150℃。磁力攪拌40 min 至反應結束，之后用水調整體系pH 至中性，制得DES 預處理豆渣，分別記為ChCl-O-1、ChCl-C-1、Sula-U-1。將DES 預處理豆渣經高壓均質處理，分別記為ChCl-O-2、ChCl-C-2、Sula-U-2。

1.4表征與分析

1.4.1豆渣組分分析

根據GB 5009.3—2010 及干燥索氏提取等方法測定樣品中的含水量；根據GB/T 14772—2008 及索氏提取等方法測定脂肪中各種蛋白質元素的含量；根據NYT 2007—2011 和Dumas 采用燃燒法測定細樣品中脂肪蛋白質的含量；根據GB 5009.4—2010 和燃燒法測定樣品中灰分的含量；根據GB/T 2677.10—1995和氯化鈉法測定樣品中綜纖維素的含量；根據GB/T 744.10—1989和氫氧化鈉法測定α-纖維素的含量；采用黏度法測定纖維素聚合度，其計算方法如式(1)所示。

式中，DP為豆渣纖維素的平均聚合度；[η]為溶液的特性黏度，mL/g。

1.4.2紅外光譜分析

使用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）檢測豆渣纖維中官能團的變化。每個光譜代表在1 cm-1分辨率下記錄從500～4000 cm-1掃描40次的平均值。

1.4.3結晶指數分析

使用X射線衍射儀（XRD）分析豆渣的結構和形貌，采用銅Kα 輻射(30 kV 和30 Ma)，2θ范圍從5°～40°，掃描速度1°/min。纖維素結晶指數計算見式(2)。

式中，CrI為纖維素結晶指數；I200為2θ=22.8°處的衍射峰強度，Iam為非結晶區2θ=18°處的衍射強度。

1.4.4形貌觀察

樣品經冷凍干燥后粘貼在雙面碳導電膠帶上，噴金處理。采用場發射掃描電子顯微鏡進行CNF 形貌分析，加速電壓5 kV，工作距離為5 mm。

2 結果與討論

2.1豆渣組分的分析

表1 為豆渣經DES 預處理前后的組分和聚合度。由表1可知，經DES預處理后，豆渣中的綜纖維素含量從70.64%提升至80.42%～95.81%，而ChCl-O-1 綜纖維素含量最高為95.81%，且α-纖維素含量高達92.60%，α-纖維素含量提升了47.19%，蛋白質含量降低了98.85%，脂肪含量降低了89.29%。Sula-U-1的α-纖維素含量提升了18.63%，蛋白質含量降低了40.26%，脂肪含量降低了63.44%。ChCl-C-1 的α-纖維素含量提升了18.57%，蛋白質含量降低了36.79%，脂肪含量降低了42.86%。因此，ChCl-O-1 較好的去除了豆渣中的蛋白質、脂肪等雜質，而ChCl-C-1 和Sula-U-1 中綜纖維素含量雖然也有所提高，但是其純度均不高，仍含有一定的蛋白和脂肪等雜質。

表1 DES預處理前后豆渣組分和聚合度Table 1 Composition and polymerization degree of okara before and after DES pretreatment

由于豆渣中的蛋白質、脂肪和半纖維素在高溫條件下被去除，因此經DES 預處理后，豆渣的得率降低。豆渣經DES 預處理后和高壓均質后其得率的變化見表2。由表2 可知，經高壓均質后的豆渣得率與DES預處理后豆渣得率基本沒有變化。

表2 DES預處理及高壓均質后豆渣得率的變化Table 2 Changes of okara yield after DES pretreatment and high pressure homogenization %

DES預處理后的豆渣經過高壓均質處理后豆渣得率在98%以上，說明高壓均質前后豆渣纖維素質量基本沒有損失。ChCl-C-1 和Sula-U-1，經高壓均質處理后，得率分別為27.22%和28.22%。ChCl-O-1 經高壓均質處理得到的豆渣CNF 得率為26.50%，略高于木材原料制備CNF 的得率20%～25%。木漿制備過程中，需要將木材蒸煮、漂白，不僅需要大量的化學藥品，其廢液處理也增加了污染負荷。而DES 預處理分離豆渣纖維素的工藝簡便，可以直接從豆渣中一步分離出豆渣纖維素。其他非木材纖維原料蔗渣[18]、香蕉麥麩[19]制備CNF 的得率僅為20%、18%～22%左右。因此，相對于非木材纖維制備CNF 而言，ChCl-O 預處理豆渣制備的CNF得率較高。

