響應曲面優(yōu)化低共熔溶劑預處理麥秸稈制備含木質(zhì)素納米纖維素

李相紅 陳 旭 李亞茹 徐文彪 時君友 李翔宇

（北華大學吉林省木質(zhì)材料科學與工程重點實驗室，吉林省 吉林市 132013）

由于化石燃料所帶來的環(huán)境問題，及其自身的不可再生性,可持續(xù)和環(huán)境友好的生物質(zhì)基復合材料需求量逐年提高[1]。生物質(zhì)基復合材料是以生物降解聚合物和天然填料為原料制成的。研究表明，在復合材料中嵌入纖維可有效增強復合材料的性能[2-6]。作為天然材料，納米纖維素晶（Cellulose Nanocrystals，CNC）具有資源豐富、重量輕、比表面積大、強度高等優(yōu)點，可以從農(nóng)林廢棄物中提取獲得。麥秸稈（Wheat Straw，WS）作為農(nóng)作物廢棄物，在全球范圍內(nèi)分布廣泛，年產(chǎn)量達5.29 億t[7]。我國約有 2.33×1011m2的麥種植面積，每年的麥秸稈產(chǎn)量高達 1.5×108t[8]，但其利用率很低。

納米纖維素晶獲取過程十分復雜。纖維素類材料由于其復雜的纖維結(jié)構(gòu)及分子間和分子內(nèi)氫鍵，在水中和各有機溶劑中的溶解度低，難以分離出木質(zhì)素、半纖維素和原纖維化纖維素。具有高結(jié)晶度的納米纖維素可通過原纖維化纖維素中無定形區(qū)域的水解來轉(zhuǎn)化。目前，制備納米纖維素的方法包括化學預處理、機械預處理和酶促預處理。但是，化學預處理會導致嚴重的環(huán)境污染、機器腐蝕和高水消耗。機械處理能耗高，產(chǎn)品均一差，穩(wěn)定性差，CNC顆粒容易聚集。酶處理不會消耗太多能量，但需要很長時間。因此，科學家正在探索一種高效、環(huán)保的纖維素納米纖絲（Cellulose Nanofibrils，CNF）和CNC的制備方法[9-10]。低共熔溶劑（Deep Eutectic Solvent，DES）是一類相對較新的化學物質(zhì)，可用作溶劑、催化劑和試劑[11]。DES通常由氫鍵供體（Hydrogen Bond Donors，HBD）和氫鍵受體（Hydrogen Bond Acceptors，HBA）共晶混合物形成，其來源廣泛、成本低、易于合成、無需凈化、低毒甚至無毒，具有良好的生物相容性和生物降解性[12]。DES可以選擇性地溶解木質(zhì)素和半纖維素，降低木質(zhì)纖維素中的木質(zhì)素和半纖維素的含量[13-14]。肖竹錢等[15]利用酸性DES高效分離竹木質(zhì)纖維素的“三大素”（纖維素、木質(zhì)素、半纖維素），提高了竹資源的高值化利用。目前，DES通常用于漂白的紙漿或低木質(zhì)素含量原料的預處理，但針對含有木質(zhì)素的納米纖維素的研究較少。木質(zhì)素在木質(zhì)纖維生物質(zhì)中的含量較高，而在CNC的制備過程中，分離出的木質(zhì)素并未得到很好的利用。Huang等[16]從西部紅杉樹皮薄壁細胞和纖維細胞中分離出富含木質(zhì)素的納米纖維（Lignincontaining Cellulose Nanofibrils，LCNF），不僅減少了化學試劑的用量和能量消耗，還提高了原料的利用率，降低了成本。

