羧甲基化改性纳米甘薯渣纤维素的表征

马小涵 刘 雄 郭 婷 赵 丹 田俊青 赵天天

(西南大学食品科学学院，重庆 400715)

羧甲基化改性纳米甘薯渣纤维素的表征

马小涵 刘 雄 郭 婷 赵 丹 田俊青 赵天天

(西南大学食品科学学院，重庆 400715)

以甘薯渣为原料，利用超声辅助酸法从薯渣中提取纳米纤维素，用羧甲基化对纳米纤维素进行亲水性改性，并对其理化性质进行表征。结果表明，羧甲基纳米纤维素仍为典型的球形粒子，粒径集中分布在30～50 nm，与原纳米纤维素相比，表面结构更加疏松，化学反应活性增强；改性纳米纤维素的晶型结构发生了变化，结晶度明显降低，结晶指数由原来的73.27%下降到52.83%，但其热稳定性提高；改性纳米纤维素的实测纯度>99.5%，黏度<25 mPa·s，是一种高纯度极低黏度的纳米级羧甲基纤维素，可用做食品级添加剂。

纳米纤维素；羧甲基改性；表征

纳米纤维素具有尺寸小、高结晶度、高纯度、高强度等特性[1]，加之具有轻质性、生物相容性及可降解性，其在造纸、建筑、汽车、食品、电子产品、医学等领域具有很好的应用前景[2-3]。然而，纳米纤维素较高的比表面积和众多的表面活性羟基，使其在干燥过程中，颗粒间极易通过氢键作用和范德华力发生团聚，而且随着温度升高，不可逆团聚程度也逐渐增大[4]，并且采用物理方法很难将团聚后的纳米纤维素再次分散，极大地限制了其应用。对纳米纤维素进行适当地修饰来提高其再分散性，成为近年来该领域研究的热点之一。

目前，对纳米纤维素改性的方法主要有两种：① 物理改性，也是非共价键的表面吸附改性，即在纳米纤维素表面吸附聚电解质或表面活性剂[5-7]；② 化学改性，包括小分子的化学修饰(如酯化[8-10]、氧化[11-13]、醚化、硅烷化[14]等)和接枝共聚。纳米纤维素可以通过适当的改性方法在其表面引入稳定的正或负电荷，使纳米纤维素在溶剂中的分散性提高。同时，在纳米纤维素表面结合非极性或者疏水性的物质，也可降低纳米纤维素表面自由能，提高纳米纤维素在复合材料中的界面相容性。目前，关于纳米纤维素的化学改性方面的研究多集中在疏水性改性，而亲水性改性报道较少。Eyholzer等[15]通过羧甲基反应结合机械处理，获得了轻微改性的羧甲基纳米微纤丝，羧甲基修饰后减少了纤维素微纤丝在干燥过程中由于氢键闭锁而发生的角质化作用，使其在水中再分散性良好，但结晶度有所降低。本试验拟以甘薯渣为原料，利用超声辅助酸法从薯渣中提取纳米纤维素，用羧甲基化对纳米纤维素进行亲水性改性，提高纳米纤维素的再分散性，并对其理化性质进行表征，旨在为今后羧甲基改性纳米薯渣纤维素的研究和应用提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

甘薯渣：光友薯业有限公司；

α-淀粉酶：生物试剂，北京奥博星生物技术有限责任公司；

溴化钾：光谱纯，天津市丰越化学品有限公司；

冰醋酸、氢氧化钠、浓硫酸、盐酸、一氯乙酸、过氧化氢、碘化钾、碘单质、硫酸铜异丙醇、无水乙醇、甲醇：分析纯，重庆川东化工(集团)有限公司。

1.1.2 仪器与设备

喷雾干燥机：YC-015实验型，上海雅程仪器设备有限公司；

透射电子显微镜：TEM 2100型，日本电子株式会社；

X-射线粉末衍射仪：XRD-7000 型，日本岛津公司；

傅里叶变换红外光谱仪：Nicolet 6700型，美国Nicolet公司；

差示扫描量热仪：DSC 4000型，美国PE公司；

热重分析仪：Q50TGA型，美国TA仪器公司；

黏度计：NDJ-5S型，上海精密科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 纳米纤维素的制备 将甘薯渣原料水洗除去可溶性物质和杂质，并放于恒温鼓风干燥箱中，80 ℃干燥 8 h，超微粉碎并过180 目筛。取5.00 g超微粉碎薯渣，按1∶6 (g/mL) 的比例加蒸馏水煮沸3 min，使淀粉充分糊化，降温至60 ℃，加入10倍原料质量1.5%的α-淀粉酶液，105 W、45 ℃超声处理45 min；100 ℃加热灭酶5 min，4 500 r/min离心10 min，弃去上清液，按料液比1∶10 (g/mL) 加入7%的NaOH溶液，70 ℃碱解90 min；6 000 r/min离心洗涤15 min，按料液比为1∶10 (g/mL) 加入20%的双氧水，于70 ℃漂白60 min，6 000 r/min离心洗涤15 min后得到提纯薯渣纤维素。再利用超声波辅助酸法，将所得薯渣纤维素，按1∶10 (g/mL) 的比例加入65%硫酸，120 W、55 ℃条件下超声酸解120 min，均质，得到稳定的甘薯渣纳米纤维素悬浮液，并对其进行喷雾干燥，保存备用[16]。

