NaOH溶液處理甘蔗渣過程中纖維素晶體結構的變化

張云飛，李堅斌，2*，莫志鵬，申潤艷，魏群舒，方坤

(1.廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004；2.廣西蔗糖產業協同創新中心，南寧 530004)

由于化石燃料能源的快速消耗以及其對環境的不利影響，可再生能源替代品越來越引起人們的關注[1]。眾所周知，在糖和酒精行業生產的甘蔗渣是主要木質纖維素材料之一，被認為是生物乙醇生產的有價值原料，特別是在巴西、中國和印度等國家[2，3]。據估計，每噸甘蔗可以生產約280 kg的甘蔗渣。世界上每年生產約5億噸甘蔗，相當于產生了超過1.4億噸甘蔗渣[4]。因此，充分利用這些廉價材料生產生物乙醇對經濟和環境都有很大的好處。甘蔗渣主要由纖維素、半纖維素和木質素三部分組成，其中纖維素在分子內和分子間氫鍵的作用下，形成微晶纖維絲，半纖維素、木質素則作為微纖絲之間的填充劑和黏結劑，包裹著纖維素[5]。由于甘蔗渣的這種結構特征，不利于反應試劑的滲透及擴散，很大程度上限制了甘蔗渣的應用范圍，加大了其利用難度[6]。 因此，需要對甘蔗渣進行適當的預處理，除去半纖維素、木質素，降低纖維素的結晶度，從而提高利用效率。

堿處理是當前最有效的預處理工藝之一[7]。堿處理的機理是在堿性條件下，半纖維素、木質素及其他組分間的酯鍵發生皂化作用，去除木質素，并保留綜纖維素，從而能夠有效地提高木質纖維素的酶解性能，另外堿溶液還可以溶解木質纖維素中的灰分成分，去除乙酰基，溶脹纖維素，降低結晶度[8]。結晶度(CrI)是通常用于量化纖維素材料中存在的晶體結構量的參數，并且還用于解釋物理化學和生物處理后纖維素晶體結構的變化[9]。測量CrI的方法包括X射線衍射(XRD)[10]，固態13C核磁共振(NMR)光譜[11]、FT-IR光譜和拉曼光譜[12]。堿性預處理是能夠去除幾乎全部木質素并降低蔗渣結晶度，從而提高酶效率的最有效方法之一[13-15]。

關于低濃度的NaOH溶液預處理的甘蔗渣的報道有很多，對于高濃度的堿液處理甘蔗渣以及堿液處理甘蔗渣過程中晶體結構的研究卻鮮見報道。在本文中，使用4%～52%濃度的NaOH溶液對甘蔗渣進行預處理，使用XRD和FT-IR方法，探討在堿處理過程中纖維素晶體結構的變化情況，對工業中提高甘蔗渣的利用效率、降低成本、選擇最佳堿液濃度處理等具有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘蔗渣：取自廣西明陽糖廠；NaOH、KBr：國藥集團化學試劑有限公司，以上試劑均為AR級。

DHG-9070A電熱鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；HL-150高速多功能粉碎機 上海賽耐機械有限公司；FRITSCH粉碎機 德國Idear-Oberstein公司；SHB Ⅲ型循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；MR磁力攪拌器 德國Heidolph公司；TENSOR Ⅱ型傅里葉變換紅外光譜儀 美國Bruker公司；MiniFlex 600 X射線衍射儀 日本Rigaku公司；臺式掃描電鏡 上海復納科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 蔗渣的預處理

將從糖廠獲得的甘蔗渣風干，用大量的蒸餾水沖洗，在溫度為60 ℃的電熱鼓風干燥箱中烘干過夜。將烘干后的甘蔗渣自然冷卻，置于粉碎機中粉碎，過100目篩，用塑料封口袋收集篩后的蔗渣，置于干燥器中保存備用[16]。

