高取代度木聚糖衍生物的理化性质*

彭新文 任俊莉† 孙润仓，2

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640;2.北京林业大学生物质化学与技术研究所，北京100083)

随着石油等化石资源的逐渐减少以及化石基合成材料对人类生存环境造成的严重污染，以生物质材料逐步替代难生物降解的化石基合成材料是全球发展的必然趋势.生物质资源因其可再生性、环境友好性、生物易降解性、廉价易得等优点而受到广泛的关注，近年来，在可再生的生物质资源转化生物质能源与生物质材料方面的研究甚多，已成为各国资源与能源上的战略性研究目标［1-2］.半纤维素在植物资源中的含量仅次于纤维素，是一种丰富的、廉价的可再生性的植物资源.目前，将半纤维素转化为新型可降解聚合物及功能性生物质材料已成为研究热点.半纤维素可用于制备食品包装材料、手性分离膜材料［3］;同时半纤维素因其生物活性和生物相容性而有望在医学领域获得广泛应用，尤其是在药物缓释和组织工程领域［4］.化学改性为进一步探索半纤维素的功能化应用提供了最有效的转化方式，如季铵化［5］、羧甲基化［6］、月桂酰化及乙酰化等［7-8］，使得半纤维素的性能得到改善，并赋予其新的功能基团.丙烯酰胺改性的天然高分子，如丙烯酰胺改性纤维素、淀粉等，是一类重要的功能性聚合物，被应用于石油、造纸、环保、生物材料等行业［9］.但将丙烯酰胺改性应用于半纤维素的研究甚少.文中以麦草半纤维素(主要为木聚糖)为原料，研究木聚糖(X)与丙烯酰胺在不同介质中的醚化反应，考察带有两种不同功能基的木聚糖衍生物(XD)的物理化学性质，为半纤维素转化为生物质材料的工业应用研究提供基础数据并奠定一定的理论基础.

1 实验

1.1 原料

麦草:取自山东德州，晒干，切成0.45～0.90 mm，50℃在烘箱里烘16h.亚氯酸钠、氢氧化钠、丁醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丙烯酰胺(纯度为98%)均为化学纯，购自广州化学试剂厂.

1.2 实验方法

1.2.1 麦草木聚糖的分离及糖组分测定

麦草粉碎，筛至40～60目，与酸性亚氯酸钠在75℃下反应2 h，脱除木素得到综纤维素.然后用10%的KOH以固液比1∶20(g/mL)、于25℃下处理综纤维素10h，残余物为纤维素，滤液用6mol/L乙酸中和至pH值为5.5，用乙醇沉淀，用酸化的70%乙醇洗涤并真空至衡重，得到木聚糖，得率为83.7%.糖分析结果表明木聚糖由82.3%(质量分数，下同)的木糖，9.6%的阿拉伯糖，3.9%的4-O-甲基葡萄糖醛酸，2.4%的葡萄糖，0.7%的甘露糖，0.8%的鼠李糖组成.

1.2.2 木聚糖衍生物的合成

0.66g木聚糖连同部分热水加入三口烧瓶中，在60℃下搅拌30 min，降温，在室温下加入一定量NaOH溶液，30℃碱化20min后加入相应的介质，反应体系保持12 mL，然后加入丙烯酰胺和一定量的NaOH溶液.为减少副反应发生，反应温度保持30℃，反应12h，反应完毕后降温，盐酸中和，透析并冷冻干燥.如表1所示，通过改变反应介质和NaOH与木聚糖单元摩尔比得到不同取代度的XD.

1.2.3 平均分子量的测定

X及XD的分子量在凝胶气象色谱(GPC)分析仪上进行测定，以 pullulan为标准.仪器:Aglient 1200型HPLC;色谱柱:PL gel MIXED-B;流动相:pH值为7.5的磷酸钠缓冲溶液(含0.02 mol/L的NaCl);流速:0.5mL/min;柱温:30℃;检测器:示差折光检测器.

1.2.413C NMR谱

在Bruker DRX-400核磁共振仪上记录木聚糖及XD的13C NMR谱.80mg样品25℃溶解在1.0mL D2O中，扫描30000次记录13C NMR谱.扫描的脉冲角为60°、脉冲宽度为3.9μs，延迟时间为0.85s.

1.2.5 XD取代度的测定

XD的取代度可以由1H NMR测定出［9］，即从氢谱上木聚糖单元上的氢质子峰面积及与酰胺基和羧基相连接的亚甲基峰面积积分计算出.

