改性纳米薯渣纤维素的制备优化及其形貌表征

程亚娇，郭婷，李本姣，游玉明，赵丹，秦春青，刘雄

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)



改性纳米薯渣纤维素的制备优化及其形貌表征

程亚娇，郭婷，李本姣，游玉明，赵丹，秦春青，刘雄*

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

摘要对纳米纤维素(cellulose nanocryslal,CNC)进行羧甲基化改性，以提高其再分散性。以取代度(degree substitution,DS)为响应值，利用响应面法(response surface methodology,RSM)优化羧甲基纳米纤维素(N-CMC)的制备工艺，并运用透射电镜(TEM)对改性前后的CNC进行形貌表征，研究羧甲基改性对纳米纤维素结构的影响。结果表明：对N-CMC取代度有显著影响的4个因素为，NaOH/CNC质量比、NaOH/一氯乙酸(MCA)摩尔比、醚化Ⅰ段温度和醚化Ⅰ段时间；中心组合设计结合RSM分析确定主要影响因素的最佳水平组合为，NaOH/CNC质量比1.44、NaOH/MCA摩尔比2.40、醚化I段温度50℃、醚化I段时间50 min，此条件下N-CMC取代度的平均值为1.343±0.015，与理论预测值1.364相符。TEM分析显示，改性后的CNC仍保持了球形的结晶结构，只是粒径略有增大，且表面结构更加疏松。羧甲基取代纳米纤维素表面的部分羟基，并未显著影响其结晶结构，且有利于其在极性介质中的再分散。

关键词纳米纤维素；羧甲基改性；响应面分析；形貌表征

纳米纤维素具有尺寸小、力学性能优异、可生物降解及可再生等优点，在增强复合材料领域具有广阔的应用前景。然而，它的高比表面积及众多的表面活性羟基，使其在干燥过程中，颗粒间极易通过范德华力及氢键作用而发生团聚，且温度越高，不可逆团聚程度越大[1]，团聚后的纳米纤维素很难用物理方法实现再分散，这极大地限制了其应用方式及范围。对纳米纤维素进行适当的修饰以提高它的再分散性，成为近年来该领域的研究热点之一。

目前，对纳米纤维素的改性研究多集中在疏水性改性上，亲水性改性鲜见报道。疏水性改性能够提高其在非极性分散体系中的再分散性，但还存在很多难题。首先，在反应过程中，很难将极性差别较大的疏水性物质与亲水性的纳米纤维素充分混合，使得反应产物不均一。其次，采用接枝聚合等改性手段，不仅反应条件苛刻，且存在接枝效率低、接枝均聚物多等问题[2-4]。本试验旨在采用一种简单高效的方法来改善纳米纤维素的再分散性。用羧甲基取代纳米纤维素表面的部分羟基，通过增大分子间静电斥力，减少干燥过程中由于氢键闭锁而导致纤维素发生的不可逆角质化作用，达到提高纳米晶体再分散性的目的。将羧甲基修饰的纳米纤维素添加到含极性基团的分散体系中，可用于制备满足特定要求的纳米复合材料。

改性过程中取代度的控制非常重要，取代度过低，不能有效改善CNC的再分散性，取代度过高则会导致纳米纤维素的结晶结构遭到严重破坏，结晶度急剧下降，溶解度大幅增加，从而失去其本身的颗粒特性[5]。因而在保证其结晶结构仅受到较低程度破坏的前提下，尽可能地提高取代基的含量，是改善其再分散性亟待解决的关键问题。

1材料与方法

1.1材料与试剂

甘薯渣，四川光友薯业有限公司提供；α-淀粉酶，北京奥博星生物技术有限责任公司；NaOH、H2O2、浓H2SO4、一氯乙酸、异丙醇、甲醇、无水乙醇、冰醋酸等均为分析纯。

1.2仪器与设备

KQ 3200DB型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；PHS-3型精密酸度计，上海大普仪器有限公司；GYB60-6s型高压均质机，上海东华高压均质机厂；YC-015 实验型喷雾干燥机，上海雅程仪器设备有限公司；85-2A数显恒温磁力搅拌器，常州博远实验仪器分析厂。

1.3实验方法

1.3.1纳米纤维素的制备[6]

将原料甘薯渣充分洗涤，除去其中的杂质和可溶性物质，置于恒温鼓风干燥箱中，80℃条件下干燥8 h，超微粉碎后过180目筛。以得到的超微粉碎薯渣为原料，利用超声波辅助酸水解法(体积分数65%H2SO4)提取纳米纤维素，均质后得到稳定的薯渣纳米纤维素悬浮液，喷雾干燥后保存备用。

1.3.2纳米纤维素的羧甲基化改性[7-8]

