卞輝洋, 李關(guān)蓮, 朱玉連, 唐亞男, 戴紅旗

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210037)

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納米纖維制備過程中酶處理對分散性能的影響

卞輝洋, 李關(guān)蓮, 朱玉連, 唐亞男, 戴紅旗

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210037)

植物纖維原料中少量的纖維素、半纖維素及木質(zhì)素之間存在著醚鍵、酯鍵和苯基糖苷鍵等化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)，形成木質(zhì)素碳水化合物復(fù)合體(LCCs)，而這種共價鍵聯(lián)接可能使微纖絲難以徹底解離成納米纖維，由此影響到納米纖維的分散及穩(wěn)定性能.試驗以漂白硫酸鹽云杉木漿為原料，經(jīng)打漿、磨漿及高壓均質(zhì)處理的常規(guī)制備納米纖維流程，在高壓均質(zhì)前增加木聚糖酶/漆酶體系處理環(huán)節(jié)，研究探討其對納米纖維分散及穩(wěn)定性能的影響.結(jié)果表明，經(jīng)木聚糖酶和漆酶處理后，紅外吸收光譜分析發(fā)現(xiàn)在811 cm-1處的半乳葡甘聚糖、896 cm-1處異頭碳(C1)伸縮振動、1056 cm-1處苯環(huán)伸展振動(木素)、1161 cm-1處C-O-C不對稱伸展振動、1460 cm-1處-CH2變形振動(木質(zhì)素苯環(huán)間側(cè)鏈)等特征吸收峰強度均明顯減弱或消失，表明存在于微纖絲之間的半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生降解，LC鍵發(fā)生斷裂.同時，經(jīng)過木聚糖酶和漆酶處理后，SEM顯示纖維結(jié)構(gòu)變得疏松、表面裂紋及孔隙變大；經(jīng)高壓均質(zhì)處理后制得的納米纖維，其水相分散及穩(wěn)定性能得到明顯提高.

木聚糖酶; 漆酶; 木質(zhì)素—碳水化合物; 納米纖維素纖維; 分散及穩(wěn)定性能

纖維素因其綠色天然、豐富可再生被認(rèn)為是環(huán)境友好型可循環(huán)的理想材料[1]，通過化學(xué)、物理、生物或者幾者相結(jié)合的手段處理纖維可得到直徑<100 nm，長度在納米到微米范圍內(nèi)的纖維素聚集體，稱之為納米纖維素(NCs)[2].其中，對纖維直接進行機械處理(磨漿，高壓均質(zhì)或者微射流)得到的納米纖維素稱為納米微細(xì)化纖維(NFC).NFC因其納米尺寸、生物相容性、巨大比表面積和可再生等特點，因此在生物化學(xué)、柔性材料、增強材料、食品加工等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景[3,4].

制備NFC常用的機械處理方法包括盤磨、PFI磨和瓦利打漿方式，對纖維進行壓潰、切斷等作用以破除纖維細(xì)胞初生壁，裸露出微纖絲有序緊密結(jié)合的纖維次生壁，再進一步進行均質(zhì)或微射流處理獲得納米纖維素纖維[5-7].Turbak et al[8]經(jīng)過20次反復(fù)高壓均質(zhì)化處理得到了直徑為25～100 nm的微纖.Saito et al[9]將2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)用于纖維素表面羧基化處理，并使用Waring粉碎機成功制備出直徑3～5 nm、長幾微米的纖維素微纖.但這些方法制備的納米纖維水溶液分散及穩(wěn)定性能較差，易產(chǎn)生懸浮絮聚，由此限制了納米纖維素纖維的廣泛應(yīng)用.

1309 Long non-coding RNA-8439 up-regulates expression of pluripotency factor nanog in hepatoma carcinoma cells

纖維原料中半纖維素與纖維素之間僅存在氫鍵和范德華力而無化學(xué)鍵連接，而半纖維素與木質(zhì)素之間除了次價結(jié)合力外，還存在化學(xué)連接.普遍研究認(rèn)為，在紙漿纖維中的殘余木質(zhì)素與親水性的多糖構(gòu)成了木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體(lignin-carbohydrate complexes)[10-12]，主要有木素與糖醛酸基連接組成的復(fù)合體[13]、木素與4-O-甲基-葡萄糖醛酸連接以及木素與纖維素連接組成的復(fù)合體[14].Ko?íková et al[15]研究表明，木材和草類原料中木素與碳水化合物之間存在較牢固的化學(xué)鍵(簡稱LC鍵)，并指出木材纖維中LC鍵主要是木質(zhì)素苯丙烷單元的α-C與碳水化合物羥基之間形成的酯鍵和醚鍵.Lawoko et al[16]對木素-碳水化合物復(fù)合體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)做了進一步的研究，從未漂硫酸鹽針葉木漿中取得具有代表性的LCCs.分析發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽漿中至少有90%的殘余木素與碳水化合物以化學(xué)鍵連接，其中LCCs結(jié)構(gòu)約92%是木素與木聚糖、聚葡萄糖甘露糖間的連接，極少量的部分為木素與纖維素之間的連接.圖1所示LCCs的主要結(jié)構(gòu)鍵型.

酶因其特定的反應(yīng)活性和專一性在生物質(zhì)原料預(yù)處理過程中廣泛使用[17].研究發(fā)現(xiàn)，利用高活性的生物酶可以在一定程度上活化和松弛纖維，改善表面結(jié)構(gòu)[18].木聚糖酶能催化水解沉積在纖維表面的木聚糖，使之降解為低聚糖或單糖，LCCs中的木素大分子變?yōu)樾》肿硬⒏嗟乇┞冻鰜韀19