母炳男，陳睿文，楊一奇*

纖維素衍生物酸性水解的動(dòng)力學(xué)研究

母炳男，陳睿文，楊一奇*

（1. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 210620；2. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 210620）

研究了取代基對(duì)纖維素水解動(dòng)力學(xué)的影響，纖維素酸性水解速率的大小直接決定纖維素材料的可用性以及纖維素轉(zhuǎn)化成糖的效率，纖維素衍生物由于其特有的化學(xué)非均相性，水解動(dòng)力學(xué)很少有人研究。本文量化了取代基效應(yīng)、pH、溫度對(duì)纖維素衍生物水解速率的影響；活性紅120取代的纖維素二糖酸性水解反應(yīng)速率為5.0×10-3h-1，是未取代雙糖速率的190倍，反應(yīng)活化能較未取代的低10 kJ/mol，并且發(fā)現(xiàn)被取代的纖維素二糖對(duì)質(zhì)子更加敏感；最終基于反應(yīng)的非均相性，建立了一個(gè)包含多種因素的水解動(dòng)力學(xué)模型。這個(gè)模型對(duì)今后研究取代基催化纖維素水解的機(jī)理提供了幫助。

纖維素衍生物；取代基效應(yīng)；動(dòng)力學(xué)模型；聚合度；取代度

纖維素衍生物在紡織工業(yè)、造紙工業(yè)及其他行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]，典型產(chǎn)品有醋酸纖維素、羧甲基纖維素以及活性染料染過(guò)色的棉織物。這些衍生物中的纖維素糖苷鍵在酸性環(huán)境下易于水解[5-6]，酸性降解經(jīng)常導(dǎo)致產(chǎn)品機(jī)械性能的下降，這嚴(yán)重影響了纖維素衍生物的使用壽命和使用性能。

盡管之前的研究對(duì)纖維素的酸性水解過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致探討[7-8]，但纖維素衍生物的酸性水解動(dòng)力學(xué)研究很少有人問(wèn)津。故本文主要是量化取代基效應(yīng)對(duì)纖維素水解過(guò)程中的影響。

如圖1所示，纖維素衍生物的酸性水解反應(yīng)包含兩種類型糖苷鍵的斷裂：被取代基取代的纖維素二糖糖苷鍵的斷裂和未被取代的纖維素二糖糖苷鍵的斷裂。實(shí)驗(yàn)觀察到的衍生物的水解反應(yīng)速率是上述兩者的疊加。

一般情況下，纖維素水解的動(dòng)力學(xué)模型建立在其聚合度的變化上，并且其速率常數(shù)可以通過(guò)經(jīng)典的公式（1/DPt－1/DP0＝kt）獲得。但是利用該方法只能得到衍生化纖維素的水解表觀速率常數(shù)。而該纖維素水解表觀速率常數(shù)會(huì)隨著其取代度的變化而變化。被取代的纖維素二糖的水解速率常數(shù)不可由上述方法直接得到。因此，有必要建立一個(gè)新的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)確定被衍生化的纖維素二糖糖苷鍵斷裂的速率常數(shù)。而且，為了量化研究取代基效應(yīng)對(duì)于纖維素水解的影響，必須要得到被取代的纖維素二糖的水解速率。

纖維素水解的取代基效應(yīng)還會(huì)受諸如取代基的化學(xué)性質(zhì)、取代度、反應(yīng)氫離子濃度、結(jié)晶度等因素的強(qiáng)烈影響。之前的研究都分別研究過(guò)這些因素。比如Borsa等[9]研究了不同羧甲基基團(tuán)取代度對(duì)于纖維素水解的影響，Holladay等[10]表明了纖維素水解速率與其結(jié)晶度的關(guān)系。雖然每個(gè)因素都被研究討論過(guò)，但沒(méi)有一個(gè)綜合了這些因素的總模型來(lái)系統(tǒng)地說(shuō)明取代基對(duì)于纖維素水解的影響。

本文建立了取代基效應(yīng)影響纖維素水解的綜合模型。以活性染料作為纖維素的取代基進(jìn)行研究。以活性染料為研究對(duì)象是基于楊一奇等[11]的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)棉纖維上染活性染料以后，在酸性環(huán)境下，織物的強(qiáng)力和分子量較未染色的有顯著的下降，即“活性脆損”現(xiàn)象。反應(yīng)速率常數(shù)模型分別根據(jù)取代和未取代纖維素水解機(jī)理而得到。最終，建立一個(gè)包括溫度、氫離子濃度、結(jié)晶度等因素的纖維素衍生物水解模型。

