磷酸降解棉纖維制備低聚合度葡聚糖的研究

韓華欣，楊 芳，肖 丹，劉志華，黎 鋼

（河北工業大學化工學院，天津300130）

0 引言

近年來，學者們對纖維素降解的研究主要集中在制備較大聚合度的纖維素鏈段[1]或是葡萄糖[2]、有機酸[3]、乙醇[4]、五羥甲基糠醛[5]等小分子物質，而對于制備低聚合度葡聚糖的研究很少.葡聚糖作為一種具有生物活性的天然化合物，是一種無毒的高附加值產品[6]，且不同聚合度的葡聚糖具有不同的活性[7-9].因此對于降解棉纖維制備不同聚合度葡聚糖的研究是很有必要的.目前，降解棉纖維的方法有很多，其中酸降解方法工藝簡單成熟，且產率較高.磷酸中的4個O有較強的電負性，更易與纖維素中的羥基形成強的氫鍵，使H3PO4有效嵌入到棉纖維中破壞其聚集態結構，從而使纖維素鏈斷裂[10-11].同時，磷酸的酸性適中、腐蝕性小，對棉纖維降解溫和，可以較好的獲得低聚合度葡聚糖.因此，本實驗采用質量分數為85%的濃磷酸降解棉纖維，用GPC對降解產物進行測試，得到平均聚合度為100～140、60～100和7的不同低聚合度的葡聚糖，棉纖維降解前后的分子結構和結晶度分別用FT-IR和XRD進行表征.本實驗還對10～60葡聚糖迅速降解為水溶性葡聚糖的動力學進行了研究.

1 實驗部分

1.1 低聚合度葡聚糖的制備

1.1.1 為100～140葡聚糖的制備

首先進行預處理：將10 g棉纖維放入盛有100 m L質量分數為85%的濃磷酸的燒杯中，室溫下超聲3 h以加速其溶解.之后將處理過的棉纖維與磷酸的混合溶液放入55℃的水浴鍋中，機械攪拌.分別降解4 h、6 h和8 h后，向降解液中倒入100m L去離子水，出現白色沉淀，抽濾，收集濾餅，并用大量的去離子水洗去濾餅中殘留的磷酸，再用丙酮沖洗至粉末狀.將該白色粉末置于50℃的真空干燥箱中干燥，得到葡聚糖樣品I.

預處理過程同1.1.1節.棉纖維與磷酸的混合溶液在55℃下分別降解10 h、12h和14h后，向降解液中倒入不同體積的乙醇，出現白色沉淀，抽濾，收集濾餅，并用大量的去離子水洗去濾餅中殘留的磷酸，再用乙醇沖洗至粉末狀.將該白色粉末置于50℃的真空干燥箱中干燥，得到葡聚糖樣品II.

預處理過程同1.1.1.棉纖維與磷酸的混合溶液在55℃下降解10 h，向降解液中倒入100m L去離子水，抽濾，收集濾液.對濾液進行濃縮，向濃縮后的濾液（大約150 m L）中倒入300 m L丙酮，抽濾，收集濾餅，用丙酮沖洗至粉末狀.將該白色粉末置于50℃的真空干燥箱中干燥，得到葡聚糖樣品III.

1.2 葡聚糖分子量分布的測定

1.2.1 葡聚糖樣品I和II的分子量分布的測定

將葡聚糖樣品I和II溶解于8%LiCl/DMAc中[12]，得到的濃度為2mg/m l葡聚糖溶液.在凝膠滲透色譜法（GPC）測試之前，將8%的LiCl/DMAc稀釋至0.5%.一方面0.5%的含鹽量相較于8%溶液的粘度大大降低，可以加速流動相的流動，使得GPC快速分析；另一方面，較低的含鹽量可以降低對凝膠色譜柱的損害，延長使用壽命.以0.5%LiCl/DMAc作為流動相，對葡聚糖樣品I和II進行GPC測試，以重均分子量分別為46400、15 700、9 600、6 540、2 920的聚苯乙烯作為標準品對其進行分析.

