玉米秸稈制備羧甲基纖維素的研究及結構表征

谷 芳， 馬嘉欣， 車春波

(哈爾濱商業大學食品工程學院，哈爾濱 150028)

我國是玉米生產大國，每年會產生大量價格低廉的玉米秸稈[1]。目前玉米秸稈已實現了秸稈的肥料化[2]，玉米秸稈粉碎直接作為肥料還田；飼料化[3]，利用秸稈中的營養成分將其加工成動物飼料；能源化[4，5]，制備液體酒精、天然氣；材料化[6]，用于造紙原料、人造纖維素、化工原料、紙板、活性炭等。玉米秸稈中富含纖維素、半纖維素、木質素，若將這些高分子聚合物進行有效利用，能在很大程度上提高玉米秸稈的附加值。而羧甲基纖維素可由天然纖維素經堿化醚化制得，是纖維素的醚類衍生物[7]，因其具有保水、增加黏稠度、懸浮、乳化等性能，在食品的保鮮[8]、藥物載體[9]、減緩農藥的光降解速率[10]中已有所應用。常見的制備羧甲基纖維素的方法有水媒法、溶媒法，但目前制備羧甲基纖維素的原料成本較高，導致羧甲基纖維素的價格較昂貴，因此在降低成本的前提下制備較高取代度的羧甲基纖維素需要深入研究。

本實驗基于已有溶媒法制備羧甲基纖維素研究，對制備方法進行改進，以玉米秸稈為原料，使用堿法提取纖維素，再將纖維素進行堿化與醚化制備羧甲基纖維素，在單因素實驗的基礎上設計響應面實驗探究不同因素對羧甲基纖維素制備過程的影響，得到最佳制備工藝。通過掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、X-射線衍射儀及熱重分析儀對玉米秸稈、玉米秸稈纖維素及羧甲基纖維素進行形貌和結構及熱穩定性的對比表征。以促進玉米秸稈的綜合利用率，降低羧甲基纖維素的成本。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米秸稈(黑龍江省青岡縣)；氫氧化鈉、亞氯酸鈉、鹽酸、硝酸、冰醋酸、重鉻酸鉀、濃硫酸、硫酸亞鐵銨、亞鐵靈試劑、氯乙酸、乙醇、氨-氯化銨緩沖溶液、硫酸銅、乙二胺四乙酸鈉、1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚，均為分析純。

1.2 實驗儀器與設備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，TG16-WS型離心機，SHZ-DШ 循環水式真空泵，METTLER TGA/DSC3+型同步熱分析儀，X'Pert Pro型X-射線衍射儀，日立SU5000掃描電子顯微鏡，PerkinElmer 紅外光譜儀。

1.3 方法

1.3.1 玉米秸稈纖維素的提取工藝流程

玉米秸稈→粉碎過篩→除半纖維素→除木質素→玉米秸稈纖維素 ↑ ↑

NaOH溶液亞氯酸鈉溶液

將玉米秸稈洗凈晾干后粉碎，過60目篩，將得到的秸稈粉與5%的NaOH按料液比1∶20混合，置于80 ℃水浴鍋中攪拌處理2 h，除去半纖維素。隨后抽濾洗滌，將得到的沉淀按料液比1∶10加入0.25 mol/L的亞氯酸鈉，用10%鹽酸調pH在6～7范圍內，75 ℃攪拌40 min以除去木質素，抽濾后使用大量蒸餾水洗滌，得到玉米秸稈纖維素。

1.3.2 羧甲基纖維素的制備

采用溶媒法制備羧甲基纖維素(CMC)，將提取的玉米秸稈纖維素與適量80%乙醇溶液混合，65 ℃磁力攪拌30 min，加入NaOH繼續攪拌2 h后加入氯乙酸攪拌1.5 h，用冰醋酸調節pH至6，反應后抽濾并使用80%乙醇溶液洗滌數次，50 ℃烘干至恒重得到羧甲基纖維素。

1.3.3 單因素實驗

討論氯乙酸(MCA)添加量、反應溫度、反應時間對羧甲基纖維素取代度的影響。提取的纖維素與適量乙醇溶液(80%)混合，不同溫度(55、60、65、70、75 ℃)下加熱攪拌，加入NaOH繼續攪拌，加入氯乙酸(質量分數6.0%、7.3%、8.6%、9.9%、11.2%)攪拌，用冰醋酸調節pH，反應在不同時間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h)下完成。抽濾并洗滌數次，烘干至恒重得到CMC。以MCA添加量、反應溫度、反應時間為影響因素，進行單因素實驗。

1.3.4 響應面分析實驗

根據單因素實驗結果，選擇MCA添加量、反應溫度、反應時間對羧甲基纖維素取代度有較大影響的因素為響應面自變量，以取代度(DS)為響應指標，采用 Box-Behnken 模型設計三因素三水平響應面實驗，因素水平見表1。

