毛竹半纖維素的提取及其羧甲基化改性研究

白雪純 陳天影 李 勉 楊武龍 徐偉冬 鄭曉陽 張為宏 唐艷軍，*

（1.浙江理工大學紡織科學與工程學院制漿造紙研究所，浙江杭州，310018；2.浙江華康藥業股份有限公司，浙江衢州，304200；3.焦作市華康糖醇科技有限公司，河南焦作，454150）

隨著工業的不斷發展，能源緊缺問題逐漸加重，因此可持續發展資源的充分利用極其必要。竹材作為一種有著廣闊發展前景的生物質資源，生長迅速，是十分優良的木材替代品[1]，其種植面積可達641.16 萬hm2，其中毛竹林面積約467.78 萬hm2，占比約72.96%[2]。與木材原料相比，毛竹生長周期短且數量最多[3]。半纖維素是毛竹中含量較高的碳水化合物，僅次于纖維素，可以廣泛應用于多種行業，如食品、造紙、醫藥、能源等[4]。

常見的半纖維素提取方法可分為物理法與化學法。物理法具有環境友好、效率高的優點，但同時存在能耗大、對設備要求高、提取的半纖維素質量較差等問題[5]?；瘜W提取法包含有機溶劑萃取、酸法提取、堿法提取等方法。利用有機溶劑提取半纖維素效果好，但工藝復雜，污染性大；酸法提取操作簡單且效率高，但腐蝕性強，易損壞設備[6]；堿法提取半纖維素的工藝相對簡單，污染程度較小，然而所提取的半纖維素中有相對含量較高的木質素。有研究表明，堿性過氧化氫法提取半纖維素可以氧化木質素結構[7]，降低木質素含量，同時可減少對半纖維素結構的破壞，該方法提取得到的半纖維素具有分子質量大、熱穩定性高等優點[8]。

半纖維素的結構復雜，大分子結構分枝較多，且在水中溶解度較低，其功能化應用具有局限性[9-11]。通過對半纖維素進行改性，可以提高半纖維素的利用率，擴大其應用范圍[12]。常見的對半纖維素的改性方法有甲基化、季銨化、羧甲基化改性等[13]。Schwikal 等人[14]對樺木的木聚糖進行季銨化改性，發現木聚糖在水中的溶解性隨著取代度的提高而增強。Fang等人[15]對麥草半纖維素進行甲基化改性，有效地改善了半纖維素的熱穩定性與水溶性。半纖維素分子鏈上的羥基發生羧甲基化反應后，可以較為有效地改善半纖維素的理化性質、提高其生物活性[16-18]。Alekhina等人[19]從工業漂白樺木硫酸鹽漿中提取了高純度半纖維素，對其進行羧甲基化改性后制備膜材料，隨著取代度的提高，薄膜的親水性與熱穩定性均有所提高。此外，半纖維素改性過程中輔助其他物理手段可進一步提高改性效果。研究表明，超聲輔助法可通過聲震動傳熱傳質，有效縮短改性時間，提高改性速率[20-22]。

本研究以毛竹為原料，通過堿性過氧化氫法提取半纖維素。利用超聲輔助法對半纖維素進行羧甲基化改性，研究了各反應條件對羧甲基半纖維素取代度的影響，利用場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）、傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、凝膠滲透色譜儀（GPC）、熱重分析儀（TGA）、Zeta 電位分析儀等對不同取代度的羧甲基半纖維素進行表征，對比了改性前后半纖維素結構及性能的變化，以期為半纖維素在不同領域的功能化應用奠定理論基礎。

