廉夢云 鄭 志 李興江 吳學(xué)鳳 姜紹通 李傳運(yùn)

(合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院；安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601)

豆渣是豆制品生產(chǎn)中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，我國豆渣年產(chǎn)量大約在300萬t[1]。豆渣中含有40%～45%的纖維素及少量半纖維素和木質(zhì)素[2，3]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溶解性差，多作為飼料或肥料，甚至被丟棄，造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染。

羧甲基纖維素是一種陰離子型纖維素衍生物，具有良好的水溶性、增稠性、乳化性等，廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、食品、化妝品等行業(yè)[4]。傳統(tǒng)的羧甲基纖維素多采用微晶纖維素在有機(jī)試劑中異相合成[5，6]，原料需要經(jīng)過提純精制，成本高、制備工藝復(fù)雜，同時(shí)異相合成還存在取代基分布不均勻，取代度>0.4時(shí)才能溶于水，需多次加入堿液，有機(jī)試劑的利用率低、回收困難等問題。NaOH/尿素水體系是一類新型纖維素綠色水溶液，它能在低溫5～30 min將纖維素完全溶解，是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的試劑[7，8]。該體系用于合成纖維素衍生物時(shí)具備反應(yīng)試劑和催化劑的功能，制備的產(chǎn)品包括羥丙基纖維素[9]、芐基纖維素[10]、O-(2-羥乙基)纖維素[11]。

目前豆渣制備CMC的研究主要從纖維素提純出發(fā)，異相體系中堿化、醚化分步反應(yīng)。本研究利用NaOH/尿素水反應(yīng)體系直接溶解、堿化豆渣中的纖維素得到堿纖維素后醚化處理，一鍋法均相制備CMC，實(shí)現(xiàn)分步反應(yīng)一次在相同反應(yīng)容器和相同反應(yīng)條件下完成[12，13]，簡化工藝流程，減少不必要的分離、純化步驟，避免在反應(yīng)過程中多次加堿和醚化劑的問題，且反應(yīng)條件溫和，取代基分布均勻，在取代度>0.2時(shí)即能溶于水。

本研究直接以豆渣為原料，NaOH/尿素為反應(yīng)體系，采用一鍋法均相合成CMC，并通過紅外光譜、核磁共振分析、熱重分析和掃描電鏡對樣品結(jié)構(gòu)、性質(zhì)進(jìn)行表征。研究結(jié)果對實(shí)現(xiàn)豆渣的綜合應(yīng)用、降低CMC的生產(chǎn)成本、拓展制備CMC的來源有重要意義。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

豆渣(具體成分見表1)、氯乙酸鈉、氫氧化鈉、尿素、鹽酸、乙醇酸、硝酸、硫酸等均為國產(chǎn)分析純。

1.2 主要儀器

FD-1B-50冷凍干燥機(jī)；G1-20G-Ⅱ離心機(jī)；Nicolet 67傅里葉紅外光譜儀；VNMRS600超導(dǎo)核磁共振波譜儀；STA449F3同步熱分析儀；JSM-6490LV電子顯微鏡。

表1 豆渣組成成分

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 一鍋法均相制備羧甲基纖維素

將6.8 g豆渣緩慢加入到200 g的6%NaOH/4%尿素水溶液中，攪拌反應(yīng)20 min后放于-20 ℃冰箱中靜置過夜約15 h，取出后4 ℃、7 000 r/min離心機(jī)中離心15 min，得到含有堿纖維素的上清液，倒入燒杯中放于35 ℃水浴鍋中攪拌，緩慢加入冰水浴中配制的氯乙酸鈉/NaOH共混物(與豆渣纖維素摩爾比4:1的氯乙酸鈉溶于5 mL 1.5%的NaOH溶液)，55 ℃水浴鍋中攪拌3 h，68 ℃保溫1 h，將所得醚化產(chǎn)物用3倍體積的95%乙醇沉淀后用少量50%乙酸中和，抽濾，用75%乙醇洗滌2～3次，無水乙醇洗滌固體2次，移入烘箱 60 ℃干燥，得到豆渣CMC。

經(jīng)過前期單因素實(shí)驗(yàn)，確定以豆渣添加量、氯乙酸鈉與豆渣的摩爾比、NaOH濃度和反應(yīng)時(shí)間為影響因素，以取代度為評價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)(表2)。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

1.3.2 羧甲基纖維素取代度的測定

采用GB 1886.232—2016中灰分法測定羧甲基纖維素的取代度[14]。

1.3.3 溶解度測定

精確稱取1 g制備的CMC在25 ℃溶解于100 mL蒸餾水中配成1%的溶液，攪拌24 h。經(jīng)過反復(fù)抽濾、洗滌后105 ℃烘箱中烘干至恒重，計(jì)算溶解度。