本文的結(jié)果基于化學(xué)平行反應(yīng)來(lái)研究纖維素衍生物的水解反應(yīng)，得到的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可以為今后研究取代基加速纖維素水解的機(jī)理提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

纖維素紗線（45S，新鄉(xiāng)市北方纖維有限公司）；鹽酸，鄰苯二甲酸氫鉀，活性紅120，N,N-二甲基乙酰胺，氯化鋰，氯化鈉，碳酸鈉，均為分析純。

1.2 纖維素的染料改性

取一定量的紗線，分別按照纖維素質(zhì)量比的1%、3%、12%、24%量投入染料，升溫至65℃，加入80 g/L的NaCl，保溫30 min，之后升溫至95℃，加入20 g/L的Na2CO3，保溫1 h。然后一次進(jìn)行冷水洗，熱水洗，皂洗，熱水洗，冷水洗以去除浮色。

1.3 酸水解

取3 g的染色和未染色的纖維素紗線，投入鹽酸和鄰苯二甲酸氫鉀的緩沖溶液中，分別在70、80、90、100℃等不同溫度下，不同（pH 2.5、3.0、3.5）pH下水解0.5～170 h，之后將纖維素紗線取出，水洗，干燥，最后置于22℃，65%濕度的恒溫恒濕室中保持24 h。將上層清液轉(zhuǎn)移到50 mL 容量瓶中，沉淀用蒸餾水潤(rùn)洗一次，再于4 000 r/min下離心30 min，將第二次離心的上清液收集在第一次的容量瓶中，用蒸餾水定容至刻度，混勻，待測(cè)HPLC。

1.4 表征方法

1.4.1 染料固色率測(cè)定

70%濃硫酸剝色測(cè)定染料固色率：取0.1～0.2 g 已知含量的染料溶于70%的濃硫酸，測(cè)定其吸光度，之后溶液分別稀釋2、4、8倍，每個(gè)稀釋倍數(shù)下測(cè)定其吸光度，作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

同樣，上染的纖維素樣品取0.1～1 g，這主要根據(jù)染料的上染量以及深度決定，溶于70% 的硫酸中，攪拌。待0.5～2 h溶解徹底后，稀釋到一定倍數(shù)，測(cè)定吸光度。根據(jù)之前的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算染料固色率[12]。

1.4.2 紗線強(qiáng)力測(cè)定

根據(jù)ASTM D2256-02（Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the Single-Strand Method）方法，纖維素紗線用H5K-S（Housefield公司）強(qiáng)力測(cè)試儀測(cè)試。測(cè)試之前試樣在21±1℃和 65%±2%相對(duì)濕度下放置24 h。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為加載速率是250 mm/min，夾距長(zhǎng)度為250 mm。測(cè)試樣品取平均值和方差。測(cè)試結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)Anova方法判斷顯著性。

1.4.3 纖維素分子量測(cè)定

凝膠滲透色譜（GPC）測(cè)定：取適量的纖維素樣品分別經(jīng)過(guò)純水（1 h）、甲醇（3×0.5 h）、N,N-二甲基乙酰胺（3×0.5 h）離子交換。之后放置于N,N-二甲基乙酰胺溶液中在140℃下攪拌30 min，控溫至100℃，加入8%（w/V）的無(wú)水氯化鋰，100℃保持5 min，降至50℃，攪拌3天，直至樣品完全溶解。溶解的樣品稀釋十倍后過(guò)0.22 μm的PTFE濾膜。

GPC使用Malvern公司TDA 270 refractive index detector，分離使用Malvern I-MBHMW+I-OLIGO+ I-Guard柱，柱溫60℃。檢測(cè)器溫度為40℃，流動(dòng)相為0.5%（w/V）LiCl/DMAc，流速1 mL/min。進(jìn)樣量為100 μL。