1 實 驗

1.1 實驗試劑及原料

毛竹（粉末狀）來源于浙江省麗水市遂昌縣。甲苯購自湖州雙林化學科技有限公司；無水乙醇購自杭州米克化工儀器有限公司；氫氧化鉀（KOH）、氫氧化鈉（NaOH）和冰醋酸均購自杭州高晶精細化工有限公司；過氧化氫（H2O2，質量分數30%）購自永華化學股份有限公司；氯乙酸（質量分數98%）購自上海麥克林生化科技有限公司；以上藥品均為分析純，未經進一步的純化處理。實驗用水均采用小型去離子水機制備的去離子水。

1.2 實驗方法

1.2.1 毛竹原料中半纖維素的提取

毛竹粉末過篩（80～100 目）后，采用苯醇溶液（乙醇∶甲苯=1∶2，體積比）進行抽提，至虹吸管內液體無色，以除去色素與蠟質，在60 ℃下干燥，得到脫蠟竹粉。將10 g 脫蠟竹粉以液固比10∶1～30∶1 加入到質量分數3.0% KOH和質量分數1.8% H2O2的混合溶液中，在溫度60 ℃、轉速500 r/min 下攪拌6 h，隨后過濾，使用去離子水多次沖洗濾餅，將濾液旋蒸濃縮至60 mL，用冰醋酸中和至pH 值為6，加入3 倍濾液體積的質量分數80%乙醇溶液，從而使半纖維素沉淀析出，離心分離，經過冷凍干燥后得到半纖維素。將在液固比為10∶1、15∶1、20∶1、25∶1 和30∶1的條件下提取得到的半纖維素分別命名為H10、H15、H20、H25和H30。毛竹半纖維素得率的計算見式(1)。

式中，m0表示抽提后的毛竹竹粉質量，g；m1表示提取的半纖維素質量，g。

1.2.2 毛竹原料組分及提取半纖維素中的單糖分析

采用美國國家可再生能源實驗室（NREL）的方法[23]對毛竹各組分含量進行測定，包含纖維素、半纖維素、木質素、水分與灰分。利用高效液相色譜儀（HPLC， Shimadzu LC-20AT，日本島津）對半纖維素的單糖組分進行分析。該儀器配有Aminex HPX-87H柱和示差折光檢測器，分析所用標準樣品為D-木糖、D-葡萄糖、L-阿拉伯糖，流動相為5 mmol/L H2SO4，流速0.6 mL/min。

1.2.3 羧甲基半纖維素的制備

將0.3 g半纖維素（H20，取代度（DS）=0）、6 mL質量分數85%乙醇溶液、一定量的NaOH（混合溶液中其物質的量濃度為0.4～2.0 mol/L）與一定量的氯乙酸（混合溶液中其物質的量濃度為0.4～1.2 mol/L）依次加入10 mL 燒杯中。具體步驟如下：將半纖維素H20與一部分NaOH 加入到質量分數85%乙醇溶液中，在30～70 ℃下，于80 W 的功率下超聲10～130 min 后，調節溫度為40～80 ℃，加入氯乙酸作為醚化劑繼續反應。待醚化反應30 min 后，加入剩余部分的NaOH 進行二次堿化反應60～180 min。待反應結束后，過濾，使用無水乙醇洗滌濾餅直至濾液pH 值為中性，通過冷凍干燥機對濾餅行冷凍干燥，從而得到不同DS 的羧甲基半纖維素。圖1為毛竹半纖維素的提取及其羧甲基化改性流程圖。

圖1 毛竹半纖維素的提取及其羧甲基化改性的流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of extraction and carboxymethylation of hemicelluloses from moso bamboo

1.2.4 羧甲基半纖維素DS的測定

利用酸度計法對羧甲基半纖維素的DS 進行測定[24]。將0.02 g 羧甲基半纖維素溶解到20 mL 去離子水中。通過0.1 mol/L 的H2SO4溶液與0.1 mol/L 的NaOH 溶液將羧甲基半纖維素樣品pH 值調節至8，再用0.1 mol/L的H2SO4標準溶液滴定pH值至3.74。羧甲基半纖維素DS的計算見式(2)和式(3)。