1.3.4 紅外光譜分析

利用溴化鉀壓片法分析豆渣、制備CMC的紅外光譜特性。取1 mg樣品與200 mg KBr在干燥環(huán)境下研磨均勻，壓成透明薄片在傅里葉紅外光譜儀測試，選擇波長范圍400～4 000 cm-1，掃描32次，記錄樣品的結(jié)構(gòu)變化。

1.3.5 核磁共振分析

取0.2 g制備CMC在60 ℃下溶解在2 mL D2O中，取出冷卻至室溫冷凍干燥，重復(fù)操作3次。取8 mg處理后的樣品加入到0.6 mL D2O/D2O(體積比=4∶1)的溶液中，在90 ℃下放置2 h，間歇震蕩，避免凝膠化，最終形成淺黃色的均相溶液。采用超導(dǎo)核磁共振波譜儀在500.13 MHz下掃描2 h得到CMC的1H核磁光譜。

1.3.6 熱重分析

取豆渣和制備CMC 5～10 mg在同步熱分析儀上進(jìn)行熱重分析，溫度范圍為25～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min。通過相應(yīng)熱重曲線的變化，我們可以得到樣品熱穩(wěn)定性的變化

1.3.7 掃描電鏡分析

將切成薄片的豆渣和制備CMC冷凍干燥后進(jìn)行噴金處理，噴金時(shí)間為120 s，在20 kV 的電壓和不同放大倍率下進(jìn)行鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察，并記錄樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析處理

利用Origin 8.5對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果3次平行測量取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在正交實(shí)驗(yàn)表中，可以用極差R的大小代表影響因子對結(jié)果的影響程度，R值越大，影響程度越高。本研究中對取代度影響最大的是豆渣添加量，其次是氯乙酸鈉和纖維素的摩爾比、醚化時(shí)間，NaOH的濃度影響最小。根據(jù)以上分析，制備高取代度CMC的優(yōu)化反應(yīng)條件為：55 ℃下醚化3 h，68 ℃保溫1 h，豆渣添加量6.8 g，摩爾比為4∶1，NaOH的濃度為1.5%，制備的CMC的取代度為0.51、溶解度為83.88%的淡黃色粉末，得率約為30.21%。經(jīng)測定改性樣品中含有0.12%左右的N元素，以及極少量的S元素，可能與蛋白質(zhì)未完全除去有關(guān)，表明尿素未參與取代反應(yīng)[15]。

表3 利用豆渣制備CMC工藝優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：A代表醚化時(shí)間，B代表豆渣添加量，C代表氯乙酸鈉和纖維素的摩爾比，D代表NaOH的濃度。

2.2 紅外光譜分析

與豆渣相比，經(jīng)過羧甲基化處理的樣品在1 608.12 cm-1出現(xiàn)非常明顯的羧羰基非對稱伸縮振動(dòng)吸收峰(圖1)，證明豆渣分子上的部分羥基被羧甲基成功取代[16，17]。

圖1中樣品在3 423 cm-1處顯示出強(qiáng)烈的寬吸收帶，這歸因于—OH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)[18]，表明樣品的含水量較高。1 700 cm-1附近的特征峰屬于CMC產(chǎn)物的取代基團(tuán)中的C—O或副產(chǎn)物羥乙酸鈉的C—O基團(tuán)[19]，產(chǎn)物(b、c)的光譜中此特征峰不明顯，說明產(chǎn)物中基本不存在副產(chǎn)物。1 729.82 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于半纖維素的羧基伸縮振動(dòng)，木質(zhì)素的特征峰波長是1 270.41 cm-1[20]，豆渣(a)明顯觀察到這兩個(gè)吸收峰，經(jīng)過改性后樣品(b)的吸收峰基本消失，說明經(jīng)過改性處理后半纖維素和木質(zhì)素大部分被除去。在1 374.52 cm-1和1 162.91 cm-1處觀察到纖維素II的振動(dòng)吸收峰。在1 031.12 cm-1處檢測到的峰是指CMC中的醚(C—O—C)和葡萄糖單元中的醇的C—O鍵。隨著羧甲基取代更多的羥基時(shí)，1 031.12 cm-1處的吸收峰增強(qiáng)，可能與未反應(yīng)的纖維素和羧甲基纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖殘基有關(guān)。700～500 cm-1區(qū)域是參與形成氫鍵的O—H基團(tuán)的振動(dòng)，可視為纖維素結(jié)晶區(qū)的吸收峰?？梢酝茰yCMC中羥基的取代越多，無定形區(qū)增大，結(jié)晶度降低。然而，在圖中沒有觀察到該區(qū)域的變化，可能是因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)ζ渌駝?dòng)比較敏感[21]。