本研究以麥秸稈為原料，以二水合草酸（OA）和氯化膽堿（ChCl）制備的DES為預處理溶劑，用以去除麥秸稈中的半纖維素和部分木質(zhì)素，隨后利用超聲破碎分散的方式制備麥秸稈基的含木質(zhì)素納米纖維素。為探究DES預處理麥秸稈的最優(yōu)工藝參數(shù)，擬采用Box-Behnken響應面法設(shè)計試驗[17-18]，建立預處理溫度、預處理時間、體系組分摩爾比的預處理工藝參數(shù)模型[19]，并以此預測最優(yōu)預處理工藝。在此基礎(chǔ)上，采用粒徑分析、FT-IR、XRD、TGA等手段對制備的LCNC的粒徑、化學組成、晶型、結(jié)晶度、熱穩(wěn)定性等進行表征，以期為麥秸桿的高附加值利用提供一種經(jīng)濟環(huán)保的新方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

麥秸稈，其組分含量分別為：纖維素29.7%，半纖維素40.6%，木質(zhì)素19.2%，灰分及其他成分12.3%，產(chǎn)自江蘇省連云港市。麥秸稈經(jīng)干燥、粉碎、球磨后，用體積比為2∶1的苯-乙醇溶液在索氏提取器中抽提6 h 得到脫脂的麥秸稈粉，并在60 ℃條件下烘干備用。草酸二水合物（OA ，分析純）、氯化膽堿（ChCl ，98.0%）、丙酮購自上海麥克林生化科技有限公司。去離子水和酸性洗滌劑（2 wt%十二烷基硫酸鈉）為實驗室自制。

1.2 試驗設(shè)備

粉碎機，YB-2000，浙江永康市速鋒工貿(mào)有限公司。球磨機，PM100，弗爾德（上海）儀器設(shè)備有限公司。離心機，LC-LX-HR185C，上海力辰儀器科技有限公司。電熱恒溫油浴鍋，HH-S ，深圳市鼎鑫宜實驗設(shè)備有限公司。電熱恒溫水浴鍋，HH-2，國華電器有限公司。冷凍干燥機，F(xiàn)D-1A-50，上海左樂儀器有限公司。電動攪拌機，GZ-120，上海壘固儀器有限公司。超聲波細胞破碎機，SCIENTZ-ⅡD，寧波新芝生物科技股份有限公司。傅里葉變換紅外光譜儀，WQF-510A，德國布魯克公司。粒度儀，ZEN3600，英國Malvern公司。X射線衍射儀，X’Pert PRO MPD ，荷蘭帕納科公司。熱重分析儀，TG-209F3，耐馳科學儀器商貿(mào)有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 DES合成與麥秸稈預處理

為探究以ChCl/OA為低共熔體系預處理麥秸稈制備納米纖維素的最佳工藝，選取預處理溫度、預處理時間、ClCh/OA的摩爾比為自變量，預處理后產(chǎn)物的纖維素含量為響應值，采用Box-Behnken模型設(shè)計了三因素三水平的響應面分析，具體如表1所示。

表1 響應面法分析試驗的因素與水平Tab.1 Response surface methodology to analyze the factors and levels of the experiment

將氯化膽堿、草酸分別按摩爾比2∶1、1∶1、1.5∶1加入到50 mL的燒瓶中混合，水浴中加熱至80 ℃，并進行磁力攪拌，轉(zhuǎn)速為300 r/min，直到形成透明澄清的液體。將處理過的1 g麥秸稈加入DES中，保持固液比約為1∶12 ，在表2中條件下進行磁力攪拌，轉(zhuǎn)速為600 r/min。反應結(jié)束后，將混合物在室溫下冷卻20 min，并向燒瓶中加入15 mL的丙酮和去離水的混合溶液（體積比7∶3）以終止反應。靜置30 min后，以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，分離固體剩余物(Solid Residue,SR)和濾液，并用去離子水洗滌固體剩余物3～5次，直到洗滌液透明，pH值為中性。將洗滌后的固體剩余物冷凍12 h，并在-50 ℃的冷凍干燥機中冷凍干燥，隨后稱重。在4 ℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

表2 響應面分析的試驗設(shè)計和試驗結(jié)果Tab.2 Experimental design and experimental results of response surface analysis