式中，M表示H2SO4的標準濃度，mol/L；V表示滴定所消耗的H2SO4標準溶液的體積，mL；m表示羧甲基半纖維素樣品的質量，g；B表示滴定羧甲基半纖維素所消耗的H2SO4的用量，mmol/g。

1.2.5 相對分子質量測定

使用凝膠滲透色譜儀（GPC，PL-GPC220，美國Agilent）對改性前后半纖維素的相對分子質量進行測定，檢測器為示差折光檢測器，流速1 mL/min，柱溫30 ℃，流動相為pH 值=7 的緩沖溶液（由0.2 mol/L NaNO3與0.01 mol/L NaH2PO4配制而成）。選取具有一定DS 梯度的羧甲基半纖維素進行測試，DS 分別為0.17、0.33、0.46、0.59。

1.2.6 紅外光譜分析

將半纖維素及DS為0.17、0.33、0.46和0.59的羧甲基半纖維素分別與溴化鉀（KBr）以質量比1∶100的比例加入到瑪瑙研缽中，在紅外燈下研磨，加壓制備透明薄片。利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，Nicolet is50，美國Thermo Fisher）對半纖維素及羧甲基半纖維素進行檢測，掃描波數為500～4000 cm-1，掃描分辨率為4 cm-1。

1.2.7 熱穩定性分析

利用熱重分析質譜儀（TGA/DSC2，瑞士Mettler Toledo）對半纖維素及DS 為0.17、0.33、0.46 和0.59的羧甲基半纖維素進行TGA 分析，以氮氣作為保護氣體，升溫速率為10 ℃/min，溫度為40～700 ℃。

1.2.8 Zeta電位分析

分別將半纖維素H20及DS 為0.17、0.33、0.46 和0.59的羧甲基半纖維素溶于去離子水中，配制成質量分數為0.2%的溶液，調節pH值為8。利用Zeta電位分析儀（Brookhaven PLAS，美國Brookhaven）在25 ℃下進行測試，測試3次取平均值。

1.2.9 表面形貌分析

用導電膠將半纖維素H20與DS為0.59的羧甲基半纖維素粘貼在樣品臺上，經噴金處理后，通過場發射掃描電子顯微鏡（FESEM，GeminiSEM500，德國Carl Zeiss AG）觀察改性前后半纖維素的微觀結構。

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2 結果與討論

2.1 毛竹原料組分分析

表1 為毛竹原料組分的分析結果。由表1 可知，毛竹主要由纖維素、半纖維素、木質素組成。其中纖維素占比為38.37%，占比最多；木質素占比約27.11%；半纖維素占毛竹原料的16.88%，含量略低于纖維素與半纖維素。除此之外，毛竹中水分與灰分含量分別為11.71%與2.10%。

表1 毛竹原料組分Table 1 Compositional of moso bamboo %

2.2 半纖維素提取

液固比是影響半纖維素得率的重要因素，表2 分析了液固比對半纖維素提取的影響。由表2可知，隨著液固比的增大，半纖維素的得率、木糖和阿拉伯糖含量均表現出先上升后下降的趨勢，這是由于當液固比過小時，半纖維素在KOH 溶液中溶解較少。當液固比為10∶1時，半纖維素H10得率僅為9.35%。隨著液固比逐漸增大，毛竹細胞壁得以充分潤脹，竹粉與KOH溶液反應充分。當液固為比20∶1時，半纖維素H20得率最高，達18.00%。然而隨著液固比的繼續增大，半纖維素與KOH 反應加劇，半纖維素解聚增加，分子質量較小部分不足以通過乙醇溶液（質量分數80%）沉淀析出。從表2 中還可以看出，隨著液固比的增大，葡萄糖含量有降低的趨勢，這可能是由于在反應過程中葡萄糖被降解，含量下降[25]。在液固比為20∶1 時，木糖含量與半纖維素得率最高，且葡萄糖含量最低，為15.20%，因此選擇其為最佳的半纖維素提取條件。