在装有冷凝管和机械搅拌装置的三口烧瓶中加入1.00 g纳米纤维素和45 mL异丙醇，搅拌均匀后将整个体系置于恒温水浴装置中，在一定温度下，逐滴加入2 mL的NaOH溶液，搅拌一定时间，完成碱化过程；向上述碱化纤维素中逐滴加入一定量的一氯乙酸(溶解于15 mL异丙醇中)，一定温度下恒温水浴反应一段时间(醚化I段)；再向上述反应体系中逐滴加入1 mL的NaOH溶液，升温继续反应一段时间(醚化II段)。反应结束后，将所得产物过滤，悬浮于80%甲醇中，用90%醋酸中和至pH 7.5～9，用体积分数70%乙醇洗3次，甲醇洗1次，在真空低温条件下烘干得到羧甲基纳米纤维素。

1.3.3取代度的测定

根据ASTM D1439-03[9]测定羧甲基纳米纤维素的取代度。

1.3.4响应面设计与数据处理

利用分析软件Design-Expert 8.06进行试验设计及数据分析。以取代度为响应指标，采用两步法进行优化：首先利用Plackett-Burman (PB)设计挑选出对响应指标影响较大的几个因素；然后再利用中心组合设计(CCD)对PB实验筛选到的关键因子做进一步的分析，通过实验数据拟合得到二阶响应面模型，最终确定最优实验条件，并进行验证。

PB试验设计：根据羧甲基纤维素的制备原理，结合有关方面的文献报道[10-14]，对影响羧甲基纤维素取代度的8个主要因素进行全面考察，选用包含3个虚拟因素共12次试验的PB设计。每个因素取2个水平：低水平用“-1”表示，高水平用“+1”表示。试验均作3个平行，结果以平均值表示。试验设计因素水平表见表1。

CCD试验设计：以PB试验筛选出的关键因子为考察对象，以取代度为响应值，进行中心组合试验优化制备工艺。试验设计因素水平表见表2。

1.3.5形貌表征

分别将改性前后的纳米纤维素悬浮液稀释到一定浓度，超声处理并离心后，取部分滴于铜网上，待样品晾干后，采用透射电子显微镜(JEM-2100)观察其改性前后微观形貌的变化。

表1　Plackett-Burman设计因素水平表

表2　中心组合设计因素水平表

2结果与分析

2.1PB试验确定显著影响因素

采用Design-Expert软件对PB试验设计结果(表3)中的数据进行显著性分析，结果见表4。由表4可知，该数据具有统计学意义(P<0.05)，通过回归分析得出响应值对因素编码自变量的初步多元线性回

表3　Plackett-Burman试验设计结果

表4　回归模型方差分析

注：P<0.05，表示差异显著。

归方程为:

Y=+1.120+0.069 X1-0.013 X2+6.048e-3X3-0.035 X4+0.066 X5-0.028 X6-0.018 X7-0.010 X8

(1)

2.2CCD试验确定显著因素的最优水平

对中心组合试验设计结果(表5)进行二次多项式回归拟合，得到响应值与4个编码自变量之间的初步回归模型为：

Y=+1.270+0.120A+0.034B+0.039C-1.820e-3D+0.029AB+0.019AC+0.032AD-0.022BC+0.054BD-0.045CD-0.130A2-0.038B2-0.140C2-0.018D2

(2)

2.2.1回归模型方差分析

表5　中心组合设计方案及结果

对模型中回归系数的显著性检验表明:A、C、BD、A2、B2、C2对取代度有极显著影响(P<0.000 1)，B、CD对取代度影响高度显著(P<0.001)，AB和AD对取代度影响显著(P<0.05)，其他项系数影响均不显著(P>0.05)。根据系数估计值A=0.120，B=0.034，C=0.039，D=-1.820e-3可知，影响因素的主效应关系为：A>C>B>D，且由方差分析可知，因素D(P>0.05)对响应值影响不显著。

表6　回归模型方差分析

注：P<0.001，表示差异极显著；P<0.01，表示差异高度显著；P<0.05，表示差异显著。

2.2.2响应面分析

为进一步研究相关变量之间的交互作用，并在整个待定区域内确定各因素的最优取值范围，绘制了各自变量对响应值交互影响的响应曲面图和等高线图(图1～图6)。

响应曲面图可以直观地反映各因素对响应值的影响程度，响应面曲线越陡，表明该因素对响应值影响越大，反之亦然。由图2-a、图4-a和图5-a响应面的陡峭程度可知，各因素对响应值影响效应依次为：A>C>B>D，这与方差分析结果相一致。等高线图可直观反映出两变量交互作用的显著性。在另外2个自变量处于中心水平时，每条轮廓线的弯曲程度就表明交互作用项的显著程度，曲率越大，越趋向椭圆表明两因素交互作用越强，反之，越趋向圆形则表明两因素交互作用越弱[16]。各个自变量的最大预测值就在等高线图中最小的椭圆里。图2-b和图4-b等高线轮廓呈圆形，表明AC、BC两交互作用项不显著。其余4个交互作用项的等高线图均呈椭圆，表明交互作用均显著，且图5-b等高线曲率最大，图6-b次之，因此BD交互作用极显著，CD高度显著。

