羧甲基化改性納米甘薯渣纖維素的表征

馬小涵 劉 雄 郭 婷 趙 丹 田俊青 趙天天

(西南大學食品科學學院，重慶 400715)

羧甲基化改性納米甘薯渣纖維素的表征

馬小涵 劉 雄 郭 婷 趙 丹 田俊青 趙天天

(西南大學食品科學學院，重慶 400715)

以甘薯渣為原料，利用超聲輔助酸法從薯渣中提取納米纖維素，用羧甲基化對納米纖維素進行親水性改性，并對其理化性質進行表征。結果表明，羧甲基納米纖維素仍為典型的球形粒子，粒徑集中分布在30～50 nm，與原納米纖維素相比，表面結構更加疏松，化學反應活性增強；改性納米纖維素的晶型結構發生了變化，結晶度明顯降低，結晶指數由原來的73.27%下降到52.83%，但其熱穩定性提高；改性納米纖維素的實測純度>99.5%，黏度<25 mPa·s，是一種高純度極低黏度的納米級羧甲基纖維素，可用做食品級添加劑。

納米纖維素；羧甲基改性；表征

納米纖維素具有尺寸小、高結晶度、高純度、高強度等特性[1]，加之具有輕質性、生物相容性及可降解性，其在造紙、建筑、汽車、食品、電子產品、醫學等領域具有很好的應用前景[2-3]。然而，納米纖維素較高的比表面積和眾多的表面活性羥基，使其在干燥過程中，顆粒間極易通過氫鍵作用和范德華力發生團聚，而且隨著溫度升高，不可逆團聚程度也逐漸增大[4]，并且采用物理方法很難將團聚后的納米纖維素再次分散，極大地限制了其應用。對納米纖維素進行適當地修飾來提高其再分散性，成為近年來該領域研究的熱點之一。

目前，對納米纖維素改性的方法主要有兩種：① 物理改性，也是非共價鍵的表面吸附改性，即在納米纖維素表面吸附聚電解質或表面活性劑[5-7]；② 化學改性，包括小分子的化學修飾(如酯化[8-10]、氧化[11-13]、醚化、硅烷化[14]等)和接枝共聚。納米纖維素可以通過適當的改性方法在其表面引入穩定的正或負電荷，使納米纖維素在溶劑中的分散性提高。同時，在納米纖維素表面結合非極性或者疏水性的物質，也可降低納米纖維素表面自由能，提高納米纖維素在復合材料中的界面相容性。目前，關于納米纖維素的化學改性方面的研究多集中在疏水性改性，而親水性改性報道較少。Eyholzer等[15]通過羧甲基反應結合機械處理，獲得了輕微改性的羧甲基納米微纖絲，羧甲基修飾后減少了纖維素微纖絲在干燥過程中由于氫鍵閉鎖而發生的角質化作用，使其在水中再分散性良好，但結晶度有所降低。本試驗擬以甘薯渣為原料，利用超聲輔助酸法從薯渣中提取納米纖維素，用羧甲基化對納米纖維素進行親水性改性，提高納米纖維素的再分散性，并對其理化性質進行表征，旨在為今后羧甲基改性納米薯渣纖維素的研究和應用提供重要理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

甘薯渣：光友薯業有限公司；

α-淀粉酶：生物試劑，北京奧博星生物技術有限責任公司；

溴化鉀：光譜純，天津市豐越化學品有限公司；

冰醋酸、氫氧化鈉、濃硫酸、鹽酸、一氯乙酸、過氧化氫、碘化鉀、碘單質、硫酸銅異丙醇、無水乙醇、甲醇：分析純，重慶川東化工(集團)有限公司。

1.1.2 儀器與設備

噴霧干燥機：YC-015實驗型，上海雅程儀器設備有限公司；

透射電子顯微鏡：TEM 2100型，日本電子株式會社；

X-射線粉末衍射儀：XRD-7000 型，日本島津公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：Nicolet 6700型，美國Nicolet公司；