1.2.2 纳米纤维素的羧甲基化改性 向装有搅拌装置和冷凝装置的三口烧瓶中加入1.00 g 甘薯渣纳米纤维素晶体和45 mL 异丙醇，充分搅拌并置于恒温水浴锅中，25 ℃下逐滴加入50% NaOH 溶液2 mL，搅拌60 min，完成碱化过程；然后向碱化纤维素中缓慢加入一定量的一氯乙酸(溶于15 mL异丙醇)，50 ℃下水浴反应50 min，完成醚化Ⅰ段；再向反应体系中逐滴加入50%的NaOH溶液1 mL，60 ℃下反应90 min，完成醚化Ⅱ段。反应结束后，将反应所得产物过滤，悬浮于80%甲醇溶液中，用90%醋酸溶液调节pH至7.5～9.0，再分别用70%乙醇和甲醇充分洗涤，真空低温烘干，即可得到羧甲基纳米纤维素(N-CMC)[17-19]。

1.2.3 鉴定试验 按GB 1886.232—2016执行。

1.2.4 红外光谱分析(FT-IR) 取适量干燥样品与光谱级溴化钾(1/100)共同研磨压片，扫描范围400～4 000 cm-1，扫描间隔2 cm-1，每个样品累计扫描32次。

1.2.5 微观结构观察 取适量改性前后的纳米纤维素悬浮液，稀释至合适浓度并进行超声处理(100 W 2 min)，取少量悬浮液滴于铜网上，晾干，通过透射电子显微镜，观察改性前后纳米纤维素微观形貌的变化。

1.2.6 结晶结构分析 将适量的样品粉末置于X-射线衍射槽内，通过Cu靶辐射源，在工作电压40 kV，电流30 mA的条件下进行测定。控制扫描速度3°/min，扫描范围5°～50°，扫描步宽0.02°。结晶度的计算采用分峰法中的Scherrer公式进行计算。

1.2.7 热稳定性分析

(1) 差式扫描量热分析(DSC)：称取样品4～6 mg，于铝质坩埚中压紧，以空铝盒为参比，升温速率为10 ℃/min，升温范围30～400 ℃，在N2氛围中进行测定。

(2) 热重分析(TGA)：N2氛围，样品重量5～11 mg，升温范围30～800 ℃，升温速率10 ℃/min。

1.2.8 纯度与黏度分析 按照GB 1904—2005的方法，测定羧甲基纳米纤维素的纯度与2%水溶液的黏度。

2 结果与分析

2.1 定性鉴定

外观：所制羧甲基纳米纤维素钠呈淡黄色粉末。产物样品按照GB 1904—2005《食品添加剂 羧甲基纤维素钠》中的方法鉴定，呈现如下状态：产物溶液滴加2～3滴碘化钾碘水溶液最终不出现蓝色；产物溶液滴加10 mL硫酸铜溶液产生绒毛状淡蓝色沉淀；盐酸溶液浸润铂丝蘸取产物溶液在无色火焰中燃烧呈鲜黄色，因此确认试验产物为羧甲基纤维素。

①所有3组患者在治疗前和治疗后采用TCSS(包括患者神经症状、感觉功能及神经反射，总分共计为19分）进行评分。

2.2 红外光谱分析

从图1中CNC的红外图谱可以看出，纤维素的特征峰几乎都存在，在3 200～3 600 cm-1处有强的宽吸收峰，为—OH 的伸缩振动峰，证明甘薯渣纤维素中存在缔合状态的氢键，在2 840～3 000 cm-1处有—CH2的伸缩振动峰，在1 450 cm-1左右处有—CH2的弯曲振动，在1 000～1 200 cm-1处呈现宽而复杂的吸收带，为醚键—C—O—C—的伸缩振动，在800～1 000 cm-1处存在—C—H—的摇摆振动吸收峰，且在1 640 cm-1处出现水蒸气吸收峰，图中杂峰较少，说明薯渣纤维素纯度较高。羧甲基化后，N-CMC红外图中3 413.8 cm-1处-OH伸缩振动峰强较原纤维素明显减弱，峰宽变窄，表明氢键作用减弱，证明羟基参与了亲核取代反应；2 913.3 cm-1处—CH2的伸缩振动峰减弱，1 605.7 cm-1处出现了典型的COO—的羰基非对称伸缩振动峰，1 424.6 cm-1出现了典型的COO—的羰基对称伸缩振动，且1 063.1 cm-1处醚键吸收峰的增加，表明纤维素内部结构发生了变化，纤维素分子成功接上了羧甲基基团。