1.3.2 含木質(zhì)素納米纖維素制備

取一定質(zhì)量的固體剩余物，將其用去離子水稀釋至1 wt%～1.5 wt%的濃度，隨后以500 r/min的速度分散10 min。最后，使用超聲波破碎器處理約30 min[20]，輸出功率為500 W、頻率為20 kHz，振幅為20%，即可得到LCNC，并于4 ℃的冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 線性回歸模型探索

該體系下麥秸稈的預處理效果以固體剩余物質(zhì)量、固體剩余物纖維素的含量進行評價，即固體剩余物的纖維素相對含量最高者為最優(yōu)預處理工藝。擬合預處理效果線性回歸模型，探討自變量對預處理效果（固體剩余物纖維素相對含量：R1）的影響，如公式（1）所示。使用Design-Expert 13軟件分析數(shù)據(jù)，用二次或三次方程擬合試驗結(jié)果，避免混疊項。將不顯著的回歸系數(shù)（p< 0.05）從方程中剔除，直至所有系數(shù)均顯著。

式中：SR為固體剩余的質(zhì)量，g；SC為固體剩余物纖維素的質(zhì)量，g。

1.3.4 固體產(chǎn)物成分測定

采用范氏洗滌法纖維素分析法分析固體剩余物的化學成分[21]。利用酸性洗滌纖維（ADF）、酸性洗滌木質(zhì)素（AWL）對三大素的含量進行檢測。具體如下：取樣品1.0 g，加入100 mL酸性洗滌劑（2%十六烷三甲基溴化銨的1 M硫酸溶液）和正辛醇（用作消泡劑），將燒杯套上冷凝裝置于電爐上，在5～10 min內(nèi)煮沸，并持續(xù)保持微沸60 min，去除半纖維素，干燥稱重m1，損失的質(zhì)量1-m1即是半纖維素的質(zhì)量。得到的固體為ADF，加入100 mL 72%的硫酸充分消化3 h，分解掉纖維素，剩余的即為酸性洗滌木質(zhì)素（AWL）和酸不溶灰分（AIA），質(zhì)量為m2。最后將AIA在馬弗爐中以550 ℃的溫度灼燒2 h，使木質(zhì)素充分分解，剩下的即為灰分，質(zhì)量為m3。

1.3.5 粒徑測試

將LCNC懸浮液稀釋至0.05 wt%，在輸出功率為200 W的超聲清洗器中分散10 min。然后，用粒度儀測定LCNC的粒徑。測試條件為：溫度25 ℃，散射角173°，平衡時間2 min，每個樣品重復測3次。

1.3.6 傅里葉紅外光譜表征

采用溴化鉀壓片法制樣，通過傅里葉紅外光譜儀對纖維素樣品進行紅外表征測試（FT-IR），觀察各組LCNC的化學結(jié)構(gòu)。掃描范圍為4 000～400 cm-1，每個樣品掃描32次。

1.3.7 X射線衍射表征

使用X射線衍射儀（XRD）測量麥秸稈、固體剩余物和凍干后LCNC樣品的X射線衍射圖譜。掃描速度為4°/min。使用Segal法計算結(jié)晶度指數(shù)（CrI），如公式（2）所示。

式中：CrI為相對結(jié)晶度，%；I002為結(jié)晶區(qū)域2θ=22.5°衍射峰值強度最大值；Iam為非結(jié)晶區(qū)域2θ=18°衍射峰值強度最小值。

1.3.8 熱重表征

將3 mg樣品置于鋁坩堝中，利用熱重分析儀（TGA）分析麥秸稈和LCNC的熱降解行為。測試條件為：N2氛圍，流速20 mL/min，升溫速率20 ℃/min，測試溫度30～600 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應面試驗結(jié)果分析

根據(jù)Box-Behnken模型和表1各因素水平，設(shè)計了15組試驗。其中，12組為分析試驗，3組為中心試驗，用于試驗誤差的估計。響應曲面的試驗設(shè)計和試驗結(jié)果如表2所示。