差示掃描量熱儀：DSC 4000型，美國PE公司；

熱重分析儀：Q50TGA型，美國TA儀器公司；

黏度計：NDJ-5S型，上海精密科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 納米纖維素的制備 將甘薯渣原料水洗除去可溶性物質和雜質，并放于恒溫鼓風干燥箱中，80 ℃干燥 8 h，超微粉碎并過180 目篩。取5.00 g超微粉碎薯渣，按1∶6 (g/mL) 的比例加蒸餾水煮沸3 min，使淀粉充分糊化，降溫至60 ℃，加入10倍原料質量1.5%的α-淀粉酶液，105 W、45 ℃超聲處理45 min；100 ℃加熱滅酶5 min，4 500 r/min離心10 min，棄去上清液，按料液比1∶10 (g/mL) 加入7%的NaOH溶液，70 ℃堿解90 min；6 000 r/min離心洗滌15 min，按料液比為1∶10 (g/mL) 加入20%的雙氧水，于70 ℃漂白60 min，6 000 r/min離心洗滌15 min后得到提純薯渣纖維素。再利用超聲波輔助酸法，將所得薯渣纖維素，按1∶10 (g/mL) 的比例加入65%硫酸，120 W、55 ℃條件下超聲酸解120 min，均質，得到穩定的甘薯渣納米纖維素懸浮液，并對其進行噴霧干燥，保存備用[16]。

1.2.2 納米纖維素的羧甲基化改性 向裝有攪拌裝置和冷凝裝置的三口燒瓶中加入1.00 g 甘薯渣納米纖維素晶體和45 mL 異丙醇，充分攪拌并置于恒溫水浴鍋中，25 ℃下逐滴加入50% NaOH 溶液2 mL，攪拌60 min，完成堿化過程；然后向堿化纖維素中緩慢加入一定量的一氯乙酸(溶于15 mL異丙醇)，50 ℃下水浴反應50 min，完成醚化Ⅰ段；再向反應體系中逐滴加入50%的NaOH溶液1 mL，60 ℃下反應90 min，完成醚化Ⅱ段。反應結束后，將反應所得產物過濾，懸浮于80%甲醇溶液中，用90%醋酸溶液調節pH至7.5～9.0，再分別用70%乙醇和甲醇充分洗滌，真空低溫烘干，即可得到羧甲基納米纖維素(N-CMC)[17-19]。

1.2.3 鑒定試驗 按GB 1886.232—2016執行。

1.2.4 紅外光譜分析(FT-IR) 取適量干燥樣品與光譜級溴化鉀(1/100)共同研磨壓片，掃描范圍400～4 000 cm-1，掃描間隔2 cm-1，每個樣品累計掃描32次。

1.2.5 微觀結構觀察 取適量改性前后的納米纖維素懸浮液，稀釋至合適濃度并進行超聲處理(100 W 2 min)，取少量懸浮液滴于銅網上，晾干，通過透射電子顯微鏡，觀察改性前后納米纖維素微觀形貌的變化。

1.2.6 結晶結構分析 將適量的樣品粉末置于X-射線衍射槽內，通過Cu靶輻射源，在工作電壓40 kV，電流30 mA的條件下進行測定。控制掃描速度3°/min，掃描范圍5°～50°，掃描步寬0.02°。結晶度的計算采用分峰法中的Scherrer公式進行計算。

1.2.7 熱穩定性分析

(1) 差式掃描量熱分析(DSC)：稱取樣品4～6 mg，于鋁質坩堝中壓緊，以空鋁盒為參比，升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍30～400 ℃，在N2氛圍中進行測定。

(2) 熱重分析(TGA)：N2氛圍，樣品重量5～11 mg，升溫范圍30～800 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.2.8 純度與黏度分析 按照GB 1904—2005的方法，測定羧甲基納米纖維素的純度與2%水溶液的黏度。

2 結果與分析

2.1 定性鑒定

外觀：所制羧甲基納米纖維素鈉呈淡黃色粉末。產物樣品按照GB 1904—2005《食品添加劑 羧甲基纖維素鈉》中的方法鑒定，呈現如下狀態：產物溶液滴加2～3滴碘化鉀碘水溶液最終不出現藍色；產物溶液滴加10 mL硫酸銅溶液產生絨毛狀淡藍色沉淀；鹽酸溶液浸潤鉑絲蘸取產物溶液在無色火焰中燃燒呈鮮黃色，因此確認試驗產物為羧甲基纖維素。