2.3 微观形貌观察

由图2(a)可知，CNC呈现典型的球形，粒径集中分布在20～40 nm。CNC的尺寸较小且比表面积较大，同时颗粒表面含有较多的活性羟基基团，因此颗粒间会存在较强的氢键作用，使得CNC粒子间极易发生团聚现象。即使是分散均匀的悬浮溶液，溶剂挥发的过程中，铜网上仍然会有部分颗粒出现团聚现象，所以从图2(a)中可以观察到CNC颗粒有部分堆叠和粘连[20]。由图2(b)可知，改性得到的羧甲基纳米纤维素颗粒并没有发生明显改变，仍然呈现具有结晶结构的球形，颗粒粒径略有增大，主要分布在30～50 nm。羧甲基基团的引入，不仅使得纳米纤维素颗粒表面变得蓬松，颗粒堆叠粘连现象减弱，粒子堆砌松散；同时，纳米纤维素颗粒之间的吸附作用因羧基之间的静电斥力而大为减弱，因而改性得到的N-CMC再分散性得到了显著改善。同时，由于反应过程中，CNC表面致密的结晶结构可能被破坏，内表面的活性增强，所以改性得到的N-CMC的结构明显疏松[21]。

2.4 结晶结构分析

X-射线研究表明，纤维素是由结晶区和无定形区连接形成的两相体系。纤维素的结晶度是指结晶区占纤维素整体的百分率。由于在纤维素的结晶体和在纤维素晶体基本单元之间仍然存在一些无定形的成分，所以纳米甘薯渣纤维素的结晶度达不到100%。通过Scherrer公式[23]计算得出CNC和N-CMC的相对结晶指数分别为73.27%，52.83%。经羧甲基化后，纤维素的结晶指数有所下降，这是由于一方面碱化、醚化反应破坏了纤维素晶体的结晶区，且取代度高，纤维素的反应程度越高，反应试剂对纤维素晶体的破坏越大，结晶度越低；另一方面羧甲基的位阻效应使纤维素的规则度降低，可及区增加，产生更多的非晶区，也使得纤维素的结晶指数下降。

2.5 热稳定性分析

2.5.2 热重分析 图5、6为纳米纤维素改性前后的TG曲线和DTG曲线，该曲线反映的是样品在升温过程中的失重速率变化状况。纤维素在惰性气氛中进行热降解，一部分是黏滞的油以及碳化合物，另一部分分解形成各种较小的气体或可挥发物质。CNC和N-CMC的第一次失重发生在80 ℃附近，失重量分别为6.21%和8.03%，这主要由结晶水的蒸发引起，与上述DSC分析结果一致。在之后在TG和DTG曲线中，两者的失重发生了明显的不同，CNC出现了两段不相同的热分解过程，分别为190～560 ℃和560～750 ℃。CNC样品在一个宽的温度范围显示了2次热分解，可能是在CNC上残留的硫酸催化降解CNC，从而降低了CNC的分解温度，同时残留的硫酸根也会增加分解后的残余灰烬量，这是硫酸水解制备球状纤维素纳米晶体典型的热分解行为[22]。CNC从190 ℃开始快速失重，在190～560 ℃时，失重最大且速度最快，失重率达到47.18%，为主要裂解温度范围。同时由DTG曲线可知，CNC的最快失重率点为330 ℃，加热到750 ℃时几乎失重完全，累计失重约75.18%，仍有24.82%的残存量。

N-CMC则分别在200～550 ℃和550～750 ℃两段温度范围内发生缓慢降解。TG曲线 (图5)显示其在200 °C出现软化点，开始迅速降解，这是化学修饰后纤维素晶须的热失重特征[24-25]，这时产生的失重以挥发性气体为主。在200～550 ℃时，N-CMC失重24.26%，加热到750 ℃以后，温度继续升高，残留的N-CMC试样则以残渣炭的形式存在，失重变得缓慢。在750 ℃还有57.88%的存量，较CNC提高了33.06%。结合DSC曲线，CNC在185 ℃以下稳定，N-CMC是边熔融边分解，在200 ℃以下稳定。