2.2 預處理工藝優(yōu)化

2.2.1 模型方差分析

采用ChCl/OA體系的DES預處理麥秸稈，當預處理溫度為90 ℃、預處理時間為6 h、ChCl/OA的摩爾比為1∶1時，纖維素的相對含量最高。在預處理溫度為100 ℃、預處理時間為8 h、ChCl/OA的摩爾比為1∶1時，纖維素的相對含量最低。回歸分析表明，二階模型充分代表了試驗數(shù)據(jù)，使ChCl/OA體系的低共熔溶劑預處理麥秸稈可以表示為纖維素相對含量（R1）對預處理溫度、預處理時間、ChCl/OA的摩爾比的二次多元回歸方程：

經(jīng)過計算，ChCl/OA體系模型的可解釋方差為49.57%?；貧w模型方差分析結(jié)果如表3所示。ANONA分析響應面的回歸參數(shù)，回歸方程中各變量對響應值（纖維素的相對含量）的影響顯著程度較高。此模型P<0.01，即響應面回歸模型達到極顯著水平；失擬項P>0.05，達到不顯著水平，其校正決定系數(shù)R2= 0.997 9，表明該模型的擬合程度較好。因此，該回歸方程的模型成立。同時證明優(yōu)化預處理麥秸稈工藝的效果顯著。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Analysis of variance of regression equations

2.2.2 響應面法結(jié)果分析

圖1為ChCl/OA體系的低共熔溶劑對麥秸稈預處理的不同工藝條件下優(yōu)化的響應面影響示意圖。由圖1a可見，當預處理溫度一定時，預處理時間對纖維素含量R1的影響符合二次函數(shù)形態(tài)，纖維素含量R1隨著預處理時間的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，說明長時間的預處理過程會使一部分的纖維素被降解。由圖2b可見，ChCl/OA的摩爾比對纖維素相對含量的影響也較大，隨著ChCl/OA的摩爾比的增大，纖維素含量先增加后降低。當ChCl/OA的摩爾比為1∶1時，纖維素含量達到最大，說明該體系可為木質(zhì)素和半纖維素的脫除提供最優(yōu)的氫鍵體系和酸性條件。隨著木質(zhì)素和半纖維素的脫除，纖維素的含量R1不斷提高。然而，當ChCl含量過多時，降低了DES體系中草酸的相對含量，繼而影響了預處理效果。由圖1a和b可知，預處理溫度、預處理時間、ChCl/OA的摩爾比、預處理溫度的交互項顯著，曲線比較陡峭，證實了交互項對纖維素的含量影響較大。這是因為在預處理過程中，較高的草酸含量和較高的溫度可以促進麥秸稈的降解，但是高溫和酸主導的降解反應會使纖維素降解加劇。如圖1c所示，ChCl/OA的摩爾比、預處理時間的交互項不是十分顯著，對纖維素含量R1的影響一般。通過分析模型可知，麥秸稈的最佳處理工藝條件為：預處理溫度（A）為94.4 ℃，預處理時間（B）為5.9 h，ChCl/OA的摩爾比值為0.9。在此工藝條件下，預處理的效率較高，且能降低能耗和化學試劑的使用量。

圖1 不同因素對纖維素相對含量的響應面結(jié)果影響示意圖Fig.1 Schematic representation of the effect of different factors on the response surface results of cellulose content

圖2 不同預處理條件下麥秸稈化學組成的分析Fig.2 Analysis of chemical composition of wheat straw under different pretreatment conditions

2.2.3 驗證性試驗

為了簡化驗證試驗，將最佳的工藝調(diào)整為預處理溫度（A）為94 ℃、預處理時間（B）為5.9 h、ChCl/OA的摩爾比值（C）為1，進行3次驗證性試驗，得到的纖維素相對含量R1分別為46.8% 、47.2% 和44% ，平均值為46%，與回歸方程預測的47.6%相差1.6%，表明重復率較好。因此，可采用響應面法優(yōu)化麥秸稈的預處理工藝。

