细菌纤维素在氢氧化钠―尿素水溶液体系中的溶解性能研究

张海荣， 郭海军， 王 璨，彭 芬， 熊 莲， 陈新德*

（中国科学院广州能源研究所 中国科学院可再生能源重点实验室，广东 广州 510640；中科院广州能源所盱眙凹土研发中心，江苏 盱眙 211700）

细菌纤维素在氢氧化钠―尿素水溶液体系中的溶解性能研究

张海荣， 郭海军， 王 璨，彭 芬， 熊 莲， 陈新德*

（中国科学院广州能源研究所 中国科学院可再生能源重点实验室，广东 广州 510640；中科院广州能源所盱眙凹土研发中心，江苏 盱眙 211700）

纤维素经过活化、再生后可以溶解在氢氧化钠/尿素体系中。本文研究了乙二胺活化对细菌纤维素结晶度的影响规律，得到最佳活化条件；然后将活化后的细菌纤维素在LiCl/DMAc体系中溶解再生，得到再生细菌纤维素。最后，使用氢氧化钠/尿素溶液作为再生细菌纤维素的复合溶剂，得到的细菌纤维素的水溶液。通过红外光谱、X射线衍射仪、热重分析仪等分析了细菌纤维素不同处理阶段得到产物的性能。溶解与再生并没有发生化学变化，纤维素的结构基本保持不变，但结晶度有所降低，热稳定性有所提高。

细菌纤维素；活化；氢氧化钠―尿素溶液，再生

阳离子纤维素醚是一种溶于水的天然高分子功能材料，具有独特的结构及对人体的皮肤、头发的角质层具有很好的修复和保护作用，广泛用作护发素的调理添加剂、头发织物柔顺剂、血液抗凝结剂和抗血栓的生物材料、抗静电剂和絮凝剂等，用途十分广泛[1-2]。目前，商业纤维素醚主要是通过在溶剂中使纤维素的羟基发生衍生化反应，从而引入阳离子基团来制备[3]。常用的溶剂主要有N-甲基吗啉水溶液（NMMO）、氢氧化钠/尿素/水、LiCl/DMAc等，其中氢氧化钠/尿素/水溶液体系由于绿色、环保，溶剂中的氢氧化钠可直接作后续纤维素醚化反应的催化剂而备受关注[4-6]。

细菌纤维素（BC）是由小分子的碳水化合物经微生物发酵形成的纤维类物质[7]。与传统的植物纤维素（PC）相比，细菌纤维素不含有木质素和半纤维素等成分，其纯度、聚合度和结晶度更高，且具有高亲水性、高杨氏模量、高强度和更好的生物适应性，在自然界中可直接降解。由于具有很强的分子内和分子间氢键作用以及高结晶度，BC不能在水和大多数有机溶剂中溶解，因此其应用受到较大限制。目前，国内外对BC的溶解进行了大量的研究，能用于直接溶解BC的溶剂主要有NMMO、离子液体等[7-9]。然而，这些有机试剂的价格昂贵，且对后续的醚化反应有不利影响。另外，由于BC的聚合物较高，也不能直接溶解于氢氧化钠/尿素/水溶解体系中，故要将其溶于氢氧化钠/尿素体系中，需要先进行活化处理，本文以乙二胺作为活化剂，对BC进行改性，然后将活化后的BC在LiCl/DMAc体系中再生得到再生细菌纤维素，最后将再生细菌纤维素溶于氢氧化钠/尿素水溶液中，得到稳定的细菌纤维素水溶液。

1 实验

1.1材料

BC购自海南亿德食品有限公司，水洗至中性后，经冷冻干燥、球磨后得到细菌纤维素粉末；氯化锂（LiCl）、二甲基乙酰胺（DMAc）、氢氧化钠、尿素、乙二胺等均为分析纯，均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2细菌纤维素的活化与再生

将烘至绝干的细菌纤维素（10g）加入已配好的乙二胺溶液中（100 mL）于一定温度下活化处理90 min，然后用大量的蒸馏水洗涤，最后用无水乙醇冲洗3遍。将样品在80℃真空烘干24 h，得到活化细菌纤维素（ABC）。

将一定量的DMAc和LiCl加入到三口烧瓶中，升温至90℃，待LiCl完全溶解后，加入质量分数为5%的活化细菌纤维素，加热搅拌一定时间，冷却至室温静置过夜，然后再室温下高速搅拌30 min使其完全溶解，通过减压蒸馏将溶剂回收、干燥、水洗，晾干，粉碎，然后于80℃真空干燥24 h，得再生细菌纤维素（RBC）。

1.3细菌纤维素的氢氧化钠―尿素水溶液的制备

将2 g的再生细菌纤维素加入到49 g预冷至0℃的7%（wt）氢氧化钠溶液中，高速搅拌1 min后，加入49 g预冷至0℃的12%（wt）尿素溶液，继续搅拌2 min，然后于100℃下离心（2 500 r/min）10 min，以除去不溶物质，得到淡黄色细菌纤维素水溶液（BC-S）。