N-CMC的初始失重温度较CNC约增加10 ℃，其失重曲线平缓，热分解过程缓慢，失重率低，残存量高，这些都表明N-CMC的热稳定性得到提高，与DSC的分析结果相一致，可能是羧甲基化后CNC的晶型发生改变引起的，X-衍射分析也充分证实了这一点。纤维素I型结构为平行链结构，强度高但稳定性低，丝光化处理后，链的折叠、堆砌方式及极性都会发生不同程度的改变，进而导致纤维素分子链的构象发生不可逆的转变，同时纤维素分子内的重排、取代官能团的位阻效应也会影响晶体结构的稳定性，这些都会改变纤维素晶体的热稳定性，有关羧甲基改性后纤维素晶体热稳定性提高的具体原因还有待进一步研究。

2.6 黏度与纯度测定

经测定不同取代度(DS为0.544～1.343)羧甲基纳米纤维素(2%水溶液)的黏度为6.77～18.02 mPa·s。随着DS的增大，N-CMC黏度缓慢增大，但均小于低黏度羧甲基纤维素的黏度标准(25 mPa·s)。羧甲基纤维素的黏度主要取决于纤维素链形成构架的平均聚合度，黏度和平均聚合度存在近似直线的关系。由于经硫酸水解的纤维素平均聚合度急剧下降，因而由CNC制备的N-CMC黏度很低。另外，N-CMC粒子处于纳米尺寸范围，其水溶液中有效电荷密度低，静电斥力减弱，分子链卷曲，溶液黏度降低。取代度增大，虽然可以增大羧甲基纤维素的平均分子量，但对溶液黏度影响不大。

食品添加剂要求羧甲基纤维素的纯度>99.5%，本试验制备羧甲基纳米纤维素的纯度测定值为(99.67±0.18)%，达到食品级羧甲基纤维素的使用要求。综上表明，试验所得产品为纯度高黏度极低的羧甲基纤维素钠。

3 结论

本试验采用红外分析、透射电镜、X-射线衍射、差式扫描量热分析、热重分析等方法，来研究羧甲基纳米纤维素的结构和性质，以探讨羧甲基改性对纳米纤维素的微观形貌、结晶结构、热稳定性等方面的影响，并对羧甲基纳米纤维素的关键性质指标纯度和黏度进行了测定，以期为羧甲基纳米纤维素的实际应用提供理论指导。经过以上分析，可得出如下结论：

(1) 定性试验和红外光谱分析表明：羧甲基基团成功地取代了纳米纤维素表面的部分羟基，达到了对纳米纤维素进行羧甲基化修饰的目的。

(2) TEM和XRD表征显示：羧甲基修饰对纳米纤维素的晶体结构没有产生显著影响，羧甲基修饰后的纳米纤维素仍然呈现典型的球形粒子，粒径略有增大，集中分布在30～50 nm，羧甲基纳米纤维素的表面结构更加疏松，反应活性增加；但改性修饰使纳米纤维素的晶型结构发生了变化，结晶度明显降低，结晶指数由73.27%降到了52.83%。

(3) 热稳定性分析表明：羧甲基修饰后纳米纤维素的热稳定性提高，可能是晶型结构发生改变所致，具体原因还有待进一步研究。

(4) 黏度与纯度分析证明：试验所得产品为纯度高黏度极低的纳米级羧甲基纤维素，可用做食品级添加剂。

本试验仅是对羧甲基纳米纤维素理化性质做了初步探讨，还有很多方面有待进一步深入研究，如羧甲基纳米纤维素的干燥工艺对其结构和性质也有重要的影响；如何经济高效地得到粉末状羧甲基纳米纤维素，使之实现产业化等。

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Characterization of Carboxymethyl Modified Cellulose Nanocrystal from Sweet Potato Residue

MA Xiao-hanLIUXiongGUOTingZHAODanTIANJun-qingZHAOTian-tian

(CollegeofFoodScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

With sweet potato residue as raw material, cellulose nanocrystals (CNCs) were achieved through ultrasonic-assisted acid method. Carboxymethyl cellulose nanocrystals (N-CMCs) were produced by carboxymethylation of CNCs. Transmission electron microscopy (TEM) showed that the N-CMCs were still typical spherical nano particles and slightly larger with a uniform diameter ranging from 30 nm to 50 nm. They were more loosely packed than the CNCs and had a porous surface structure. The crystallinity index of the N-CMCs (52.83%) was lower than that of CNCs (73.27%), whereas the thermal stability of the former was higher. N-CMCs could be used as an excellent food additive, with low viscosity less than 25 mPas, high purity more than 99.5% and nano-sized scale.

cellulose nanocrystals; carboxymethylation; characterization

重庆市科委民生专项一般项目(编号：cstc2015shmszx0367)

马小涵，女，西南大学在读硕士研究生。

刘雄(1970—)，男，西南大学教授，博士。 E-mail:liuxiong848@hotmail.com

2016—12—29

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.008