2.3 優(yōu)化工藝對LCNC的影響

2.3.1 DES預處理后對麥秸稈化學組成的影響

通過響應面優(yōu)化DES預處理工藝制備得到的LCNC的化學組成和表面化學性質(zhì)分別如圖2和圖3所示。由圖可知，未處理麥秸稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分別為29.7%、40.6% 和19.2%。在優(yōu)化的DES預處理工藝條件下，得到的LCNC中的纖維素相對含量從29.7%提高到了46%，半纖維素含量從40.6%降至25.4%，木質(zhì)素含量降至14.2%。由此可見，基于響應面法優(yōu)化的ChCl/OA預處理工藝可以有效破壞木質(zhì)素-碳水化合物復合體（Lignin-Carbohydrate Complex，LCC）[22]，ChCl/OA體系中形成的強氫鍵與半纖維素和木質(zhì)素分子作用，加速了半纖維素和木質(zhì)素的溶解，從而提高了固體剩余物中纖維素的含量[23]。 圖3中的紅外光譜進一步揭示了ChCl/OA預處理前后麥秸稈化學結(jié)構(gòu)的變化1 732 cm-1處的C== O伸縮振動峰來自于非共軛的酮、酸、酯基團，與未處理的麥秸稈相比較，預處理后的固體剩余物和LCNC在該位置的吸收峰明顯減弱，表明預處理后木質(zhì)素和半纖維素的酯鍵被切斷，半纖維素的乙酰基被去除[24]。1 510 cm-1處的芳香骨架振動峰減弱，表明部分木質(zhì)素被去除。1 249 cm-1處的C--O伸縮振動峰幾乎消失，說明苯環(huán)甲氧基中的醚鍵被大量切斷[25]。麥秸稈、固體剩余物和LCNC在1 315 cm-1處的C-- H 彎曲振動峰幾乎不變，說明預處理前后麥秸中的結(jié)晶纖維素結(jié)構(gòu)沒有變化[26]。綜上可知，ChCl/OA預處理麥秸稈后，其中的半纖維素和木質(zhì)素被大量去除，纖維素得以保留，且預處理后纖維素的化學結(jié)構(gòu)未改變。

圖3 麥秸稈（WR）、固體剩余物（SR）和含木質(zhì)素的納米纖維素（LCNC）的紅外光譜Fig.3 Infrared spectra of wheat straw(WR), solid residue(SR), and lignin-containing cellulose nanocellulose(LCNC)

2.3.2 LCNC的尺寸和形貌分析

從圖4中可以看出，經(jīng)過48 h的靜置后，未經(jīng)預處理麥秸稈制備的LCNC發(fā)生了嚴重的聚沉現(xiàn)象，而經(jīng)過ChCl/OA預處理制備的LCNC懸浮液呈均勻的分散狀態(tài)，并且0.25 wt%的LCNC分散狀態(tài)最好，說明LCNC懸浮液的濃度越低，其分散效果越好。如圖5所示，LCNC的粒徑主要分布在28 nm，說明ChCl/OA預處理可以分離出粒徑較小的LCNC。