1.2.2 葡聚糖樣品III的分子量分布的測定

將葡聚糖樣品III溶解于高純水中，得到濃度為2 mg/m L葡聚糖溶液.以高純水作為流動相，對葡聚糖樣品III進行GPC測試，以重均分子量分別為5 200、11 600、23 800、48 400的葡聚糖和麥芽糖作為標準品對其進行分析.

1.3 葡聚糖樣品表征

采用紅外結構Vector-22型傅里葉變換紅外光譜儀對葡聚糖樣品結構進行表征.將樣品真空干燥48h后，與干燥的KBr粉末混合研磨、壓片，分析的波數范圍為0～4 500 cm1.

采用D/Max-2000型X射線衍射儀對葡聚糖樣品的結晶度進行表征.測試條件：輻射Cu-K，電壓40 kV，電流40mA，掃描范圍5°lt;2lt;80°.

2 結果與討論

2.1 不同的低聚合度葡聚糖的制備條件

棉纖維的天然高結晶度結構很難被低濃度的磷酸破壞，而質量分數為85%的濃磷酸可嵌入到纖維素中破壞其結晶結構.雖然高溫有利于加快反應速率，但是在過高溫度下，纖維素和磷酸的混合溶液容易發生焦糖化反應而變成黑色[13].因此，反應溫度應不高于60℃.而低溫條件下纖維素降解緩慢，反應時間較長.綜上，為避免焦糖化反應和縮短反應時間，選擇55℃作為較佳反應溫度.在葡聚糖制備過程中，反應時間和沉淀劑是控制葡聚糖 的重要參量.對為60～140的葡聚糖，均可通過控制反應時間及沉淀劑的極性得到.

棉纖維及其降解后的低聚合度葡聚糖分子量分布見圖1.由圖1可以看出，經磷酸降解后的棉纖維的降低，且其分散指數（PDI）也有所下降，表明低聚合度葡聚糖樣品的分子量分布變窄，即葡聚糖的分子量更為集中.

圖1 棉纖維素和葡聚糖樣品的分子量分布Fig.1 Molecular weight distribution of cotton celluloseand glucan samples

圖2 反應時間對葡聚糖樣品I的和產率的影響Fig.2 Thee ffect of reaction timeon the and yield of glucan sample I

2.1.2 60～100為的葡聚糖樣品II的制備

Liebert[14]通過改變沉淀劑的極性得到了不的水溶性纖維素糊精.由此可見，沉淀劑的極性會對樣品有所影響.本實驗中將沉淀劑由水改為乙醇.

表1 制備DPw 100～140葡聚糖樣品I的優化條件Tab.1 Optim ized operation conditions for preparation of100～140 glucan sample I

表1 制備DPw 100～140葡聚糖樣品I的優化條件Tab.1 Optim ized operation conditions for preparation of100～140 glucan sample I

樣品編號 反應時間/h 葡聚糖樣品產率/% PDI Ia 4 73.14 1.21 131 Ib 6 57.43 1.15 116 Ic 8 48.00 1.12 108

表2 制備DPw 60～100葡聚糖樣品II的優化條件Tab.2 Optim ized operation conditions for preparation of60～100 glucan sample II

表2 制備DPw 60～100葡聚糖樣品II的優化條件Tab.2 Optim ized operation conditions for preparation of60～100 glucan sample II

樣品編號 反應時間/h葡聚糖樣品產率/% PDI IIa 10 42.71 1.07 92 IIb 10 49.21 1.11 75 IIc 12 34.36 1.08 85 IId 14 40.86 1.09 66 1 2 1 3

以丙酮作為沉淀劑，對葡聚糖樣品I和II的濾液進行處理，得到水溶性葡聚糖樣品III.表3為不同反應時間對葡聚糖樣品III聚合度和產率的影響.由表3可以看出，隨反應時間的延長，樣品基本維持在6～7之間，且PDI也基本不發生明顯變化.樣品產率在反應時間為10h時達到最大，之后開始降低.這是因為相比于大分子量的纖維素，小分子量的水溶性葡聚糖的降解速率更快[17].延長反應時間，小分子量的葡