综合分析图1-a、图2-a和图3-a可知，响应值随NaOH/CNC质量比出现先增大后减小的趋势。原因是反应体系中碱浓度增加，有利于碱化纤维素的生成和醚化反应的进行，但是过高浓度的游离碱，会促使氯乙酸水解，副反应加剧，降低醚化剂利用率，从而降低取代度[17-18]。分析图1-a、图4-a和图5-a可得，在试验水平范围内，响应值随着NaOH/MCA摩尔比的增大而增大，表明该反应必须在一定的碱性环境中进行。为获得最佳取代度，必须严格控制纳米纤维素、NaOH与MCA三者用量比，因而AB间交互作用显著。

由图2-a、图4-a和图6-a响应曲面图可知，响应值随醚化I段温度的升高先增大后减小。同理，由图3-a、图5-a和图6-a可以直观地看出，醚化I段时间响应面曲线十分平滑，且响应值随随醚化I段时间的延长出现缓慢增大的趋势。醚化I段主要是醚化剂与游离碱的中和反应及醚化剂在碱纤维素中的扩散和渗透，这一阶段温度宜低，时间应较长。碱对纤维素的亲和力大于MCA对纤维素的亲和力[19]，因而时间较长有利于氯乙酸在碱纤维素中的充分渗透和均匀分散。温度不宜过高，否则醚化反应速度过快，一方面引起局部反应，另一方面在纳米纤维素表面生成的N-CMC胶粒将阻碍MCA的进一步扩散、渗透和反应，导致取代不均匀[20]。温度会显著影响醚化剂扩散和渗透的速度，进而影响醚化I段完成的时间，因此CD间交互作用高度显著。

2.3最佳工艺条件的确定与验证

从上述回归模型中求得最佳工艺条件为: NaOH/CNC质量比1.44、NaOH/MCA摩尔比2.4、醚化I段温度49.75℃、醚化I段时间50 min，此条件下取代度预测值为1.364。考虑到实际操作，将上述条件修正为：NaOH/CNC质量比1.44、NaOH/MCA摩尔比2.4、醚化I段温度50℃、醚化I段时间50 min。

验证实验结果表明：在修正的最佳工艺条件下，取代度平均值为1.343±0.015，预测精度高达98.46%，证明该模型可用于N-CMC取代度的预测。

图1　NaOH/CNC质量比与NaOH/MCA摩尔比对取代度影响的响应面和等高线Fig.1　Effects of NaOH/CNC mass ratio and NaOH/MCA molar ratio on substituting degree of response surface and contour

图2　NaOH/CNC质量比与醚化I段温度对取代度影响的响应面和等高线Fig.2　Effects of NaOH/CNC mass ratio and Etherification temperature at I phase on substituting degree of response surface and contour

2.4形貌表征

为观察改性前后纳米纤维素的粒径和形态变化，分别取部分经超声并离心处理的羧甲基纳米纤维素/乙醇悬浮液和纳米纤维素/去离子水悬浮液滴于铜网上，干燥后用透射电镜观察，得到其TEM照片(见图7)。由图7-a、图7-b和可观察到，薯渣纳米纤维素呈典型的球形，粒径主要分布在20～40 nm。薯渣纳米纤维素的粒径小，比表面积大，且表面含有众多活性羟基，使颗粒间存在较强的分子间作用力及氢键作用，导致纳米纤维素粒子极易发生团聚。即使分散均匀的悬浮液，在溶剂挥发过程中，铜网上的颗粒仍有部分发生团聚，因而会观察到图中纳米纤维素颗粒出现粘连和堆叠的现象[21]。

图3　NaOH/CNC质量比与醚化I段时间对取代度影响的响应面和等高线Fig.3　Effects of NaOH/CNC mass ratio and Etherification time at I phase on substituting degree of response surface and contour

图4　NaOH/MCA摩尔比与醚化I段温度对取代度影响的响应面和等高线Fig.4　Effects of NaOH/MCA molar ratio and Etherification temperature at I phase on substituting degree of response surface and contour