表2 液固比對半纖維素提取的影響Table 2 Effect of liquid to solid ratio on the hemicelluloses extraction

2.3 羧甲基纖維化對DS的影響

為了更好地利用提取的半纖維素組分，本研究對半纖維素進行羧甲基化改性以提高半纖維素的親水性。研究羧甲基改性工藝，如NaOH 濃度、氯乙酸濃度、堿化時間及溫度、醚化時間及溫度，對羧甲基半纖維素DS的影響，并確定最佳的反應條件。

2.3.1 NaOH物質的量濃度

在氯乙酸物質的量濃度為0.6 mol/L，堿化時間及溫度分別為40 min、30 ℃，醚化時間及溫度分別為120 min、70 ℃的條件下，研究NaOH物質的量濃度對半纖維素改性效果的影響，結果如圖2所示。從圖2可以看出，當NaOH 物質的量濃度為0.4～1.2 mol/L 時，隨著濃度的升高，羧甲基半纖維素DS由0.29明顯提高至0.59。在此濃度泛圍內，NaOH濃度增加，半纖維素分子鏈上的羥基堿化成氧負離子，親核性增大，促進了醚化反應的進行。而當NaOH 物質的量濃度由1.2 mol/L升至2.0 mol/L時，羧甲基半纖維素DS由0.59下降至0.40，這可能是由于NaOH 濃度過高，副反應發生，羧甲基半纖維素的DS下降[26]。Peng等人[24]通過微波輔助法對小麥秸稈半纖維素進行羧甲基化改性，發現濃度過高的堿溶液與微波輻射均會導致半纖維素發生部分降解，導致DS隨著NaOH濃度提高呈現先上升后下降的趨勢。因此，NaOH 物質的量濃度為1.2 mol/L時，半纖維素H20的DS最高。

圖2 NaOH物質的量濃度對DS的影響Fig.2 Effect of amount of NaOH on degree of substitution

2.3.2 氯乙酸物質的量濃度

在NaOH物質的量濃度為1.2 mol/L，堿化時間及溫度分別為40 min、30 ℃，醚化時間及溫度分別為120 min、70 ℃的條件下，研究氯乙酸濃度對半纖維素改性效果的影響，結果如圖3所示。從圖3可以看出，當氯乙酸物質的量濃度由0.4 mol/L提高至0.6 mol/L時，隨著醚化劑濃度的增加，醚化反應更加充分，DS 由0.55升至0.59。然而當氯乙酸物質的量濃度由0.6 mol/L提升至1.2 mol/L時，DS從0.59降低至0.17。這是由于氯乙酸濃度進一步增加，會與NaOH過度中和，反應體系pH值降低，不能提供親核取代反應所需要的堿性條件。因此，氯乙酸物質的量濃度設置在0.6 mol/L較為適宜。

圖3 氯乙酸物質的量濃度對DS的影響Fig.3 Effect of concentration of chloroacetic acid on degree of substitution

在NaOH物質的量濃度為1.2 mol/L，氯乙酸物質的量濃度為0.6 mol/L，堿化溫度為30 ℃，醚化時間及溫度分別為120 min、70 ℃的實驗條件下，討論了堿化時間對DS 的影響，結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，當堿化時間由10 min 延長至40 min 時，DS 隨之升高，由0.56 升至0.59，這可能是由于堿化時間延長，半纖維素在堿性環境下充分潤脹，提高了反應效率。然而，堿化時間過長，半纖維素的結構會被破壞，影響羧甲基化反應的效果，當堿化時間由40 min延長至130 min 時，DS 逐漸下降至0.39。因此，堿化時間為40 min時堿化效果最佳。