1.2.2 不同濃度的NaOH處理蔗渣

配制濃度分別為4%、8%、12%、16%、20%、28%、36%、44%、52%的NaOH溶液。取2 g過篩后的蔗渣3份置于3個錐形瓶中，編號。向3個錐形瓶中加入40 mL上述配制好的NaOH溶液，置于溫度為40 ℃、轉速為400 r/min的磁力攪拌器上，磁力攪拌2 h。使用真空泵抽濾反應后錐形瓶中的混合物，棄去液體，取固體。用大量的蒸餾水洗至中性，抽濾，取固體，置于溫度為60 ℃的鼓風干燥箱中烘干過夜，將烘干后的樣品用研缽研細，用塑料封口袋收集，編號，置于干燥器中保存。處理一式三份進行。

1.2.3 X射線衍射(XRD)

纖維素具有兩個X射線衍射特征峰，與晶面有關(Bragg angles, 2θ)。第一個峰I1與纖維素的非結晶區有關，纖維素I為18°，纖維素II為16°。第二個峰對應于纖維素的結晶區，對于纖維素I，2θ介于22°～23°，對于纖維素II，2θ介于18°～22°。未處理和NaOH預處理的SCB樣品通過MiniFlex 600 X射線衍射儀進行分析，在觀察之前將樣品蓋在顯微載玻片上。以0.2 s的時間間隔按2θ=2°～60°，以2°的步長收集掃描。僅對一些隨機選取的樣品進行兩次掃描。SCB的結晶度指數(CrI)計算方法如下：

CrI=(I002-Iam)×100/I002。

式中：I002為在2θ=22.4°處來自002平面的衍射強度，Iam為在2θ=18.4°處的衍射強度。

1.2.4 傅里葉紅外光譜(FT-IR)

將研磨后的蔗渣在溫度為60 ℃的電熱鼓風干燥箱中干燥5 h，溴化鉀在溫度為121 ℃的電熱鼓風干燥箱中干燥4 h。在TENSOR Ⅱ型傅里葉變換紅外光譜儀配套的烘箱前研磨制樣。壓片后使用FT-IR光譜儀獲得樣品的FT-IR光譜，掃描范圍為4000～400 cm-1，掃描間隔為2 cm-1。

作為一種補充方法，FT-IR被廣泛應用于估計纖維素的結晶度值，與之前計算CrI值的研究方法相比，FT-IR計算相對結晶度是根據吸收帶的比例來計算的[17，18]。主要方法有4種：橫向有序指數(LOI)A1429/A897；總結晶度值(TCI)A1374/A2900；A1374/A668；A1058/A1374[19，20]。式中：A表示在FT-IR光譜中某個波數下的吸光度值。

1.2.5 掃描電子顯微鏡(SEM)

使用臺式掃描電鏡，將樣品顆粒置于樣品架上的碳導電帶上，壓制蔗渣顆粒以確保顆粒之間沒有留下空隙，松散的顆粒由噴霧器除塵。經噴金系統涂膜后進行觀測。

1.2.6 數據處理

實驗結果使用Origin 8.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 X射線衍射(XRD)方法表征甘蔗渣的結構變化

Dadi等指出，纖維素物質的結晶度是影響酶解反應的重要因素。當用NaOH溶液處理纖維素時，纖維素的形態、分子和超分子性質會發生相當大的變化，同時也會引起纖維素的結晶度、孔結構、可接近性、剛度及結晶度的變化[21]。未經處理的甘蔗渣和經不同濃度的NaOH溶液處理的甘蔗渣的XRD圖見圖1。

圖1 蔗渣經不同濃度的NaOH溶液處理后的XRD譜圖Fig.1 XRD spectrogram of bagasse treated with different concentration of NaOH solution

注：a為未經NaOH處理的蔗渣；b為 4% NaOH處理的蔗渣；c為8% NaOH處理的蔗渣；d為12% NaOH處理的蔗渣；e為16% NaOH處理的蔗渣；f為20% NaOH處理的蔗渣；g為28% NaOH處理的蔗渣；h為36% NaOH處理的蔗渣；i為44% NaOH處理的蔗渣； j為52% mol/L NaOH處理的蔗渣。