1.4.4 X-射線衍射測(cè)定纖維素結(jié)晶度

X-射線衍射分析在日本Rigaku 公司的D/max- 2550 PC 型X射線衍射儀上進(jìn)行，采用銅靶Cu Kα（γ＝0.154 06 nm），功率為16 kW（40 kV×40 mA），采用NaI晶體閃爍計(jì)數(shù)器測(cè)量X射線的強(qiáng)度，掃描范圍為5°～60°，掃描速度4（°）/min，步長(zhǎng)0.02°。

結(jié)晶度的計(jì)算基于計(jì)算結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)衍射峰的高度，通過(guò)公式（1）計(jì)算。

CI為結(jié)晶指數(shù)，hcr指22.5°峰的高度，ham指在18.5°時(shí)峰的高度。

1.4.5 掃描電鏡觀測(cè)紗線水解微觀形態(tài)

SEM使用日本日立TM-1000臺(tái)式掃描電鏡，觀察纖維素水解后的圖像，判定其水解程度。

1.4.6 HPLC測(cè)定可溶性還原糖

日本島津公司CTO-20A，檢測(cè)器RID-10A折光檢測(cè)器。進(jìn)樣量25 μL，流動(dòng)相0.01 M硫酸，流速0.6 mL/min，柱溫65℃，分離柱為Aminex HPX-87H column。

1.5 纖維素衍生物水解參數(shù)的確定

1.5.1 不同取代度對(duì)于纖維素水解的影響

Calvini等[13]通過(guò)對(duì)纖維素的酸性水解研究認(rèn)為纖維素鏈中不同形態(tài)的結(jié)構(gòu)單元有著不同的水解速率?；谶@一思路，纖維素衍生物的水解反應(yīng)也可以看成被取代纖維素二糖和未被取代纖維素二糖的速率疊加，故得出方程，如（2）、（3）所示。

式中，DPt為水解反應(yīng)時(shí)間t后的纖維素聚合度，DP0為最初的纖維素聚合度，nsub為被取代的纖維素二糖在無(wú)定形區(qū)內(nèi)的比例，ksub指被取代纖維素二糖的反應(yīng)速率（h-1）。nunsub指未被取代的纖維素二糖在無(wú)定形區(qū)內(nèi)的比例kunsub指未被取代纖維素二糖的反應(yīng)速率（h-1），kapparent指纖維素衍生物水解反應(yīng)的表觀速率（h-1），t為反應(yīng)時(shí)間（h）。

2 結(jié)果與討論

2.1 取代基對(duì)纖維素水解的影響

2.1.1 染料的固色率

根據(jù)剝色法測(cè)得的活性染料固色率分別是0.15%、0.28%、0.56%、0.97%（mol/mol）。

2.1.2 紗線的強(qiáng)力與分子量的關(guān)系

根據(jù)同一纖維素樣品強(qiáng)力和分子量的測(cè)試結(jié)果，得出了如圖2所示的關(guān)系，表明纖維素的分子量與強(qiáng)力之間呈正相關(guān)關(guān)系。隨著水解時(shí)間的進(jìn)行，纖維的強(qiáng)力與分子量都會(huì)出現(xiàn)下降。

圖2 纖維素強(qiáng)力與分子量的關(guān)系

圖3 染料修飾前后纖維素的X-射線衍射圖

2.1.3 改性和未經(jīng)改性纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)

通過(guò)XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn)，染料改性纖維素以及染料上染，纖維素的晶型都沒(méi)有改變。如圖3所示，纖維素的結(jié)晶區(qū)在染色前后依舊是規(guī)整的結(jié)構(gòu)?；诰?02以及scherre equation，每個(gè)晶面層的距離是7.3 nm，且染色前后晶面三維結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化。通過(guò)計(jì)算，染色前后纖維素的結(jié)晶指數(shù)為0.79。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，可以在后面部分算出在纖維素?zé)o定形區(qū)染料上染的程度。

2.1.4 掃描電鏡

圖4分別水解改性和未改性的纖維素樣品12 h，然后將水解后的纖維素樣品用掃描電鏡觀測(cè)。

圖4 染料改性/未改性纖維素SEM照片

由圖4可見(jiàn)，未經(jīng)改性的纖維素樣品水解12 h后，雖然其分子量和機(jī)械強(qiáng)力都出現(xiàn)了下降，但是微觀角度上看與水解前的樣品形態(tài)區(qū)別不大。而經(jīng)過(guò)染料改性的纖維素樣品水解12 h后，不但分子量和機(jī)械強(qiáng)力較同樣水解時(shí)間的對(duì)照樣品有劇烈的下降，并且從微觀形態(tài)上看較之水解之前也有很大的區(qū)別。如圖4d所示，纖維素纖維已被水解出大大小小無(wú)數(shù)的小孔，已很難找出一根無(wú)孔完整的纖維了。