圖4 堿化時間對DS的影響Fig.4 Effect of alkalization time on degree of substitution

2.3.4 醚化時間

在NaOH物質的量濃度為1.2 mol/L，氯乙酸物質的量濃度為0.6 mol/L，堿化時間及溫度分別為40 min、30 ℃，醚化溫度為70 ℃的條件下，研究醚化時間對DS的影響，結果如圖5所示。從圖5可以看出，當醚化時間由90 min 延長至120 min 時，DS 由0.56提高至0.59，這是由于隨著醚化時間的延長，半纖維素分子鏈上的氧負離子與氯乙酸發生的親核取代反應更充分，DS 升高[27]。當醚化時間進一步增加，由120 min增至210 min 時，半纖維素降解程度加強，影響了醚化反應效率，DS 由0.59 降至0.41。因此，醚化時間為120 min時，半纖維素的羧甲基化改性效果最好。

圖5 醚化時間對DS的影響Fig.5 Effect of etherification time on degree of substitution

2.3.5 堿化溫度

在NaOH物質的量濃度為1.2 mol/L，氯乙酸物質的量濃度為0.6 mol/L，堿化時間為40 min，醚化時間及溫度分別為120 min、70 ℃的條件下，研究堿化溫度對DS的影響，結果如圖6所示。從圖6可以看出，當堿化溫度由30 ℃提高至50 ℃時，DS 由0.59 下降至0.44，說明高溫不僅會破壞半纖維素的結構，也不利于半纖維素對堿的吸附，影響醚化反應效率，從而導致半纖維素的DS降低。當堿化溫度由50 ℃升至70 ℃時，DS 無顯著變化。因此，堿化溫度在30 ℃時，堿化效果最好。

圖6 堿化溫度對DS的影響Fig.6 Effect of alkalization temperature on degree of substitution

2.3.6 醚化溫度

在NaOH物質的量濃度為1.2 mol/L，氯乙酸物質的量濃度為0.6 mol/L，堿化時間及溫度分別為40 min、30 ℃，醚化時間為120 min的條件下，討論醚化溫度對羧甲基半纖維素DS的影響，結果如圖7所示。從圖7可以看出，當醚化溫度由40 ℃升至70 ℃，反應物活性增強，親核反應效率進一步提高，羧甲基半纖維素的DS隨著醚化溫度的提高而升高，由0.46提高至0.59。當溫度繼續升高至80 ℃，半纖維素在高溫下降解加劇的同時，副反應的影響進一步擴大，DS降低至0.51。由此可知，醚化溫度為70 ℃，最有利于醚化反應的進行。

圖7 醚化溫度對取代度的影響Fig.7 Effect of etherification temperature on degree of substitution

綜上所述，半纖維素羧甲基化的最適宜反應條件為：NaOH 物質的量濃度1.2 mol/L、氯乙酸物質的量濃度0.6 mol/L、堿化時間40 min、醚化時間150 min、堿化溫度30 ℃、醚化溫度70 ℃。在此工藝條件下改性羧甲基化半纖維素的DS達0.59。