图5　NaOH/MCA摩尔比与醚化I段时间对取代度影响的响应面和等高线Fig.5　Effects of NaOH/MCA molar ratio and Etherification time at I phase on substituting degree of response surface and contour

图6　醚化I段温度与时间对取代度影响的响应面和等高线Fig.6　Effects of Etherification temperature and time at I phase on substituting degree of response surface and contour

从图7-c、图7-d可以看出，改性后的纳米纤维素仍为具有结晶结构的球形颗粒，颗粒粒径并没有发生明显改变，只是略有增大，集中分布在30～50 nm。羧甲基基团的引入，一方面使纳米纤维素颗粒表面变得蓬松，粒子之间堆砌松散[22]；另一方面羧甲基之间的静电斥力，使颗粒之间的吸附作用大为减弱，因而改性纳米纤维素的再分散性得到改善。另外，从图7中也可以看出，羧甲基纳米纤维素的结构更加疏松，这是由于反应过程中，CNC表面致密的结晶结构遭到破坏，纤维素晶体内表面的活性增加，微孔结构得到改善，从而形成疏松多微孔的表面[23-25]。

图7　纳米纤维素(a) (b)与羧甲基纳米纤维素(c) (d)的透射电镜图Fig.7　Transmission electron microscopy (TEM) of nano cellulose (a) (b) and carboxymethyl cellulose (c) (d)

3结论

(1) 综合文献资料选定了影响羧甲基纳米纤维素取代度的8个因素及其高低水平，通过PB设计确定了对取代度有显著影响的4个因素：NaOH/CNC质量比、NaOH/MCA摩尔比、醚化I段温度和醚化I段时间，对取代度影响不显著的因素，则根据其对响应值表现出的正负效应，相应地取试验水平的上下限值。

(2) 中心组合设计结合响应面分析建立了响应值与4个主要因素的二次回归模型，对该模型进行优化，得到4个主要因素的最佳水平组合为：NaOH/CNC质量比1.44、NaOH/MCA摩尔比2.4、醚化I段温度50℃、醚化I段时间50 min。该条件下取代度理论预测值为1.364，实测平均值为1.343±0.015，预测精度高达98.46%，证明该模型具有准确性和可行性。

(3) 形貌表征结果显示，羧甲基改性并未对纳米纤维素的基本结构产生明显影响，改性后的纳米纤维素粒径集中分布在30～50 nm，比改性前略有增大，但羧甲基纳米纤维素的表面结构更加疏松，为其应用提供了有利条件。

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Response surface methodology for optimization and characterization of modified cellulose nanocrystals from sweet potato residue

CHENG Ya-jiao, GUO Ting, LI Ben-jiao, YOU Yu-ming, ZHAO Dan, QIN Chun-qing, LIU Xiong*

(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715，China)

ABSTRACTIn this study, cellulose nanocrystal (CNC) was modified by carboxymethylation to improve their re-dispersion. Specifically, the response surface methodology (RSM) was applied to optimize the preparation conditions of carboxymethylated cellulose nanocrystal (N-CMC) to obtain the maximum substitution degree (DS) of CNC. Compared with the original morphology of CNCs, modified CNC was characterized by transmission electron microscopy (TEM) to study the effect of carboxymethylation on the crystalline structure of CNC. The results showed that the DS of N-CMC was significantly influenced by NaOH/CNC mass ratio, NaOH/monochloracetic acid (MCA) mole ratio, first-stage etherification temperature and time. RSM analysis based on Central Composite Design was applied to assess the optimal values of the selected factors, and the optimal conditions were: NaOH/CNC mass ratio 1.44，NaOH/MCA mole ratio 2.40，first-stage etherification temperature 50 ℃, for 50 min. Under the optimum conditions, the experimental value of DS of 1.343±0.015 was well consistent with the predicted value of 1.364. Furthermore, morphology characterization confirmed that the modified CNC was still spherical nano particles, only the particle size slightly increased, and the microstructure became looser. Therefore, Carboxymethylation did not significantly change CNC’s crystal structure, but improved its re-dispersion in the polar medium.

Key wordscellulose nanocrystals；carboxymethylation；response surface analysis；morphology characterization

收稿日期：2015-08-16，改回日期：2015-10-12

基金项目：重庆市科委民生专项一般项目(cstc2015shmszx0367)2015——甘薯渣纤维高值化利用关键技术研究；重庆市科委集成示范项目(cstc2012jcsf-jfzh0033)——重庆特色农产品产业协同创新与关键技术攻关；社会事业与民生保障科技创新专项——薯类食品安全加工技术研究与应用(cstc2015shms-ztzx0113)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201603025

第一作者：硕士研究生(刘雄教授为通讯作者，E-mail：liuxiong848@hotmail.com)。