①所有3組患者在治療前和治療后采用TCSS(包括患者神經癥狀、感覺功能及神經反射，總分共計為19分）進行評分。

2.2 紅外光譜分析

從圖1中CNC的紅外圖譜可以看出，纖維素的特征峰幾乎都存在，在3 200～3 600 cm-1處有強的寬吸收峰，為—OH 的伸縮振動峰，證明甘薯渣纖維素中存在締合狀態的氫鍵，在2 840～3 000 cm-1處有—CH2的伸縮振動峰，在1 450 cm-1左右處有—CH2的彎曲振動，在1 000～1 200 cm-1處呈現寬而復雜的吸收帶，為醚鍵—C—O—C—的伸縮振動，在800～1 000 cm-1處存在—C—H—的搖擺振動吸收峰，且在1 640 cm-1處出現水蒸氣吸收峰，圖中雜峰較少，說明薯渣纖維素純度較高。羧甲基化后，N-CMC紅外圖中3 413.8 cm-1處-OH伸縮振動峰強較原纖維素明顯減弱，峰寬變窄，表明氫鍵作用減弱，證明羥基參與了親核取代反應；2 913.3 cm-1處—CH2的伸縮振動峰減弱，1 605.7 cm-1處出現了典型的COO—的羰基非對稱伸縮振動峰，1 424.6 cm-1出現了典型的COO—的羰基對稱伸縮振動，且1 063.1 cm-1處醚鍵吸收峰的增加，表明纖維素內部結構發生了變化，纖維素分子成功接上了羧甲基基團。

2.3 微觀形貌觀察

由圖2(a)可知，CNC呈現典型的球形，粒徑集中分布在20～40 nm。CNC的尺寸較小且比表面積較大，同時顆粒表面含有較多的活性羥基基團，因此顆粒間會存在較強的氫鍵作用，使得CNC粒子間極易發生團聚現象。即使是分散均勻的懸浮溶液，溶劑揮發的過程中，銅網上仍然會有部分顆粒出現團聚現象，所以從圖2(a)中可以觀察到CNC顆粒有部分堆疊和粘連[20]。由圖2(b)可知，改性得到的羧甲基納米纖維素顆粒并沒有發生明顯改變，仍然呈現具有結晶結構的球形，顆粒粒徑略有增大，主要分布在30～50 nm。羧甲基基團的引入，不僅使得納米纖維素顆粒表面變得蓬松，顆粒堆疊粘連現象減弱，粒子堆砌松散；同時，納米纖維素顆粒之間的吸附作用因羧基之間的靜電斥力而大為減弱，因而改性得到的N-CMC再分散性得到了顯著改善。同時，由于反應過程中，CNC表面致密的結晶結構可能被破壞，內表面的活性增強，所以改性得到的N-CMC的結構明顯疏松[21]。

2.4 結晶結構分析

X-射線研究表明，纖維素是由結晶區和無定形區連接形成的兩相體系。纖維素的結晶度是指結晶區占纖維素整體的百分率。由于在纖維素的結晶體和在纖維素晶體基本單元之間仍然存在一些無定形的成分，所以納米甘薯渣纖維素的結晶度達不到100%。通過Scherrer公式[23]計算得出CNC和N-CMC的相對結晶指數分別為73.27%，52.83%。經羧甲基化后，纖維素的結晶指數有所下降，這是由于一方面堿化、醚化反應破壞了纖維素晶體的結晶區，且取代度高，纖維素的反應程度越高，反應試劑對纖維素晶體的破壞越大，結晶度越低；另一方面羧甲基的位阻效應使纖維素的規則度降低，可及區增加，產生更多的非晶區，也使得纖維素的結晶指數下降。