1.2.6 动态流变学分析

木聚糖及其衍生物的动态流变学性质在40 mm的平行板流变仪 AR 2000上测定.首先，样品在25℃下溶解在4%NaOH溶液里搅拌至形成均一稳定的透明溶液，然后在Brookfield DVIII仪器上得到不同浓度下的流变曲线.两平行板边缘用硅油封闭，避免样品溶液中水分蒸发，设定特定的应变值以确保剪切测试在动态储能模量与损耗模量的线性粘弹范围内，剪切速率变化范围为10-2～103s-1，剪切频率范围为1～102s-1.

1.2.7 热分析

在SDTQ600型同步热分析仪(TA)上记录改性前后半纤维素的热重分析(TGA)和示差扫描量热分析(DTA)谱图.样品为10～12mg，在氮气氛围中，温度以每10℃/min速度从室温升高到600℃.

2 结果与讨论

2.1 XD的分子量和水溶性

表1考察了不同介质包括异相和均相体系制备的XD的取代度、水溶性和分子量.从表1中可以看出，在相同条件下，在丁醇/水体系里制备的XD的取代度较大，最大值为0.92.这可能与丁醇的极性及立体化学结构有关，当溶剂极性减小时有利于反应效率的升高［10］，木聚糖在丁醇中可以形成较小的均一颗粒，使得表面反应面积增大，有利于醚化反应.

表1 不同反应体系制备的XD的分子量和水溶性的比较1)Table 1 Weight-average molecular weight and solubility of XD with different reaction systems

1)+表示在室温下全部溶于水;-表示在室温下不溶于水或部分溶于水;a表示氢氧化钠与半纤维素中木聚糖单元的摩尔比值;b表示丙烯酰胺与半纤维素中木聚糖单元的摩尔比值;c假设半纤维素木聚糖单元上的羟基都参与了反应，则产物的取代度为2.0，如果所有半纤维素木聚糖单元都没参加反应，则取代度为0;2)1-8为不同取代度的XD样品;3)Mw为重均分子量;4)Mn为数均分子量.

在异相体系，水的作用十分重要.水分过低，将影响木聚糖润胀和反应试剂向木聚糖颗粒内部的扩散，降低醚化反应效率.但是过多的水会降低反应物的浓度，减少分子间有效碰撞机率，降低反应效率;过多的水在碱性条件下会引发副反应酰胺基的皂化，生成羧基基团，导致醚化反应效率降低，产物的取代度降低.因此本实验选择醇与水的体积比为8∶2.NaOH在本反应中作醚化反应的催化剂，有利于增大反应速率，但过量的NaOH可能导致半纤维素的降解及副反应的发生，不利于反应进行，本实验选择NaOH与木聚糖单元的摩尔比为1∶1.丙烯酰胺的用量对产物取代度的影响较大，通过改变丙烯酰胺与木聚糖单元的摩尔比值可以调控取代度.如表1所示，在反应温度30℃，反应时间12 h，丙烯酰胺与木聚糖单元的摩尔比值为2∶1时，产物的取代度仅为0.33(样品5)，但当丙烯酰胺与木聚糖单元的摩尔比值增大至14∶1时，产物的取代度可达0.92(样品8).取代度的差异影响XD的水溶性，当取代度低于0.16时，XD在室温条件下没有完全溶于水，还有少量颗粒没有溶解.然而取代度大于0.16时，XD在室温下较短时间内全部溶于水，形成透明溶液.从表1中还可以看出，在不同的介质中制备的XD的分子量也不同.相对于分离的木聚糖的分子量(28900 g/moL)，XD的分子量有所降低，说明木聚糖在化学改性过程中发生了一定程度的降解.且改性后的木聚糖多分散性也有所降低，说明改性后木聚糖的分子量分布变窄.取代度大的改性木聚糖，分子量较大，例如取代度为0.92的XD重均分子量为19906g/mol，而取代度为0.15的XD分子量仅为18135g/mol.

2.2 木聚糖衍生物的13C NMR表征

本研究利用液态13C NMR检测了改性前后木聚糖及其衍生物的结构.图1中谱(a)和谱(b)分别是麦草木聚糖和XD的核磁共振谱图.从图中可以看出，(1→4)-联接的β-D-木糖单元的特征信号峰在化学位移101.9、76.0、73.9、72.3和63.3 ppm 处出现，分别由 β-D-木聚单元上的 C-1、C-4、C-3、C-2和 C-5 产生［11］.在 109.4、83.8、80.3、77.2 和 61.7ppm处弱的信号峰分别是由β-D-木聚糖联接的α-L-呋喃氏阿拉伯糖残基中的C-1、C-4、C-2、C-3和C-5产生.23.4ppm处为木聚糖单元上的乙酰基的信号峰，这些说明了麦草木聚糖为L-阿拉伯糖-(4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸)-D-木聚糖.在181.5 ppm处的信号峰是由与木聚糖相连接的木素的羰基信号峰.XD分子式如图1中所示，由谱(b)可以看出，与原木聚糖相比，XD 在 37.6、35.9、177.2、179.8、68.2 和65.5ppm处产生了新的信号峰，67.1和66.1ppm是与XD中C-6和C-6'相连的亚甲基信号峰.37.6和35.9ppm是XD中C-7和C-7'相连的亚甲基信号峰［12］，177.2 和179.8ppm 是XD 中C-8 和C-8'相连的羰基信号峰.这说明木聚糖与丙烯酰胺在碱性条件下发生了醚化反应，生成了带有乙基甲酰胺和羧乙基基团的木聚糖衍生物.