表1 響應面實驗因素水平表

1.3.5 羧甲基纖維素取代度的測定

采用硫酸銅沉淀-絡合滴定法測定CMC的取代度[11]，取樣品0.25 g，加0.4 mL無水乙醇，20 mL蒸餾水和8 mL氨-氯化銨緩沖溶液，使用10%HCl調節pH在6～7并加入20 mL 0.05 mol/L CuSO4，定容100 mL放置15 min使其沉淀，取上清液40 mL調節pH在7.5～8.0，滴PAN指示劑5滴，使用EDTA滴定至溶液變綠，記錄EDTA消耗的量，并做空白實驗。計算公式為：

式中：B為乙酸鈉基含量；m為稱樣質量/g；CEDTA為EDTA標準溶液濃度/mol/L；V0為滴定空白樣消耗EDTA標準溶液的體積/mL；V1為滴定樣品消耗EDTA標準溶液的體積/mL。

1.4 結構分析

1.4.1 X射線衍射分析(XRD)

采用X射線衍射儀以Cu-Kα輻射(λ= 0.154 nm)作為X射線源，在40 kV的加速電壓和40 mA電流下測量玉米秸稈粉、玉米秸稈纖維素及羧甲基纖維素的X射線衍射圖譜。掃描角度2θ為10°～80°，掃描速度為4°/min。

1.4.2 掃描電鏡分析(SEM)

采用熱場發射掃描電鏡，將樣品粉末固定噴金，加速電壓為15 kV。 觀察玉米秸稈粉、玉米秸稈纖維素及羧甲基纖維素的表面形貌。

1.4.3 紅外光譜分析(FTIR)

采用傅里葉紅外光譜儀，將樣品與溴化鉀混合后壓成均勻完整的薄片，在400～4 000 cm-1范圍內記錄玉米秸稈粉、玉米秸稈纖維素及羧甲基纖維素的光譜變化。掃描次數40次，分辨率為8.0 cm-1。

1.4.4 熱重分析(TGA)

使用同步熱分析儀，對玉米秸稈粉、玉米秸稈纖維素及羧甲基纖維素在0～800 ℃范圍內進行熱重分析，升溫速率為10 ℃/min，使用氮氣作為保護氣體，氮氣流速為30 mL/min。

1.4.5 數據統計與分析

所有實驗均重復3次并取平均值，利用Excel 2019軟件進行數據統計，Origin 2019進行作圖，Design-Expert 8進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈纖維素的提取

按照本研究方法提取得到的玉米秸稈纖維素的提取率為93.96%。

2.2 單因素實驗

2.2.1 MCA添加量對CMC取代度的影響

不同MCA添加量對羧甲基纖維素取代度的影響如圖1所示。羧甲基纖維素的取代度隨著MCA的增多而先增大后減小，MCA量過少醚化反應不充分，隨著MCA添加量的增加，分子利用率提高，醚化程度增加，取代度增大，在質量分數為8.6%時取代度達到最高。MCA量繼續增加會因過度酸化使堿性環境被破壞，反應環境偏酸，副反應增多致使取代度下降[12]。

2.2.2 反應時間對CMC取代度的影響

不同反應時間對羧甲基纖維素取代度的影響如圖1所示。醚化反應需要時間，所以羧甲基纖維素的取代度隨著反應時間的增加而增大，在反應時間為1.5 h時取代度達到最高。隨著時間的延長，副反應增多，使得羧甲基纖維素分子發生斷裂，醚化效率降低，取代度下降[13]。

2.2.3 反應溫度對CMC取代度的影響

不同反應溫度對羧甲基纖維素取代度的影響如圖1所示，羧甲基纖維素的取代度隨著反應溫度的增加而先增大后減小，在反應溫度為65 ℃時取代度達到最高。這是因為反應溫度的升高使得分子運動加速，能夠使纖維素與MCA充分接觸，推動了醚化反應的進程，但如果反應溫度過高，羧甲基纖維素分子基團被破壞，同時副反應加劇，導致取代度下降[14]。

圖1 不同反應因素對CMC取代度的影響

2.3 響應面分析實驗

2.3.1 回歸方程的建立及顯著性檢驗

表2 響應曲面實驗設計及其結果

表3 玉米秸稈纖維素提取工藝的回歸分析

2.3.2 響應面分析

用Design-Expert 8軟件對二次回歸方程進行分析，響應曲面的變化情況、等高線形狀和稀疏程度可以直觀地反映出MCA添加量(A)、反應時間(B)、反應溫度(C)3個因素之間兩兩交互作用對羧甲基纖維素取代度的影響。通過響應面分析可知，反應溫度與MCA添加量的交互作用對羧甲基纖維素取代度的影響最顯著；其次是反應溫度和反應時間的交互作用對羧甲基纖維素取代度的影響；反應時間和MCA添加量的交互作用對羧甲基纖維素取代度的影響較小，因此，羧甲基纖維素取代度影響因素的影響效果從大到小為反應溫度、MCA添加量、反應時間。