1.4分析测试

采用溴化钾压片法测试BC及其产物的红外光谱（Nicolet 6700，ThermoFisher Scientific），分辨率为16 cm-1，扫描次数为16次；采用X射线衍射仪（X’Pert Pro MPD）测试BC及其产物的结晶结构，Cu Ka射线，Ni片滤波、X管电压40 kV，管电流300 mA，按照Segal法计算结晶度[10]；采用热重分析仪（STA6000，PerkinElmer）测试活化前后BC的热稳定性，氮气流速20 mL/min，升温速率10℃/min；BC及其产物的表面形貌用S-4800场发射扫描电镜（SEM，HITACHI）进行分析，高真空模式，工作电压20 kV。

2 结果与讨论

2.1活化条件对细菌纤维素溶解性能的影响

由于具有较高的结晶度和聚合度，BC不溶于水和常规的有机溶剂，为了提高BC的反应活性和可及度，通常需对BC进行活化预处理。氢氧化钠和乙二胺是最常用的两种活化剂，与氢氧化钠活化相比，乙二胺预处理后纤维素的结晶度下降更大，聚合度下降更小[11-12]。因此，乙二胺作为BC的活化剂具有明显的优势。当用乙二胺试剂活化BC时，BC的基本反应单元是链片而不是单独的分子链。乙二胺在BC的链片之间渗透，断开氢键[O(6)H-O(3)]，使C(6)和C(3)上的羟基暴露出来，从而使得BC的结晶度下降，反应可及度增加即BC的溶解性提高[11]。

表1列出不同活化条件下得到的ABC在相同条件下LiCl/DMAc体系中的溶解度。由表1可以看出，当乙二胺浓度为15%～20%时，其溶解性较好，当乙二胺的浓度太高或太低时，ABC不能完全溶解于LiCl/DMAc体系中。当活化时间小于90 min时，ABC在LiCl/DMAc体系中的溶解度较低，当活化时间高于90 min时，ABC能够完全溶解于LiCl/DMAc体系中。这主要是因为乙二胺渗透进入BC内部需要一定的时间，活化90 min后，BC已经充分溶胀了，继续增加活化时间并不会使活化效果继续增加。此外，在乙二胺的用量为15%，活化时间为90 min时，活化温度对ABC的溶解性能的影响较小，随着活化温度的升高，体系的颜色逐渐加深，由室温时的浅黄色逐渐变为60℃时的棕黄色。

表1 不同活化条件对细菌纤维素在LiCl/DMAc体系中溶解性能

2.2红外光谱分析

图1为BC、ABC、RBC和BC-S的红外光谱图。在1652 cm-1处的吸收峰是由C-H的伸缩振动引起的，1427和1315 cm-1处的吸收峰为CH2的特征吸收峰。1110到990 cm-1之间的一系列吸收峰为纤维素中醚键C-O-C伸缩振动峰。由图1可以看出，BC、ABC、RBC和BC-S的特征吸收峰其本一致，说明活化及溶解并没有改变纤维素的化学结构。此外还可看出，再生得到的纤维素样品（RBC和BC-S）在3600～3200 cm-1处的O-H特征吸收峰的峰宽变窄或变的尖锐，同时在1100～990 cm-1的峰面积有所降低，表明再生后BC分子结构中氢键作用力削弱[12]。

图1 BC、ABC、RBC和BC-S的红外光谱图

图2 BC、ABC、RBC和BC-S的X射线衍射图

2.3X射线衍射分析

BC、ABC、RBC和BC-S的XRD曲线如图2所示。BC在14.4°、16.7°和22.5°的衍射信号分别对应于101、10ī和002面[13]，这是典型的纤维素Ⅰ结构。经过活化后，ABC的结构发生了较大的改变，除了具有纤维素Ⅰ的特征峰外，还在2θ＝20.4°处显示纤维素Ⅲ的特征峰，这表明经过乙二胺活化后，ABC能与胺类化合物形成纤维素Ⅲ结构[14-15]，此时BC的可及度和反应活性有了明显的提高，因此可以溶于LiCl/DMAc体系。当ABC经过再生后得到的RBC和BC-S除了具有纤维素Ⅰ的特征峰外，还具有典型的纤维素Ⅱ特征峰（2θ＝11.6和20.1°）[16]。通常，纤维素Ⅰ为一种片状交错结构，大量羟基被包裹在晶胞中，且存在大量的氢键，结构十分致密，反应活性和可及度较低，溶解性能较差[15]。纤维素Ⅱ为反平行链堆砌结构，与纤维素Ⅰ相比，氢键周期增加了两倍，使其结构变得比较松散，对溶剂的位阻减小，溶解性能较好。纤维素Ⅲ也称胺纤维素，具有一种单斜晶结构，分子链为平行堆砌结构，因此可及度和反应活性增加，溶解速度加快[15]。