2.5 熱穩定性分析

2.5.2 熱重分析 圖5、6為納米纖維素改性前后的TG曲線和DTG曲線，該曲線反映的是樣品在升溫過程中的失重速率變化狀況。纖維素在惰性氣氛中進行熱降解，一部分是黏滯的油以及碳化合物，另一部分分解形成各種較小的氣體或可揮發物質。CNC和N-CMC的第一次失重發生在80 ℃附近，失重量分別為6.21%和8.03%，這主要由結晶水的蒸發引起，與上述DSC分析結果一致。在之后在TG和DTG曲線中，兩者的失重發生了明顯的不同，CNC出現了兩段不相同的熱分解過程，分別為190～560 ℃和560～750 ℃。CNC樣品在一個寬的溫度范圍顯示了2次熱分解，可能是在CNC上殘留的硫酸催化降解CNC，從而降低了CNC的分解溫度，同時殘留的硫酸根也會增加分解后的殘余灰燼量，這是硫酸水解制備球狀纖維素納米晶體典型的熱分解行為[22]。CNC從190 ℃開始快速失重，在190～560 ℃時，失重最大且速度最快，失重率達到47.18%，為主要裂解溫度范圍。同時由DTG曲線可知，CNC的最快失重率點為330 ℃，加熱到750 ℃時幾乎失重完全，累計失重約75.18%，仍有24.82%的殘存量。

N-CMC則分別在200～550 ℃和550～750 ℃兩段溫度范圍內發生緩慢降解。TG曲線 (圖5)顯示其在200 °C出現軟化點，開始迅速降解，這是化學修飾后纖維素晶須的熱失重特征[24-25]，這時產生的失重以揮發性氣體為主。在200～550 ℃時，N-CMC失重24.26%，加熱到750 ℃以后，溫度繼續升高，殘留的N-CMC試樣則以殘渣炭的形式存在，失重變得緩慢。在750 ℃還有57.88%的存量，較CNC提高了33.06%。結合DSC曲線，CNC在185 ℃以下穩定，N-CMC是邊熔融邊分解，在200 ℃以下穩定。

N-CMC的初始失重溫度較CNC約增加10 ℃，其失重曲線平緩，熱分解過程緩慢，失重率低，殘存量高，這些都表明N-CMC的熱穩定性得到提高，與DSC的分析結果相一致，可能是羧甲基化后CNC的晶型發生改變引起的，X-衍射分析也充分證實了這一點。纖維素I型結構為平行鏈結構，強度高但穩定性低，絲光化處理后，鏈的折疊、堆砌方式及極性都會發生不同程度的改變，進而導致纖維素分子鏈的構象發生不可逆的轉變，同時纖維素分子內的重排、取代官能團的位阻效應也會影響晶體結構的穩定性，這些都會改變纖維素晶體的熱穩定性，有關羧甲基改性后纖維素晶體熱穩定性提高的具體原因還有待進一步研究。

2.6 黏度與純度測定

經測定不同取代度(DS為0.544～1.343)羧甲基納米纖維素(2%水溶液)的黏度為6.77～18.02 mPa·s。隨著DS的增大，N-CMC黏度緩慢增大，但均小于低黏度羧甲基纖維素的黏度標準(25 mPa·s)。羧甲基纖維素的黏度主要取決于纖維素鏈形成構架的平均聚合度，黏度和平均聚合度存在近似直線的關系。由于經硫酸水解的纖維素平均聚合度急劇下降，因而由CNC制備的N-CMC黏度很低。另外，N-CMC粒子處于納米尺寸范圍，其水溶液中有效電荷密度低，靜電斥力減弱，分子鏈卷曲，溶液黏度降低。取代度增大，雖然可以增大羧甲基纖維素的平均分子量，但對溶液黏度影響不大。

食品添加劑要求羧甲基纖維素的純度>99.5%，本試驗制備羧甲基納米纖維素的純度測定值為(99.67±0.18)%，達到食品級羧甲基纖維素的使用要求。綜上表明，試驗所得產品為純度高黏度極低的羧甲基纖維素鈉。

3 結論

本試驗采用紅外分析、透射電鏡、X-射線衍射、差式掃描量熱分析、熱重分析等方法，來研究羧甲基納米纖維素的結構和性質，以探討羧甲基改性對納米纖維素的微觀形貌、結晶結構、熱穩定性等方面的影響，并對羧甲基納米纖維素的關鍵性質指標純度和黏度進行了測定，以期為羧甲基納米纖維素的實際應用提供理論指導。經過以上分析，可得出如下結論：