注：a SD；b 制備CMC(DS=0.51)。圖1 豆渣與制備CMC紅外光譜圖

2.3 核磁共振分析

制備CMC經(jīng)過多次置換反應(yīng)和酸解后，利用核磁共振波譜儀掃描得到1H NMR光譜圖(圖2)。1H NMR光譜圖主要通過化學(xué)位移的改變判斷纖維素上具有反應(yīng)活性的三個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)是否有羧甲基取代。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，2.50～3.00 ppm之間的光譜區(qū)域是羧甲基基團(tuán)吸收峰，充分說明了成功引入了羧甲基。由于糖苷鍵的斷裂，可以觀察到H2質(zhì)子處出現(xiàn)α和β異頭物，α-異頭物(在較高的場)和β-異頭物(在較低的場)特定的化學(xué)位移在2.92和2.96之間。被羧甲基基團(tuán)取代H3、H6位置羥基后產(chǎn)生的化學(xué)位移分別是2.99、2.35。未經(jīng)醚化的脫水葡萄糖單元H4和H5的質(zhì)子在2.83～2.87的范圍內(nèi)有一個(gè)重疊信號峰[22-24]。在CMC的1H NMR光譜中已經(jīng)證實(shí)，6號位的伯羥基的空間位阻小更容易被取代，并且仲羥基顯示出較低的反應(yīng)性。然而，在均相體系中，仲羥基的取代相對增加，可能與反應(yīng)體系有關(guān)。Ramos等[25]使用新溶劑DMSO / TBAF制備CMC得到O6>O2≥O3。

圖2 CMC在D2SO4/D2O中酸解的1H NMR 光譜圖

2.4 熱重分析

圖3是豆渣和制備CMC的熱失重曲線圖。樣品在100 ℃左右出現(xiàn)的重量損失，主要是纖維素上物理吸附的水分子損失造成的，CMC的水分吸附能力要高于SD，主要是因?yàn)镃MC分子鏈上的羧甲基是強(qiáng)親水性基團(tuán)，使CMC的親水性增強(qiáng)。SD的失重區(qū)域在210～400 ℃，通過作圖可以看出SD的最大降解溫度在341 ℃，改性后CMC的失重區(qū)域在190～370 ℃之間，分解溫度大約是264 ℃。對比SD與CMC的熱重曲線可以發(fā)現(xiàn)：CMC的熱分解溫度要低于SD，主要是因?yàn)榻?jīng)過堿化、醚化處理后，豆渣分子的整體結(jié)構(gòu)被破壞，羧甲基取代纖維素分子上的羥基，使分子間氫鍵減少，分子結(jié)構(gòu)更容易被破壞，從而使得CMC的熱穩(wěn)定性降低?？傮w上看，制備的CMC熱分解溫度較高，表現(xiàn)出良好的耐熱性。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，CMC樣品的殘余物的重量質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為25%，略高于SD，這是由于羧甲基反應(yīng)過程中Na+的引入，在高溫處理后生成了鹽，從而使殘余物含量較高。

圖3 豆渣與制備CMC的TG圖

2.5 SEM分析

SEM反映了所觀察物體的形貌結(jié)構(gòu)。圖4a和圖4b顯示未改性的豆渣表面比較光滑，有斷裂層出現(xiàn)，木質(zhì)素和半纖維素的存在使纖維素束的表現(xiàn)不明顯，整體以大顆粒狀存在。圖4c、圖4d是經(jīng)過羧甲基化處理后樣品的形貌，可以明顯觀察到改性后的樣品結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。樣品經(jīng)過堿化處理使大部分木質(zhì)素和半纖維素除去，以及醚化處理后羧甲基的取代使表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，斷裂層消失，空隙率增多，凹凸性明顯，呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，分子以短棒狀存在。這與FT-IR的結(jié)果相似，不同物質(zhì)的羧甲基化改性也有類似的形貌變化[26]。

注：圖a和圖b是SD；圖c和圖d是制備CMC(DS=0.51)。圖4 豆渣、制備CMC的SEM圖

3 結(jié)論

豆渣溶解在6%NaOH/4%尿素水溶液中得到富含纖維素的上清液，以氯乙酸鈉為醚化劑，經(jīng)正交優(yōu)化后制備了溶解性較高、耐熱性良好、取代度達(dá)到0.51的羧甲基纖維素。紅外光譜和核磁共振圖譜驗(yàn)證確有羧甲基取代纖維素上的羥基，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了以豆渣為原料在NaOH/尿素水溶液中一鍋法制備CMC，為CMC的合成提供了一條新的路徑。