由圖1可知，未經堿液處理的甘蔗渣的晶型結構顯現出典型的纖維素Ⅰ型結構，在20°～22°之間只有一個高強度的衍射峰[22]。與未經處理的甘蔗渣樣品相比，使用4%和8%的NaOH溶液處理2 h后，甘蔗渣生物質在20°～22°的衍射峰強度明顯增高，但仍然是纖維素Ⅰ型的結構。當NaOH溶液的濃度增大到12%時，與濃度低于8%的NaOH溶液處理的甘蔗渣的圖譜相比，其最大衍射峰的峰強度降低。纖維素的晶型開始發生改變，不再是典型的纖維素Ⅰ型結構。當使用16%的NaOH溶液處理甘蔗渣2 h后，XRD圖譜中20°～22°之間不再是一個單一的高強度衍射峰，而是兩個衍射峰，并且在低角度12°附近開始出現一個衍射強度較低的峰，這是纖維素Ⅱ型的結構，此時甘蔗渣生物質的晶型結構發生了轉變，這是甘蔗渣進行了絲光處理的結果，絲光處理能夠將纖維素Ⅰ型轉化為纖維素Ⅱ型，但絲光處理受處理條件的影響，如NaOH的濃度、溫度以及處理時間的影響[23]。當NaOH溶液的濃度從20%升至52%對甘蔗渣進行預處理2 h后，纖維素的晶型沒有再發生改變，20°～22°的兩個衍射峰更加明顯地分離開來。

甘蔗渣的結晶度值CrI根據1.2.3中的公式計算，經過不同濃度的NaOH溶液預處理后其CrI的變化趨勢見圖2。

圖2 峰值法結合XRD譜圖得到的經不同濃度NaOH溶液的處理CrIFig.2 CrI treated with different concentration of NaOH solution obtained by peak method combined with XRD spectrum

由圖2可知，未經預處理的甘蔗渣生物質的CrI為38.96%，在低于8%的NaOH溶液范圍內，CrI隨著NaOH濃度的增加出現升高的趨勢。當堿液的濃度高于8%時，經過預處理的甘蔗渣的CrI出現下降趨勢，16% NaOH處理后CrI值達到最低，為30.74%。總的來說，使用不同濃度的NaOH溶液處理甘蔗渣其CrI呈現先上升后下降的趨勢。CrI的演變可能是由于力作用于纖維素結構中的不同區域。根據兩相模型理論[24]，纖維素鏈中存在兩個區域，即無定形區域和結晶區域。較低的CrI意味著NaOH溶液作用于晶體區域，從而導致對晶體結構的破壞和相對較低的結晶區域。另一方面，CrI的降低與去除木質素和半纖維素有關[25]，下降趨勢可能是由于持續破壞結晶結構所致。結果表明，CrI與NaOH溶液濃度之間的關系不是線性的，而是先上升后下降的趨勢。

2.2 傅里葉紅外光譜表征甘蔗渣的結構變化

甘蔗渣樣品的FT-IR光譜見圖3，顯示了不同濃度NaOH溶液的預處理條件下纖維素的結構變化。處理過的甘蔗渣樣品的圖譜與未處理的樣品相似，圖譜顯示沒有產生任何其他新的官能團峰，這表明NaOH溶液對纖維素的溶解是一種非衍生化的溶解。

圖3 蔗渣經不同濃度NaOH處理后的FT-IR圖譜Fig.3 FT-IR spectrograms of bagasse treated with different concentration of NaOH

注：a為未經NaOH處理的蔗渣；b為1 mol/L NaOH處理的蔗渣；c為2 mol/L NaOH處理的蔗渣；d為 3 mol/L NaOH處理的蔗渣；e為4 mol/L NaOH處理的蔗渣；f為5 mol/L NaOH處理的蔗渣；g為7 mol/L NaOH處理的蔗渣；h為9 mol/L NaOH處理的蔗渣；i為11 mol/L NaOH處理的蔗渣；j為13 mol/L NaOH處理的蔗渣。