由以上實驗結果可知，在實驗中沒有制得10～60的低聚糖.這可能是因為該范圍內的低聚合度葡聚糖迅速發生降解，生成了水溶性葡聚糖.為此，本研究建立了一個動力學方程來描述水溶性葡聚糖的生成.水溶性葡聚糖生成的動力學模型如式 (1)

圖3 反應時間和R對葡聚糖樣品II的 影響Fig.3 Theeffectof reaction timeand R on thef glucan sample II

其中：k表示水溶性葡聚糖的生成速率常數.基于動力學模型式得水溶性葡聚糖的生成動力學方程，如式(2)

其中： 為水溶性葡聚糖的濃度，g/m L； 為反應級數； 為反應時間，h.

一般情況下，反應動力學方程是聯系濃度（c）和反應時間（t）的方程.在50～60℃范圍內，反應級數分別為0、1、2、3時，考察了反應動力學參數的線性關系.結果見表4.

表4 水溶性葡聚糖生成反應動力學的反應級數Tab.4 The reaction orderof the water-soluble glucans generation

通過比較表4中的擬合指數可知，n為1時擬合指數最高.因此，水溶性葡聚糖生成的動力學反應屬于一級反應.該結果和Zhang[18]所研究的微晶纖維素的去結晶動力學類似.因此式 (2)可寫成

對式 (3)進行積分，得到方程

其中：ci為常數，g/m L，表示棉纖維素中所含水溶性葡聚糖的初始濃度.根據式 (4)，結合實驗數據以lnc和t做圖，如圖4所示.圖4中的斜率即為速率常數（k ）.在50℃、55℃和60℃下，水溶性葡聚糖的生成速率常數分別為0.075h1，0.100h1和0.125h1.該速率常數表明水溶性葡聚糖的生成較快，即表明10～60范圍的葡聚糖發生迅速降解，生成了水溶性葡聚糖.其活化能的計聚糖會降解成纖維二糖、葡萄糖和糠醛等小分子產物.

圖4 水溶性葡聚糖的生成速率模型Fig.4 Generation ratema thematical modeling of water-solubleglucans

表3 反應時間對葡聚糖樣品III的影響Tab.3 The effectof reaction time on glucan sample III

2.2 水溶性葡聚糖生成的動力學研究

算參照阿倫尼烏斯方程[19].

選取50℃和60℃下的速率常數0.075 h-1和0.125 h1，根據式 ( 5)計算在50～60℃的水溶性葡聚糖生成的活化能（Ea）為45.72 kJmol-1，指前因子（A）為1.898×106h-1.廖艷芳等[20]曾指出纖維素熱裂解的活化能在低溫段為267 kJmol-1，在高溫段為174 kJmol-1；Qi[21]曾指出棉短絨溶解于NaOH/尿素體系的活化能為101 kJmol-1.通過對比可知，濃磷酸降解棉纖維的過程中活化能較低，繼而導致了范圍內的葡聚糖發生迅速降解，生成了水溶性葡聚糖.

2.3 結果表征

2.3.1 紅外結構表征

圖5為葡聚糖樣品III和棉纖維素的紅外譜圖.由圖5可知，原纖維素和葡聚糖樣品的紅外光譜圖差別不大.在3413 cm-1左右，峰形較寬，是纖維素分子內的O-H因氫鍵締合而形成[22].由于纖維素分子中含有水分，并且在真空干燥中不能完全除去，所以在1 642 cm-1處出現由H-O-H引起的吸收峰[23].在2 900 cm-1、1 375 cm-1、1 158 cm-1、1 031 cm-1、893 cm-1、665 cm-1的強吸收峰，分別歸屬于C6位的-CH2的伸縮振動、C-H的變形振動、C-O-C的伸縮振動、C-C和C-O的伸縮振動、 -糖苷鍵的C-1-H的伸縮振動、平面外C-OH的伸縮振動.從圖5可看出沒有任何新的吸收峰產生，即在棉纖維素降解過程中，在纖維素鏈中沒有新官能團產生.綜上，磷酸在降解棉纖維素的過程中并未對其化學結構造成破壞.