圖4 LCNC靜置48 h前后的圖片F(xiàn)ig.4 Pictures of LCNC before and after 48 h of resting

圖5 LCNC的粒徑分布圖Fig.5 Particle size distribution of LCNC

2.3.3 LCNC的晶體結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性分析

為研究ChCl/OA預處理對纖維素晶體結(jié)構(gòu)的影響[27]，使用XRD檢測經(jīng)過預處理的麥秸稈、固體剩余物和LCNC的晶體結(jié)構(gòu)，并計算其結(jié)晶度，結(jié)果如圖6所示。在樣品中，2θ值接近于16°和22°的位置顯示出纖維素I型結(jié)構(gòu)中（110）和（200）晶面的特征峰，表明經(jīng)過預處理后的固體剩余物、分離出的LCNC和天然纖維素具有相同的結(jié)構(gòu)[28]。經(jīng)過預處理后，固體剩余物和LCNC的結(jié)晶度分別增至24%和21%，這是由于預處理過程中無定型區(qū)域減少所致[29]。然而，超聲破碎后制備的LCNC結(jié)晶度下降，這是由于超聲破碎的過程會大量崩解纖維素的結(jié)晶區(qū)。影響結(jié)晶度的因素主要有兩個：一是纖維素致密結(jié)構(gòu)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過ChCl/OA預處理后，氫鍵網(wǎng)絡(luò)遭到破壞，使結(jié)晶度降低；二是麥秸稈中的木質(zhì)素-碳水化合物復合體等無定型結(jié)構(gòu)被破壞和去除，使結(jié)晶度增加[30]。然而，最終的結(jié)晶度增加，表明經(jīng)ChCl/OA預處理后，對麥秸稈中的木質(zhì)素-碳水化合物復合體結(jié)構(gòu)去除能力優(yōu)于對纖維素的溶脹和溶解能力[31]。熱穩(wěn)定性可以進一步體現(xiàn)LCNC的特性，尤其在LCNC的高溫加工應用中，其熱穩(wěn)定性尤為重要。麥秸稈和LCNC的熱重曲線（TG）和微商熱重曲線（DTG）分別如圖7a和7b所示。從7a圖中可以看出，所有樣品的熱分解分為3個階段，即初始分解溫度（94～220 ℃）、主要分解（220～350 ℃）和碳化階段（350～650 ℃），200 ℃以下的質(zhì)量損失由樣品的殘余水分蒸發(fā)所致。從DTG曲線可知，麥秸稈的最大分解溫度為325 ℃，而LCNC的最大熱分解溫度為335 ℃，表明經(jīng)過ChCl/OA預處理后，LCNC的熱穩(wěn)定性有所提高，這主要歸因于半纖維素和無定型纖維素的降解，導致結(jié)晶度提高[32]。此外，纖維表面被熱穩(wěn)定性更好的木質(zhì)素覆蓋，形成了保護層，從而提高了其熱穩(wěn)定性。

圖6 麥秸稈（WR）、固體剩余物（SR）、含木質(zhì)素的納米纖維素（LCNC）樣品的XRD譜圖及結(jié)晶度指數(shù) (CrI)Fig.6 PXRD spectra and crystallinity index (CrI) of wheat straw (WR), solid residue (SR), and lignin-containing cellulose nanocellulose (LCNC) samples

圖7 WR和LCNC的TGA 和DTG 曲線Fig.7 TGA and DTG curves of WR and LCNC

3 結(jié)論

以麥秸稈為原料，以綠色的DES（ChCl/OA）為預處理溶劑，成功制備了含木質(zhì)素的納米纖維素（LCNC），并用響應面法優(yōu)化預處理工藝，優(yōu)化后的預處理工藝：預處理溫度（A）為94.4 ℃，預處理時間（B）為5.9 h，ChCl/OA的摩爾比值（C）為0.9。在此條件下，處理后麥秸稈中的纖維素含量提高到46%，半纖維素和木質(zhì)素分別降至25.4%和14.2%。制備的LCNC在保留部分木質(zhì)素同時，其纖維素的化學結(jié)構(gòu)未受到影響。LCNC的粒徑主要分布在28 nm左右，其懸浮液具有良好的分散性、穩(wěn)定性，LCNC具有較高的熱穩(wěn)定性。

綜上所述，通過響應面法優(yōu)化麥秸稈預處理工藝，不僅為制備具有優(yōu)異性能的LCNC提供了最佳的條件，而且減少了預處理過程中能源和化學試劑的消耗，節(jié)約了成本，為制備含木質(zhì)素的納米纖維素提供了新思路，有利于促進農(nóng)業(yè)廢棄物的高附加值利用。