原料中在1603，1513，1461 cm-1處的吸收條帶(代表木質素中芳香烴骨架的振動)在經NaOH溶液處理后的樣品中減弱或者消失。這些結果表明再生樣品中的木質素被去除。897 cm-1處的吸收強度增強，表明纖維素含量增加，可能是由于木質素的去除引起的[26,27]。與未經預處理的甘蔗渣相比，經過NaOH預處理的甘蔗渣在FT-IR的光譜上最顯著的變化波數是897，1060，1167，1161，1246，1363，1618，1652，2776，2820，3430 cm-1。經NaOH溶液預處理的甘蔗渣樣品的帶高度減小并且OH伸縮振動區域變寬。具體而言，某些頻段似乎NaOH溶液的預處理非常敏感。這些帶處于分子內和分子間氫鍵鍵合的OH基團(在3500～3200 cm-1之間)的振動范圍內，在指紋區域，另外，1738 cm-1和1625 cm-1處的峰分別歸因于乙?；聂驶鶅r振動和吸收水的OH彎曲振動。以上現象都證明NaOH溶液對甘蔗渣生物質的FT-IR光譜形狀有很大的影響。據推測，在預處理過程中纖維素結晶度的變化可能是FT-IR光譜變化的原因。Schwanninger等報道了類似的結果，他們認為球磨產生的木材FT-IR光譜的變化主要是由于纖維素的變化[28]。此外，纖維素的變化與結晶度的降低和聚合度有關[29，30]。

由LOI和TCI表示的CrI的變化趨勢見圖4。

圖4 A1429/A897與A1374/A2900法計算不同濃度的NaOH溶液預處理甘蔗渣樣品的CrI值的趨勢圖 Fig.4 Trend chart of CrI value of bagasse samples pretreated with NaOH solution of different concentration by A1429/A897 and A1374/A2900

對于LOI的曲線，首先，當NaOH溶液的濃度從4%增加到16%時，CrI值顯示出上升的趨勢，從0.9186升至1.0265，這與XRD計算的CrI值的趨勢相似。LOI曲線的CrI值在NaOH溶液濃度為16%～28%的范圍內呈現下降趨勢，在NaOH溶液濃度為28%～52%的范圍內，CrI曲線出現上下波動的趨勢，這可能是去除了半纖維素和木質素的原因[31，32]。CrI在NaOH溶液濃度達到12%時上升至最大值0.9363，然后在濃度高于這個范圍時下降，當濃度為28%時下降至最小值0.8858。當NaOH溶液的濃度高于28%時出現了輕微的上下波動，表明甘蔗渣生物質在經過NaOH溶液預處理后，其CrI值出現先升高后降低的趨勢。

一般來說，LOI和TCI的結果表明，CrI的演化涉及兩個上升階段然后下降階段，這表明NaOH溶液預處理甘蔗渣可分為兩個階段，如上所述在兩個XRD方法中。此外，LOI和TCI曲線之間的良好一致性證明它們都適合于評估纖維素的結晶度值。

除了896 cm-1和2900 cm-1的譜帶外，其他譜帶還記載了668，1263，1374 cm-1適合于FT-IR方法中CrI的內標。為了進一步證明堿液處理的纖維素結晶度的變化，用A1374/A668、A1058/A1374處的吸收帶比率來評估CrI，結果見圖5。首先，可以看出兩條曲線在初始階段都顯示出上升的趨勢。對于A1058/A1374的曲線，在NaOH溶液的濃度為4%處，CrI急劇上升至最大值1.0131，而在NaOH溶液濃度為12%處，CrI則下降至最小值0.8689。對于A1374/A668的曲線也表現出先升高后降低的趨勢，通過比較CrI與LOI和TCI的演變，表明A1374/A668的曲線顯示出相對一致的趨勢。因此，在本文中，668 cm-1的波段可能比內部標準1374 cm-1更好。一般來說，896，2900，668 cm-1處的譜帶被證明適合于將纖維素結晶度指數估計為分母，這進一步證實了XRD方法中所證明的常見規律性。