葡聚糖樣品III的降解程度遠遠大于葡聚糖樣品I和II，因此，圖5的紅外譜圖分析也同樣適用于葡聚糖樣品I和II.

2.3.2 結晶度表征

圖6為棉纖維素、葡聚糖樣品Ic和III的XRD衍射圖.由圖6可以明顯看出，棉纖維素在2 為14.88°、18.80°、22.33°和33.55°處有強衍射峰.對比棉纖維素和葡聚糖樣品的衍射圖譜，在葡聚糖樣品的衍射圖譜中，原屬于棉纖維素的2 為14.88°和18.80°的結晶峰消失了，而出現了2 為12.20°、19.80°、38.20°和40.70°的新的非結晶峰.這表明了再生纖維素的產生，即棉纖維素的結晶結構已被破壞，結晶度得到降低.圖6中，葡聚糖樣品衍射圖譜在22.33°附近的結晶面積明顯降低，而在19.80°處的非結晶峰面積增加，這再次證明了葡聚糖樣品中結晶度已得到降低.該實驗結果同Deng[24]的研究結果類似.

結晶指數 (Xc)可根據公式 (6)進行計算[25].

其中：Acr和Aam分別表示結晶峰面積（2θ=22.33°處的衍射峰）和非結晶面積（2θ=19.80°處的衍射峰）.

根據式(6)得到棉纖維素的結晶度指數為90.6%，葡聚糖樣品I和III的結晶度指數分別為47.2%和41.9%.對比結晶度指數發現，葡聚糖樣品的結晶度明顯下降.

圖5 葡聚糖樣品III和棉纖維素的紅外譜圖比較Fig.5 Comparisonsof FT-IR spectraon glucan sample IIIand cotton cellulose

圖6 棉纖維素、葡聚糖樣品Ic和III的XRD衍射圖Fig.6 XRD patternsof cotton celluloseand glucan samples Ic and III

葡聚糖樣品II和I均屬于水不溶性的葡聚糖，且其 居于樣品I和III之間.因此，圖6中衍射峰的分析結果同樣適用于葡聚糖樣品II.

3 結論

本文主要采用了磷酸降解棉纖維素的方法來制備低聚合度葡聚糖.通過控制反應時間和沉淀劑得到了0～140、1007的葡聚糖樣品.在降解前后，葡聚糖樣品的 和結晶度均得到了有效降低，但其化學結構并未遭到破壞.10～60范圍內的葡聚糖迅速降解為水溶性葡聚糖，其反應動力學符合一級反應，在50℃、55℃和60℃下的速率常數分別為0.075 h1、0.100 h1和0.125 h1，其活化能為45.72 kJmol1.

[1]Yu JL，Yang F，Liu ZH，etal.Preparation and characterization of C10-C14alkylcelluloseestersulfatesurfactant[J].JSurfactDeterg，2014，17（4）：647-653.

[2]馮建萍，劉民，賈松巖，等.吡咯烷酮酸性離子液體高效催化纖維素水解制葡萄糖 [J].石油學報（石油加工），2012，28（5）：775-782.

[3]Yan L，Qi X.Degradation of cellulose to organic acids in itshomogeneous alkaline aqueous solution[J].ACSSustainable Chem Eng，2014，2（4）：897-901.

[4]趙鵬翔，趙正凱.磷酸預浸蒸汽爆破玉米秸稈生產纖維素乙醇 [J].釀酒科技，2013（10）：34-37.

[5]龐斐，呂惠生，張敏華.亞臨界水/二氧化碳中纖維素降解制備5-羥甲基糠醛的機理及動力學[J].化學反應工程與工藝，2007，23（1）：55-60.

[6]Vetvicka V.Glucan-immunosti mulant，adjuvant，potentialdrug[J].World JClin Oncol，2011，2（2）：115-119.

[7]LiX，Deng F，HuaY，etal.Effectofmolecularweightofdextranon thephasebehaviorandm icrostructureofpreheated soy protein/dextranm ixtures[J].Carbohyd Polym，2008，72（1）：160-168.