图1 X及XD(样品8)的13C NMR谱图Fig.1 13C NMR spectra of native xylan and xylan derivatives(sample 8)

2.3 木聚糖及XD的流变性能分析

2.3.1 不同浓度的木聚糖及XD溶液的动态粘度

目前，人们对木聚糖及其衍生物的流变性能的研究还未广泛开展.为了更好地了解木聚糖及其衍生物的物理化学性能并开拓其在某些领域的应用，研究其流变性能是非常有必要的.从图2中可以看出，木聚糖及其衍生物的粘度随剪切速率的增加而降低，这表明，在剪切速率的变化范围之内，木聚糖及其衍生物呈现剪切变稀行为，这与聚合物分子的网络结构在剪切力作用下受到破坏有关系.当溶液质量分数为5%和10%时，在剪切速率逐渐增大的

图2 不同质量分数的X和XD(样品7)溶液对动态黏度的影响Fig.2 Shear rate dependence of viscosity for native xylan and xylan derivatives(sample 7)at different concentration

过程中，木聚糖溶液的黏度一直大于其衍生物溶液的黏度，但对于质量分数为15%的溶液，当剪切速率超过10s-1时，木聚糖溶液的黏度才比其衍生物溶液的大，这表明XD分子内部作用力较弱，这可能与衍生物大分子链的支化及新接入的功能基团和分子降解后的结构有关［13］，如图2所示，XD曲线的斜率较大.

2.3.2 不同浓度的木聚糖及XD溶液的动态模量

图3 X和XD溶液的质量分数对动态模量的影响Fig.3 Frequency dependent modulus of the solutions of native xylan and the xylan derivatives at 5%concentration

如图3(a)、(b)、(c)所示，当XD溶液质量分数为5%时，在扫描频率区域储能模量G'明显地低于损耗模量G″，溶液显示了粘性性质.但当木聚糖溶液质量分数增加至15%时，在扫描频率区域储能模量G'明显地高于损耗模量G″，这是由于在高浓下，分子链之间有较多的缠绕而引起的.对木聚糖来说，在整个频率扫描区域，G'高于G″，显示溶液弹性性质.此外，所有的木聚糖溶液的G'均比其衍生物的G″要高，显示弹性性质.上述结果可能由XD的分子量和分子链的支化，如新的功能基团的接入而引起.在碱溶液中，较低分子量和分子主链上的乙基甲酰胺及羧乙基基团减少了甚至阻止了分子链之间的相互缠绕，从而改变了XD的动态流变行为，曾有报道证实淀粉衍生物的相似流变学行为［14］.因而笔者下一步的研究重点将放在分子链支化后功能基的分布对其结构-性能关系的影响方面.此外，取代度对木聚糖流变性能及其对可降解生物材料性能制备的影响将在后续研究中进一步探讨.

2.4 XD的热分析

图4为木聚糖及取代度为0.71的XD的TGA和DTA曲线.从图中可以看出，木聚糖和XD在278℃和265℃开始分解.超过此温度，质量损失很大.当两个样品质量损失达50%时，木聚糖和XD的热分解温度分别为292℃和258℃，当温度达到600℃时，木聚糖和XD的剩余质量分别降低至34%和25%，这些结果表明XD的热稳定性低于木聚糖，这是由于接入的乙基甲酰胺基团不稳定，改性过程中聚合物分子链中较多的氢键被破坏引起的，在木聚糖活化和醚化过程中木聚糖的降解也是导致XD的热稳定性降低的一个重要原因.

图4 X和XD(样品7)的热分析图Fig.4 Thermal analysis of the native xylan and the xylan derivatives(sample 7)

3 结论

木聚糖在不同体系中与丙烯酰胺发生醚化反应，合成了具有双功能基的木聚糖衍生物，在丁醇体系中可以得到取代度为0.92的木聚糖衍生物.通过13C核磁共振证实了木聚糖确实与丙烯酰胺发生了反应.流变学分析表明，木聚糖及木聚糖衍生物均呈现剪切变稀行为，但木聚糖衍生物溶液的黏度及弹性模量均比未改性木聚糖溶液的要低，这与木聚糖衍生物分子的微观结构及接入的功能基团有关.热分析研究表明，木聚糖衍生物的热稳定性降低.

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