2.1.5 分子量的表征

圖5為纖維素水解后樣品GPC結(jié)果。對(duì)比水解10 h后的未改性纖維素和活性紅120改性纖維素，圖中結(jié)果清晰地顯示了未改性纖維素樣品峰的頂點(diǎn)位于較低的流出體積處，活性紅120改性纖維素峰的頂點(diǎn)位于較高的流出體積處，這說(shuō)明活性紅120改性纖維素水解后分子量下降更為劇烈。

圖5 水解10 h后未改性及改性纖維素的GPC譜圖

2.2 被取代纖維素二糖水解速率的確定

圖6為未取代纖維素和活性紅120取代的纖維素（1/DPt-1/DP0）隨時(shí)間變化的圖。反應(yīng)速率可根據(jù)1/DPt－1/DP0×kt 由斜率求得。對(duì)未取代的纖維素來(lái)說(shuō)，水解反應(yīng)可以分為兩個(gè)過(guò)程：前96 h，（1/DPt－1/DP0）隨時(shí)間有線性關(guān)系（R2＝0.979），反應(yīng)速率為2.6×10-5h-1，96 h后，反應(yīng)進(jìn)入leveling-off階段，這一階段的（1/DPt-1/DP0）值保持恒定。對(duì)于被活性紅120取代的纖維素衍生物來(lái)說(shuō)，水解反應(yīng)有三個(gè)階段：前6 h和6～48 h的反應(yīng)速率分別是2.3×10-4h-1（R2＝0.978）和 2.6×10-5h-1（R2＝0.989），48 h后，反應(yīng)進(jìn)入了leveling-off階段。上述反應(yīng)過(guò)程有三個(gè)特點(diǎn)：1）第一階段的反應(yīng)速率是第二階段的8.8倍，2）第二階段的反應(yīng)速率和未取代纖維素的第一階段反應(yīng)速率相同，3）纖維素衍生物更快的進(jìn)入leveling-off階段。

根據(jù)公式（3），由實(shí)驗(yàn)測(cè)得衍生物第一階段的反應(yīng)速率常數(shù)（kapparent）、第二階段的反應(yīng)速率常數(shù)（kunsub），取代度（nsub），可以求得被取代的纖維素二糖的反應(yīng)速率常數(shù)。如圖7所示，根據(jù)斜率可以求得活性紅120取代的纖維素二糖的反應(yīng)速率為5.0×10-3h-1（R2＝0.992）。該擬合值線有很高的相關(guān)系數(shù)，故本方法得出的結(jié)果是可信的。

圖6 不同取代度對(duì)纖維素水解動(dòng)力學(xué)影響

圖7 根據(jù)公式求得的被取代纖維素二糖的水解反應(yīng)速率

2.3 纖維素衍生物活化能的確定

建立計(jì)算被取代纖維素二糖反應(yīng)速率的方法后，可以繼續(xù)其取代基效應(yīng)。本節(jié)討論不同溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響及被取代/未取代纖維素二糖活化能的比較。

圖8表示反應(yīng)速率常數(shù)k的阿倫尼烏斯函數(shù)。由圖8可以看出，ln（k）值與溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。由圖8可得，未經(jīng)改性的纖維素酸性條件下水解的活化能為Ea＝132 kJ/mol。 而被取代的纖維素二糖的活化能為122 kJ/mol。通過(guò)計(jì)算活化能，可知取代基顯著降低了糖苷鍵水解的活化能。