[8]王雙慧，沈南輝，何勇，等.燕麥-葡聚糖對高膽固醇小鼠血脂和游離脂肪酸的影響研究 [J].食品工業科技，2014，35（2）：324-327.

[9]郝和群，姚萍.葡聚糖分子量和接枝度對阿霉素/白蛋白-葡聚糖納米粒子體外抗腫瘤效果的影[J].高等學校化學學報，2014，35（3）：652-659.

[10]Kang P，QinW，Zheng ZM，etal.The oretical study on the mechanisms of cellulose dissolution and precipitation in the phosphoric acid-acetone process[J].Carbohyd Polym，2012，90（4）：1771-1778.

[11]Fadeeva J，Shmukler L，Safonova L.Investigation of the phosphoric acid-N,N-dimethylformam ide system as potentialsolvent for cellulose[J].JMol Liq，2003，103：339-347.

[12]DupontA L.Cellulose in lithium chloride/N,N-dimethyl-acetam ide,optim isation of adissolutionmethod using paper substratesand stability of the solutions[J].Polymer，2003，44（15）：4117-4126.

[13]Jiang B，Liu Y，BhandariB，etal.Impactof caramelization on theglass transition temperature of severalcaramelized sugars.Part I：Chem ical analyses[J].JAgric Food Chem，2008，56（13）：5138-5147.

[14]LiebertT，SeifertM，Heinze T.Efficientmethod for thepreparationofpure,water-solublecellodextrines[C]//MacromolSymposia.Wiley-VCH Verlag Gmbh and Co.KGaA,Weinheim,2008，262（1）：140-149.

[15]CalviniP，GorassiniA，MerlaniA L.On thekineticsof cellulosedegradation：lookingbeyond thepseudozeroorder rateequation[J].Cellulose，2008，15（2）：193-203.

[16]H?kansson H，Ahlgren P，Germg?rd U.The degree of disorder in hardwood kraft pulps studied bymeans of LODP[J].Cellulose，2005，12（3）：327-335.

[17]MosierNS，Ladisch CM，LadischM R.Characterizationofacid catalytic domains forcellulosehydrolysisand glucosedegradation[J].Biotechno Bioeng，2002，79（6）：610-618.

[18]Zhang J，Zhang J，Lin L，etal.Dissolutionofm icrocrystallinecellulose in phosphoricacid-molecularchangesand kinetics[J].Molecules，2009，14（12）：5027-5041.

[19]Eken-Sara鐎?o lu N，Mutlu SF，Dilma?G，etal.A comparativekinetic study of acidic hem icellulosehydrolysis in corn cob and sunflower seed hull[J].Bioresource Technology，1998，65（1）：29-33.

[20]廖艷芬，王樹榮.纖維素熱襲解過程動力學的試驗分析研究 [J].浙江大學學報（工學版），2002，36（2）：172-176.

[21]QiH，Chang C，Zhang L.Effectsof temperatureandmolecularweighton dissolution of cellulose in NaOH/ureaaqueoussolution[J].Cellulose，2008，15（6）：779-787.

[22]楊芳，黎鋼，楚彥芳，等.羧甲基纖維素-丙烯酰胺接枝共聚反應研究 [J].河北工業大學學報，2004，33（5）：52-55.

[23]Sun X F，Sun R C，Tomkinson J，et al.Degradation of wheat straw lignin and hemicellulosic polymers by a totally chlorine-freemethod[J].Polym Degrad Stabil，2004，83（1）：47-57.

[24]DengW，Tan X，FangW，etal.Conversion of cellulose into sorbitolover carbon nanotube-supported ruthenium catalyst[J].Catal Lett，2009，133（1-2）：167-174.

[25]Focher B，PalmaM T，CanettiM，etal.Structuraldifferencesbetween non-wood plantcelluloses:evidence from solid state NMR,vibrational spectroscopy and X-ray diffractometry[J].Ind Crops Products，2001，13（3）：193-208.