2.2FT-IR分析

圖2 為不同DES 預處理豆渣纖維的FT-IR 圖。由圖2可知，經不同DES體系預處理后，在3410 cm-1處位置，相對于豆渣原料，DES預處理后豆渣纖維吸收峰的峰值相對較寬，這說明豆渣中纖維素與分子間的游離氫鍵O—H 伸縮振動有所增強或減弱。由于DES溶劑預處理的作用，使豆渣中大量的非纖維素即蛋白質、脂肪及少量木素、半纖維素發生不同程度的水解，更多的游離羥基暴露在外，因此，峰值逐漸向高頻方向移動。在1045 cm-1位置處為C—O—C 伸縮振動的吸收峰[20]，經DES預處理后，該處位置振動峰有明顯的減弱，推測是纖維素斷裂生成游離羥基，表明反應后樣品中羥基含量較高。1595 cm-1處的吸收峰為蛋白質酰胺II 帶的吸收峰，主要是N—H 鍵的外彎曲振動和C—N 鍵的拉伸振動。1747cm-1處的吸收峰歸屬于豆渣纖維中半纖維素的乙酰基或者糖醛酸酯基團，該峰在經過ChCl-O 處理后發生很大變化，而其他兩種溶劑處理后，在1747 cm-1處的吸收峰變化不明顯，說明半纖維素更容易在ChCl-O 體系中降解，豆渣中纖維素的純度提高。

圖2 不同DES預處理豆渣纖維的FT-IR圖Fig.2 FT-IR spectra of okara fiber by different DES pretreatment

2.3XRD分析

圖3 為豆渣經不同DES 預處理后的XRD 譜圖。在2θ=15.2°、22.8°處的位置出峰，這2 處出峰位置對應于纖維素晶體的001 和002 晶面，表明了纖維素結晶區的特征結構。

圖3 不同DES預處理豆渣纖維素的XRD譜圖Fig.3 X-ray diffraction patterns of okara cellulose prepared by different DES pretreatment

豆渣、不同DES 預處理豆渣纖維素的結晶度如表3 所示。3 種DES 溶劑均能夠使纖維素發生溶解，而在豆渣纖維素的快速溶解和結晶過程中，纖維素晶體結構沒有發生任何變化，保持了纖維素晶體結構的完整性，僅降低了纖維素的大分子鏈結構，因此并不會改變纖維素的化學性質[21]。豆渣的纖維素結晶度僅有12.30%，遠低于3種DES預處理豆渣纖維素的結晶度。這主要是由于豆渣中非纖維區含有較多的脂肪、蛋白質、果膠及半水溶性纖維素等所導致的。

表3 不同DES預處理前后豆渣纖維素的結晶度Table 3 Crystallinity of okara cellulose prepared by different DES pretreatment

豆渣屬于非木材，與常規的木材相比，豆渣纖維素的結合力相對較低，結合強度也不高。ChCl-O-1纖維素的結晶度為53.79%，Sula-U-1纖維素的結晶度為40.05%，ChCl-U-1 纖維素的結晶度為35.44%，均大于豆渣纖維素結晶度12.30%。這也表明在DES 預處理過程中能夠有效地去除豆渣的非結晶區，大大提高了結晶度，從而使無定形區的含量降低。從FT-IR以及XRD譜圖綜合分析可知，ChCl-O體系預處理效果較為理想，對豆渣纖維素的提取效果較好，有效地除去了其中的蛋白質等物質，形成了結晶度相對較高的產物。

2.4SEM分析

豆渣、不同DES 預處理后的豆渣以及經高壓均質處理后的豆渣的表面形貌如圖4 所示。由圖4(a)可知，豆渣為形狀不均一的塊狀結構。由圖4(c)和圖4(d)可知，ChCl-C-1 和Sula-U-1 豆渣形態只是單純的被破壞，豆渣的細胞壁并未被解離，形成類似于薄膜的形態。由圖4(e)可知，ChCl-O-2呈細長條的纖維結構，表面結構更加均勻，且纖維直徑保持在27～30 nm的范圍。由圖4(f)和圖4(g)可知，ChCl-C-2 和Sula-U-2 纖維直徑在0.1～0.5 μm左右，沒有達到納米級別，這可能是由于前期預處理時，蛋白質和脂肪去除不完全，阻礙了后續纖維的微纖化分離。

圖4 豆渣預處理前后SEM圖Fig.4 SEM images of okara before and after pretreatment

3 結論

本研究采用混合加熱法制備了氯化膽堿-草酸（ChCl-O）、氯化膽堿-檸檬酸（ChCl-C）、氨基磺酸-尿素（Sula-U）3 種低共熔溶劑（DES），并對豆渣進行預處理。結合高壓均質機制備纖維素納米纖絲（CNF），并對比分析了3 種DES 對豆渣預處理效果的影響。

3.1ChCl-O、ChCl-C、Sula-U 3 種DES 體系均能提純豆渣纖維素，其中ChCl-O 體系預處理效果最好，可有效去除豆渣中的脂肪和蛋白質，預處理后豆渣中綜纖維素含量為95.81%，α-纖維素高達92.60%。經高壓均質處理后，可以得到纖維直徑在27～30 nm 的豆渣CNF。

3.2Sula-U 和ChCl-C 預處理豆渣中由于蛋白質和脂肪去除不完全，阻礙了纖維素的微纖化分離，因此經同樣的高壓均質條件處理后，纖維直徑未達到制備納米級纖維素的要求。