圖5 A1374/A668與A1058/A1374法計算不同濃度的NaOH溶液預處理甘蔗渣樣品的CrI值的趨勢圖Fig.5 Trend chart of CrI value of bagasse samples pretreated with NaOH solution of different concentration by A1374/A668 and A1058/A1374

2.3 XRD方法與FT-IR方法的比較

對于同一樣品的CrI值根據不同的測定方法得出不同的值。以經過12%的NaOH溶液預處理的甘蔗渣為例，使用XRD峰高法、LOI、TCI、A1374/A668和A1058/A1374測得的CrI值分別為0.3973，0.9363，1.0266，0.8689，0.9664，這表明不能直接比較不同方法測定的CrI值的大小。使用FT-IR光譜法和XRD峰高法測量CrI能快速得到結果，但這個值是擬合后的經驗值，因為光譜是包含結晶區和非晶區兩種不可分割的部分。XRD方法和FT-IR方法都顯示出類似的兩階段劃分的變化趨勢特征，都表現出初始上升然后下降的規律性，這表明在這項工作中研究的FT-IR方法將纖維素排序與XRD方法大致相同。

2.4 掃描電鏡(SEM)

為了直觀地看出不同濃度的NaOH對蔗渣的影響，對處理后的蔗渣的樣貌進行了電鏡掃描，見圖6。

圖6 不同濃度NaOH處理后的蔗渣的SEM照片Fig.6 SEM photographs of bagasse treated with different concentration of NaOH

注：a為未經NaOH處理的蔗渣；b為1 mol/L NaOH處理的蔗渣；c為2 mol/L NaOH處理的蔗渣；d為3 mol/L NaOH處理的蔗渣；e為4 mol/L NaOH處理的蔗渣；f為5 mol/L NaOH處理的蔗渣；g為7 mol/L NaOH處理的蔗渣；h為9 mol/L NaOH處理的蔗渣；i為11 mol/L NaOH處理的蔗渣；j為13 mol/L NaOH處理的蔗渣。

未經NaOH處理的蔗渣表面纖維束清晰可見(見圖6a)，表面有很多細小的孔洞，邊角輪廓完整且清晰可見，能夠清楚地將不同的蔗渣顆粒區分。經過4%的NaOH溶液處理2 h后，蔗渣表面變得粗糙，蔗渣顆粒的輪廓開始變得模糊，表面出現細小、形狀不規則、大小不一的顆粒，表面的孔洞變小甚至消失。隨著NaOH濃度的升高，蔗渣的表面不再光滑且表面附著的不規則顆粒逐漸增多，蔗渣表面粗糙的程度逐漸增大，纖維束的結構逐漸消失，蔗渣表面細小的孔洞逐漸消失，邊角輪廓逐漸變得不清晰，多個蔗渣顆粒分子很難清晰分開，蔗渣顆粒的整體結構變得松散。這與木質素的去除有關，與上面研究的結晶度降低和FT-IR譜圖中部分官能團逐漸消失的結果一致。

4 結論

通過XRD和FT-IR光譜研究了NaOH溶液預處理甘蔗渣過程纖維素晶體結構的變化。XRD法與FT-IR計算的CrI值顯示出相同的趨勢特征，即隨著NaOH溶液濃度的升高，CrI值先上升后下降，是一種非線性的關系。SEM分析表明，NaOH溶液使得蔗渣顆粒由光滑緊湊的結構變得粗糙松散，容易被其他化學試劑、酶或者微生物降解。為蔗渣的進一步降解利用提供了有效的途徑，有一定的發展潛力。