2.4 改性前后半纖維素分析

2.4.1 相對分子質量

不同改性條件下，改性前后半纖維素相對分子質量的變化如表3 所示。在改性過程中，由于NaOH 的存在，半纖維素在羧甲基化改性的同時存在一定的降解反應，因此數均相對分子質量（Mn）、質均相對分子質量（Mw）和多分散系數（PDI）與半纖維素的改性程度及工藝條件密切相關。由表3可知，半纖維素H20（DS=0）的Mn、Mw分別為15790、37240，PDI 為2.36。在最佳半纖維素羧甲基化改性條件下，半纖維素的DS 為0.59，Mn、Mw分別為17620、44690，與半纖維素H20相比，相對分子質量顯著增加。Alekhina等人[19]在對羧甲基化改性前后木聚糖的研究中也有同樣的發現，這是由于半纖維素醚化接上羧甲基基團所帶來的分子質量增加[28]。當氯乙酸物質的量濃度提高至1.2 mol/L 時，羧甲基半纖維素DS 為0.17，改性程度較低，Mn、Mw分別為18970、39650，相對分子質量有略微增加，這可能是由于其醚化劑濃度相對較高，羧甲基化反應所需的堿性環境在一定程度上被中和[26]，不利于半纖維素的羧甲基化改性，這與2.3.2中探究氯乙酸物質的量濃度對DS 的影響結果相呼應。當NaOH 物質的量濃度為0.8 mol/L 時DS為0.33，此時半纖維素的降解程度較小，Mn、Mw分別為19720、42840，相對分子質量相對較高，PDI為2.17，相對分子質量分布相對均一。當堿化時間延長至70 min 時，羧甲基半纖維素的DS 為0.46，其相對分子質量（Mn、Mw分別為16410、38050）低于DS=0.59羧甲基半纖維素的相對分子質量，這可能是由于堿化時間的延長導致半纖維素在改性過程中降解加劇，從而使相對分子質量降低；其PDI降低，說明相對分子質量的均一性增強，這也說明了半纖維素整體發生了較強程度的降解。

表3 改性前后半纖維素組分的Mn與MwTable 3 Mn and Mw of hemicellulose H20 and carboxymethylated hemicellulose

2.4.2 化學結構

羧甲基化改性前后半纖維素的FT-IR譜圖如圖8所示。從圖8 可以看出，半纖維素H20在3582 cm-1處為—OH 的伸縮振動峰，經過羧甲基改性后—OH 與—COOH 再次結合，因此吸收峰偏移至3467 cm-1處。2911 cm-1處是C—H的伸縮振動峰，C—C與C= = O的特征吸收峰分別出現在1414 cm-1與1611 cm-1處，C—O—C的伸縮振動峰出現在1315 cm-1處，經過改性后，這些吸收峰的信號增強，說明羧基成功接枝到半纖維素上。對比改性前后的半纖維素可以發現，半纖維素H20在1050 cm-1處的吸收峰在改性后分成了在1102 cm-1與1047 cm-1處的2個亞峰[29]，這可能是由于半纖維素上的羥基脫氫接枝羧甲基，進一步說明了半纖維素H20發生了羧甲基化反應。

圖8 半纖維素H20與羧甲基半纖維素的FT-IR譜圖Fig.8 FT-IR spectra of hemicelluloses H20 and carboxymethyl hemicellulose

2.4.3 熱穩定性

半纖維素H20與羧甲基半纖維素的熱穩定性如圖9所示。從圖9可以看出，改性前后半纖維素的降解主要分為3個階段。第一階段：當溫度低于100 ℃時，這一階段樣品5%～10%的質量損失主要是由于水分的脫除。第二階段：當溫度為200～300 ℃時，樣品的質量損失最大，當溫度達到300 ℃時，改性前后半纖維素的質量損失分別為50%（DS=0）、46%（DS=0.33）、35%（DS=0.59），羧甲基半纖維素的降解程度均低于半纖維素H20。同時，半纖維素H20在257 ℃達到最大降解溫度，而當羧甲基半纖維素取代度分別為0.33、0.59時，最大降解溫度分別為290、299 ℃，均高于半纖維素H20。說明半纖維素的熱穩定性隨著羧甲基化改性程度的增強而提高。第三階段：溫度為300～700 ℃時，樣品的質量損失趨于平緩，改性前后半纖維素的殘余質量分別為37% （DS=0）、38% （DS=0.33）、40% （DS=0.59），這可能是由于半纖維素經過羧甲基化改性后碳原子含量增加，再次說明羧甲基化改性有助于提升半纖維素的熱穩定性[30]。

圖9 半纖維素H20與羧甲基半纖維素的熱穩定性分析Fig.9 TG and DTG curves of hemicellulose H20 and carboxymethyl hemicellulose