(1) 定性試驗和紅外光譜分析表明：羧甲基基團成功地取代了納米纖維素表面的部分羥基，達到了對納米纖維素進行羧甲基化修飾的目的。

(2) TEM和XRD表征顯示：羧甲基修飾對納米纖維素的晶體結構沒有產生顯著影響，羧甲基修飾后的納米纖維素仍然呈現典型的球形粒子，粒徑略有增大，集中分布在30～50 nm，羧甲基納米纖維素的表面結構更加疏松，反應活性增加；但改性修飾使納米纖維素的晶型結構發生了變化，結晶度明顯降低，結晶指數由73.27%降到了52.83%。

(3) 熱穩定性分析表明：羧甲基修飾后納米纖維素的熱穩定性提高，可能是晶型結構發生改變所致，具體原因還有待進一步研究。

(4) 黏度與純度分析證明：試驗所得產品為純度高黏度極低的納米級羧甲基纖維素，可用做食品級添加劑。

本試驗僅是對羧甲基納米纖維素理化性質做了初步探討，還有很多方面有待進一步深入研究，如羧甲基納米纖維素的干燥工藝對其結構和性質也有重要的影響；如何經濟高效地得到粉末狀羧甲基納米纖維素，使之實現產業化等。

[1] PAAKKO M, ANKERFORS M, KOSONEN H, et al. Enzymatic hydrolysis combined with mechanical shearing and high-pressure homogenization for nanoscale cellulose fibrils and strong gels[J]. Biomacromolecules, 2007, 8(6): 1 934-1 941.

[2] 董鳳霞, 劉文, 劉紅峰. 納米纖維素的制備及應用[J]. 中國造紙, 2012(6): 68-73.

[3] 甄文娟, 單志華. 納米纖維素在綠色復合材料中的應用研究[J]. 現代化工, 2008, 28(6): 85-88.

[4] AHOLA S, MYLLYTIE P, BSTERBERG M, et al. Effect of polymer adsorption on cellulose nanofibril water binding capacity and aggregation[J]. Bioresources, 2008, 3(4): 1 315-1 328.

[5] HEUX L, CHAUVE G, BONINI C. Nonflocculating and chiral-nematic self-ordering of cellulose microcrystals Suspensions in nonpolar Solvents[J]. Langmuir, 2000, 16(21): 8 210-8 212.

[6] BONDESON D, OKSMAN K. Dispersion and characteristics of surfactant modified cellulose whisker nanocomposites[J]. Compos Interface, 2007, 14(7/9): 617-630.

[7] KIM J, MOMTERO G, HABIBI Y, et al. Dispersion of cellulose crystallites by nonionic surfactants in a hydrophobic polymer matrix[J]. Polym Eng Sci, 2009, 49(10): 2 054-2 061.

[8] ROMAN M, WINTER W T. Cellulose nanocrystals for thermo plastic reinforcement: effect of filler surface chemistry on composite properties[J]. ACS Symposium Series-Cellulose Nanocomposites, 2006, 938: 99-113.

[9] 王能, 丁恩勇, 程銘時. 納米纖維素表面改性研究[J] 高分子學報, 2006, 1(8): 982-987.

[10] BERLLOZ S, MOLINA-BOISSEAU S, NISHIYAMA Y, et al. Gas-Phase Surface Esterification of Cellulose Microfibrils andWhiskers[J]. Biomacromolecules, 2009, 10(8): 2 144-2 151.

[11] DE NOOY A E J, BESEMER A C, VAN BEKKUM H. Highly selective tempo mediated oxidation of primary alcohol groups in polysaccharides[J]. Recl TraV Chim Pays-Bas, 1994, 113(3): 165-166.

[12] ARAKI J, WADA M, KUGA S. Stabilization of a cellulose microcrystal suspension by poly (ethylene glycol) grafting [J]. Langmuir, 2001, 17(1): 21-27.