表2 BC、ABC、RBC和BC-S的结晶度

通常，结晶度一般用来表示纤维素中结晶区的相对含量，表2列出了BC、ABC、RBC和BC-S的结晶度。由表2可以看出，BC原料的结晶度高达89.20%，远大于一般的植物纤维素。经过乙二胺活化后，纤维素的结晶度由89.2%降低到81.15%，说明BC的部分晶胞发生了一定程度的溶胀和拆散。通常，用胺类溶剂处理纤维素时，胺溶剂会渗透进纤维的结晶区中，从而使结晶区发生溶胀，形成一种纤维素Ⅰ-胺结构，当胺溶剂除去后，溶胀后的纤维素会发生收缩，从而转变为纤维素Ⅲ结构[15]。由表还可以看出经过LiCl/DMAc和氢氧化钠/尿素水溶解再生得到的两种再生纤维素（RBC和BC-S）的结晶度基本相差不大。但与ABC相比，结晶度有一定程度的降低。

2.4热重分析

图3为BC、ABC、RBC和BC-S的热重曲线图。100℃左右主要是样品中水分的挥发。BC的主要失重温度区间在250～383℃，DTG曲线是一个尖锐的失重速率曲线，在323℃左右失重速率达到最大值，失重率约为98%；与BC相比，ABC在900℃时最大失重率接近100%，其失重范围更窄（270～370℃），在344℃时失重速率达到最大值；BC经过溶解再生后得到的RBC和BC-S最大失重率有所降解，约为90%，这是由于与纤维素Ⅰ相比，纤维素Ⅱ和纤维素Ⅲ更难发生构象翻转，故更易进行脱水和脱羧反应，生成炭残渣[17]。RBC和BC-S的失重范围与ABC基本一致，RBC的最大失重速率温度为316℃，BC-S的最大失重速率温度为343℃。与BC相比，ABC、RBC和BC-S的最大失重温度均有所提高，表明经活化、再生后得到的细菌纤维素的热稳定性有所提高，这可能是由于其中存在的纤维素Ⅱ和纤维素Ⅲ所导致[18]。

图3 BC、ABC、RBC和BC-S的TG（a）和DTG（b）曲线

2.5形貌分析

BC、ABC、RBC和BC-S的微观形貌如图4所示。由图4a可以看出，BC中存在大量的撕裂纤维，这些纤维相互叠加聚集在一起形成微晶束，溶剂不易渗透进纤维内部。经过乙二胺活化后，这些撕裂纤维的堆积密度有所降低（图4b），撕裂纤维之间的缝隙有所扩大，使得溶剂较易渗透进行纤维内部。与BC和ABC相比，溶解再生后得到的RBC（图4c）和BC-S（图4d）中的微晶束已经基本解离，虽然其结晶度还是较高，但是已经可以看到单根的纤维素。

图4 BC、ABC、RBC和BC-S的扫描电镜照片

3 结论

1）BC经过乙二胺活化后能够完全溶解于DMAc/LiCl体系中。BC的较佳的活化条件为：乙二胺用量为15%，活化温度45℃，活化时间90 min。经过活化后，ABC与BC的结构基本保持一致，但结晶度下降了9%，ABC中存在纤维素Ⅰ和纤维素Ⅲ的混合体。

2）将BC/DMAc/LiCl进行再生，得到RBC，溶解与再生并没有发生化学变化，纤维素的结构基本保持不变，但结晶度有所降低。再生纤维素中主要存在纤维素Ⅰ和纤维素Ⅱ的混合体，细菌纤维素经过活化和再生后，其热稳定性均有所提高。

3）RBC可溶解于氢氧化钠/尿素溶液形成稳定的纤维素水溶液，经过溶解之后可进行更好的衍生反应。

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Dissolution Properties of Bacterial Cellulose in NaOH/urea Solutions

ZHANG Hai-rong, GUO Hai-jun, WANG Can, PENG Fen, XIONG Lian, CHEN Xin-de*

（Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, CAS, Guangzhou 510640, China; R&D Center of Xuyi Attapulgite Applied Technology, Guangzhou Institute of Energy Conversion, CAS, Xuyi 211700, China）

BC was activated by ethylenediamine, and then the resulting product (ABC) was dissolved in lithium chloride/N, N-dimethylacetamide aqueous solutions. The regenerated BC (RBC) was prepared by the solution cast method. Then RBC was dissolved in NaOH/urea aqueous solutions and the regenerated BC (BC-S) was prepared. Structure and properties of the BC and its products were characterized by X-ray diffraction, Fourier transform spectroscopy, scanning electron microscopy and thermo-gravimetric analysis. The results showed that there was no significant difference between the structures of BC, ABC, RBC and BC-S. The crystallinity of the BC was decreased after the activated and regenerated while the thermal stability was increased.

bacterial cellulose; activate; NaOH/urea aqueous solution; regenerate

O636.1

A

1004-8405(2015)04-0037-06

10.16561/j.cnki.xws.2015.04.01

2015-07-16

广东省高新技术产业化项目-工业攻关（2013B010403020）；江苏省科技支撑计划项目（工业部分）（BE2013083，BE2014101）。

张海荣（1982～），男，博士，副研究员；研究方向：生物质高值化利用。

* 通讯作者：陈新德（1967～），男，博士，正高级工程师；研究方向：生物质高值化利用。cxd_cxd@hotmail.com