2.4.4 Zeta電位與溶解度

半纖維素H20及羧甲基半纖維素在水中的溶解性如圖10 所示。從圖10 可以看出，毛竹中提取的半纖維素H20在水中的溶解性較差，隨著半纖維素羧甲基化改性程度的提高，其溶解性有所改善。當DS 為0.46與0.59時，羧甲基半纖維素完全溶解，溶液澄清透明，進一步說明了經過改性后半纖維素的親水性得到了提升，趙玉雙[12]對羧甲基化改性前后半纖維素的溶解度變化的探究也印證了這一點。圖11 分析了羧甲基半纖維素取代度對Zeta 電位的影響。如圖11 所示，Zeta電位的絕對值隨著羧甲基半纖維素取代度的提高而增大。半纖維素H20的Zeta 電位絕對值為9.98 mV；而DS=0.59 時，羧甲基半纖維素的電位絕對值為38.00 mV。羧甲基半纖維素的電負性隨著其取代度的提高而增強，分子間的靜電排斥增強，因此改性后半纖維素具有更好的穩定性與親水性[31]。

圖10 半纖維素H20及羧甲基半纖維素在水中的溶解性Fig.10 Solubility of hemicellulose H20 and carboxymethyl hemicellulose

圖11 羧甲基半纖維素取代度對Zeta電位的影響Fig.11 Effect of carboxymethyl hemicellulose substitution degree on Zeta potential

2.4.5 表面形貌

改性前后半纖維素的FESEM 圖如圖12 所示。從圖12可以看出，半纖維素H20表面形貌較為粗糙，多呈現出顆粒狀，且顆粒間有一定的孔隙（圖12(a)）。經過羧甲基化改性后，半纖維素顆粒形態被破壞，交聯更為致密，片狀結構更加明顯，表面情況更為復雜（圖12(b)）。說明半纖維素經過改性后分子結構發生了變化，一方面羧基的引入使分子間交聯更加緊密；另一方面改性后半纖維素的微觀分布較為均勻，表面出現平整的片狀結構。這可能是由于半纖維素離子強度與極性增大[18]，這種表面結構上的變化也進一步證明了羧甲基化改性有利于提高半纖維素溶解性。

圖12 半纖維素H20和羧甲基半纖維素的FESEM圖Fig.12 FESEM images of hemicellulose H20 and carboxymethyl hemicellulose

3 結 論

本研究以堿性過氧化氫法制備的毛竹半纖維素為原料，通過超聲輔助法對其進行羧甲基化改性。探討了NaOH 濃度、氯乙酸濃度、反應時間及溫度對羧甲基半纖維素取代度的影響，并通過多種分析方法對不同取代度的羧甲基半纖維素進行表征。

3.1 毛竹半纖維素堿性過氧化氫法提取的適宜條件為：液固比20∶1 （KOH 溶液質量分數為3.0%、H2O2溶液質量分數為1.8%）、反應溫度60 ℃、反應時間6 h。

3.2 在本研究的實驗條件設置下，半纖維素羧甲基化改性的最佳反應條件是：NaOH 物質的量濃度為1.2 mol/L，氯乙酸物質的量濃度為0.6 mol/L，堿化時間及溫度分別為為40 min、30 ℃，醚化時間及溫度分別為150 min、70 ℃。

3.3 熱穩定性分析結果顯示，隨著羧甲基半纖維素取代度的提高，改性前后的半纖維素最大降解溫度由257 ℃提升至300 ℃，說明羧甲基化改性有助于提升半纖維素的熱穩定性。

3.4 溶解性分析結果顯示，毛竹中提取的半纖維素在水中的溶解性較低，隨著羧甲基化改性程度的提高，羧甲基半纖維素在水中的溶解性有了較為明顯的改善。

3.5 Zeta 電位分析結果表明，隨著羧甲基半纖維素取代度的提高，Zeta 電位的絕對值越高，由9.98 mV提升至38.00 mV（DS=0.59）。