[13] HABIBI Y, CHANZY H, VIGNON M R. TEMPO-mediated surface oxidation of cellulose whiskers[J]. Cellulose, 2006, 13(6): 679-687.

[14] GOUSSE C, CHANZY H, EXCOFFIER G, et al. Stable suspensions of partially silylated cellulose whiskers dispersed in organic solvents[J]. Polymer, 2002, 43(9): 2 645-2 651.

[15] EYHOLZER C, BORDEANU N, LOPEZ-SUEVOS F, et al. Preparation and characterization of water-redispersible nanofibrillated cellulose in powder form[J]. Cellulose, 2010, 17(1): 19-30.

[16] 陸紅佳, 文紅麗, 劉雄. 超聲波輔助酸法制備納米薯渣纖維素的工藝研究[J]. 中國糧油學報, 2012, 27(4): 96-100.

[17] DAPIA S, SANTOS V, PARAJ J C. Carboxymethylcellulose from totally chlorine free-bleached milox pulps[J]. Bioresource Technology, 2003, 89(3): 289-296.

[18] HEBEISH A A, EI-RAFIE M H, ABDEL-MOHDY F A. et al. Carboxymethyl cellulose for green synthesis and stabilization of silver nanoparticles[J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 82(3): 933-941.

[19] 程亞嬌, 郭婷, 李本姣, 等. 改性納米薯渣纖維素的制備優化及其形貌表征[J]. 食品與發酵工業, 2016, 42(3): 142-149.

[20] LU Hong-jia, GUI Yu, ZHENG Long-hui, et al. Morphological, crystalline, thermal and physicochemical properties of cellulose nanocrystals obtained from sweet potato residue[J]. Food Research International, 2013, 50(1): 121-128.

[21] ERONEN P, OSTERBERG M, JAASKELAINEN A S. Effect of alkaline treatment on cellulose supramolecular structure studied with combined confocal Raman spectroscopy and atomic force microscopy[J]. Cellulose, 2009, 16(2): 167-178.

[22] WANG Neng, DING En-yong, CHENG Rong-shi. Thermal degradation behaviors of spherical cellulose nanocrystals with sulfate groups[J]. Polylner, 2007, 48(12): 3 486-3 493.

[23] SESGAL L, CREELY J J, MARTIN A E, et al. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose u-sing X-ray diffractometer[J]. Textile Research Journal, 1959, 29(10): 786-794.

[24] VARMA A J, CH AVAN V B. Thermal Properties of oxidized cellulose[J]. Cellulose, 1995, 2(1): 41-49.

[25] LERDKANEHANAPORN S, DOLLIMORE D, ALEXAND-ER K S. A simultaneous TG-DTA study of the degradation in nitrogen of cellulose to carbon, alone and in the Presence of other pharmaceutical excipients[J]. Thermochim Acta, 1998, 324(1): 25-32.

Characterization of Carboxymethyl Modified Cellulose Nanocrystal from Sweet Potato Residue

MA Xiao-hanLIUXiongGUOTingZHAODanTIANJun-qingZHAOTian-tian

(CollegeofFoodScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

With sweet potato residue as raw material, cellulose nanocrystals (CNCs) were achieved through ultrasonic-assisted acid method. Carboxymethyl cellulose nanocrystals (N-CMCs) were produced by carboxymethylation of CNCs. Transmission electron microscopy (TEM) showed that the N-CMCs were still typical spherical nano particles and slightly larger with a uniform diameter ranging from 30 nm to 50 nm. They were more loosely packed than the CNCs and had a porous surface structure. The crystallinity index of the N-CMCs (52.83%) was lower than that of CNCs (73.27%), whereas the thermal stability of the former was higher. N-CMCs could be used as an excellent food additive, with low viscosity less than 25 mPas, high purity more than 99.5% and nano-sized scale.

cellulose nanocrystals; carboxymethylation; characterization

重慶市科委民生專項一般項目(編號：cstc2015shmszx0367)

馬小涵，女，西南大學在讀碩士研究生。

劉雄(1970—)，男，西南大學教授，博士。 E-mail:liuxiong848@hotmail.com

2016—12—29

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.008