2.3.3 提取工藝條件的確定及驗證性實驗

使用Design-Expert 8軟件進行優化設計得出的最佳處理條件為： MCA質量分數為8.9%、反應時間1.39 h、反應溫度63.27 ℃，在此條件下羧甲基纖維素取代度為1.079?？紤]實際操作時的局限性，調整MCA添加量為8.9%、反應時間1.5 h、反應溫度63 ℃。為驗證該條件的可靠性，在此條件下進行3次平行實驗，得到的取代度平均值為1.071，與預測值基本相符合，因此該模型準確可靠，切實可行，且具有使用價值。

2.4 羧甲基纖維素的結構表征

2.4.1 X-射線衍射分析(XRD)

玉米秸稈、玉米秸稈纖維素及羧甲基纖維素的XRD譜圖如圖2所示，玉米秸稈在21.85°處出現強衍射峰，弱衍射峰出現在15.05°及34.88°處。玉米秸稈纖維素的強衍射峰出現在22.01°，弱衍射峰出現在15.54°及34.80°處，與玉米秸稈峰位基本相似，但主峰強度增加，說明經處理后的纖維素結晶度增大。羧甲基纖維素的衍射曲線與玉米秸稈和玉米秸稈纖維素相比峰位置基本沒有變化，衍射峰出現在20.85°處，峰變寬變弱，這是由于堿化與醚化破壞了纖維素的結晶結構[15]，羧甲基基團的介入使其結晶度較低，無明顯的特征衍射峰。

圖2 玉米秸稈(a)、玉米秸稈纖維素(b)、 羧甲基纖維素(c)的 XRD 譜圖

2.4.2 掃描電鏡分析(SEM)

圖3為玉米秸稈、玉米秸稈纖維素及羧甲基纖維素的掃描電鏡圖，玉米秸稈的表面非常光滑平整，并伴有少量白色小顆粒，可能是由玉米秸稈表面存在少量二氧化硅所致[16]。去除半纖維素及木質素后玉米秸稈纖維素的微觀形貌如圖3b所示，與玉米秸稈相比，玉米秸稈纖維素表面存在許多溝壑，這是因為玉米秸稈經過處理脫去木質素和半纖維素后，其表面致密結構發生一定的解聚[17]，略微卷曲。羧甲基纖維素的微觀形貌與纖維素相比，堿化和醚化后纖維素的層間結合力減弱，更加松散。因此羧甲基纖維素表面積增大，有利于其溶于水。

圖3 玉米秸稈、玉米秸稈纖維素、羧甲基纖維素的掃描電鏡圖

2.4.3 紅外光譜分析(FTIR)

圖4 玉米秸稈(a)、玉米秸稈纖維素(b) 與羧甲基纖維素(c)的紅外光譜圖

2.4.4 熱重分析(TG)

由圖5中的a、b曲線可知，在溫度從0 ℃升高至100 ℃時玉米秸稈與玉米秸稈纖維素的質量變化緩慢，二者僅發生了微小質量損失，是水分蒸發所致。玉米秸稈起始熱降解溫度為165 ℃，主熱解結束溫度為358 ℃，在此范圍內玉米秸稈熱分解速率加快，質量損失較嚴重，在358 ℃后失重趨勢再次平緩，800 ℃時樣品殘余量為10.8%。而玉米秸稈纖維素起始熱降解溫度為266 ℃，主熱解結束溫度為377 ℃，在此范圍內玉米秸稈纖維素熱分解速率加快，質量損失較嚴重，在377 ℃后失重趨勢再次平緩，800 ℃時樣品殘余量為11.3%。玉米秸稈脫去半纖維素與木質素后得到的纖維素結晶度增大，剛性結構更加明顯，因此熱穩定性有所提高。羧甲基纖維素的起始熱降解溫度為238 ℃，主熱解結束溫度315 ℃，800 ℃時樣品中不含碳灰分和含鈉化合物殘余量為51.5%。纖維素經堿化和醚化后晶體結構被破壞，結構疏松，熱穩定性變差，但其殘留量較高，可能是因為含有Na+。

圖5 玉米秸稈(a)、玉米秸稈纖維素(b)、 羧甲基纖維素(c)的TG曲線

3 結論

以玉米秸稈為原材料，提取纖維素后在氯乙酸質量分數8.9%、反應時間1.5 h、反應溫度63 ℃的條件下制備了取代度為1.071的高取代度的羧甲基纖維素。提取的纖維素的結構與原料中一致，沒有遭到破壞，但去除木質素和半纖維素后，結晶度提高；纖維素經堿化和醚化后得到的羧甲基纖維素是表面凹凸不平的棒狀結構，羧甲基基團成功引入，破壞了纖維素的晶體結構，表面疏松，熱分解溫度降低，便于羧甲基纖維素的水解應用。