圖8 基于阿倫尼烏斯方程的ln(k) versus 1/T

圖9 不同質(zhì)子摩爾濃度對(duì)于纖維素衍生物水解反應(yīng)的影響

2.4 不同pH下染料對(duì)纖維素水解速率的影響

質(zhì)子摩爾濃度是影響纖維素水解的關(guān)鍵因素。質(zhì)子摩爾濃度越大，催化纖維素水解的效果越顯著。如圖9，隨著pH的降低，質(zhì)子濃度的上升，纖維素衍生物的反應(yīng)速率常數(shù)都會(huì)顯著上升。并且ksub和kunsub都與質(zhì)子濃度呈線性關(guān)系。如圖9所示，隨著氫離子濃度的提高，被取代和未取代纖維素二糖的反應(yīng)速率的增長(zhǎng)率不同（斜率分別為3.47、0.0172），說(shuō)明取代基取代的纖維素二糖對(duì)質(zhì)子的敏感度增高，質(zhì)子化能力大為提高。

Zou等[14]之前研究了不同質(zhì)子濃度對(duì)纖維素水解的影響，如公式（4）所示。

由圖9可以看出，被取代的纖維素二糖在水解過(guò)程中a值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未取代的纖維素二糖。

2.5 總模型

綜合討論因素，可以得出一個(gè)包含取代基團(tuán)，取代基團(tuán)數(shù)量、溫度、pH等因素的速率反應(yīng)模型，如式（5）所示。

式中，A0為指前因子，a1、a2分別為被取代和未被取代的纖維素二糖質(zhì)子化效應(yīng)系數(shù)。

若纖維素二糖的取代基團(tuán)是活性紅120，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和上述反應(yīng)模型，將不同溫度、不同取代基取代度的取代/未取代纖維素二糖活化能（1aE、2aE）、表觀速率（kapparent）以及質(zhì)子濃度（[H+]）數(shù)據(jù)代入上述模型中，可以得出如表1所示結(jié)果，說(shuō)明該模型可以很好的描述取代基對(duì)纖維素水解反應(yīng)的影響。

表1 纖維素衍生物動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)表

該模型考慮了纖維素衍生物的化學(xué)非均相性特點(diǎn)，可以兼顧纖維素及其衍生物的酸性水解動(dòng)力學(xué)研究。需要指出的是，該模型適用于單取代基團(tuán)纖維素酸性水解動(dòng)力學(xué)的研究，如六位碳原子取代的染料分子。該模型的思路也適用于天然高分子二元化學(xué)非均相水解動(dòng)力學(xué)的研究。

3 結(jié)論

除了常規(guī)因素諸如pH、溫度的影響，纖維素衍生物的酸性水解還是一個(gè)化學(xué)的非均相反應(yīng)。它的水解速率很大程度地受取代基種類以及取代基取代度的影響。本文使用活性染料對(duì)化學(xué)非均相性進(jìn)行了研究，最終建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的考慮了多種因素的水解動(dòng)力學(xué)模型。該模型可以對(duì)取代基活性和反應(yīng)速率之間的關(guān)系進(jìn)行研究，對(duì)今后解釋取代基加速水解的機(jī)理提供有用的數(shù)據(jù)支持，而且該模型也可應(yīng)用于其他的天然高分子的水解研究當(dāng)中。

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Kinetic Study of Acid Hydrolysis of Substituted Cellulose

MU Bing-nan, CHEN Rui-wen, YANG Yi-qi*
（1. Key Laboratory of Science and Technology of Eco-Textiles, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China）

The substituent effect on the kinetics of cellulose hydrolysis was investigated in the present paper. The value of hydrolysis rate determined not only the durability of cellulosic materials but also the conversion efficiency from cellulose to glucose. Few studied the kinetic of cellulose derivatives due to their chemical heterogeneity. The effects of substitution, pH, temperature and degree of crystallinity were quantified. The reaction rate of substituted cellobiose by reactive red 120 was 5.0×10-3h-1, which was 190 folded faster than that of unsubstituted. The activation energy of substituted cellobiose was 10 kJ/mol lower than that of unsubstituted one. And the substituted cellobiose was more sensitive to proton. Base on the chemical heterogeneity, a model integrating several factors was developed. This model could provide assistance when studying the mechanism why substituent accelerated the hydrolysis rate.

cellulose derivatives; substituent effect; kinetic model; degree of polymerization; degree of substitution

TS195.5

A

1004-8405(2015)02-0019-08

2015-03-26

母炳男（1988～），男，碩士研究生；研究方向：非傳統(tǒng)生物高分子和纖維的開(kāi)發(fā)及利用。

* 通訊作者：楊一奇（1956～），教授；研究方向：生物質(zhì)材料。yyang2@unlnote.unl.edu