茶梗制备纤维素纳米晶体及其表征

张阳阳 李亚兰 李梦阳 许 民 岳金权

（东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨，150040）

茶梗，又称茶叶叶梗，约占茶叶质量的25%，其成分与茶叶类似，主要含有木质素、纤维素和半纤维素等，是一种潜在的生物质原料［1］。中国作为茶叶生产与消费大国，每年茶叶产量可达243万t，直接产生茶梗副产物约60.75万t［2］。茶梗因质地坚韧，不宜冲饮，在茶叶生产和加工过程中，通常被作为固体废弃物直接丢弃，既引起环境污染，又造成资源的极大浪费。目前，对于茶梗的资源化利用形式十分有限，主要集中在咖啡碱、茶多酚、茶多糖、茶氨酸和儿茶素等功能成分提取及甲醛、苯等有害气体的吸附［3-4］方面。并且，有关茶梗纤维的研究主要集中在复合材料领域［5-7］。因此，在传统利用方式的基础上，寻找一条新的茶梗开发应用途径是实现茶梗资源化利用最大化的有效手段之一。

纳米纤维素因具有良好的强度性能、高比表面积和高结晶度，被广泛应用在造纸、复合材料和医药等领域［8-11］。目前，关于纳米纤维素的制备已取得较多的进展。纳米纤维素的制备主要以棉花、木材、亚麻和草类等生物质为原料［12-15］。若以茶梗这种生物质原料代替棉、木浆制备纳米纤维素，可以为茶梗的高附加值化利用提供一条新路径。

本研究以茶梗为原料，采用硫酸水解法制备纤维素纳米晶体（CNC），应用响应面分析对制备工艺进行了优化，并对制得的CNC的形貌、结晶性能和热稳定性进行研究。

1 实 验

1.1 材料及设备

乌龙茶茶梗，产地福建省。

苯、乙醇、亚氯酸钠（NaClO2）、冰醋酸、硫酸均为分析纯，天津化学试剂一厂。

JEM-2100 型透射电子显微镜（TEM），日本电子公司生产；D/MAX2200型X射线衍射仪（XRD），日本理学株式会社公司；Pyris6 型热重分析仪（TG），美国PerkinElmer公司。

1.2 实验方法

1.2.1 茶梗的预处理

称取10 g茶梗粉末，用滤纸包好置于索氏抽提器中，加入苯-醇溶液（体积比2∶1的甲苯/乙醇溶液），95℃抽提6～8 h，自然风干备用；将4 g抽提后的茶梗粉末置于75℃的振荡水浴锅中，每隔1 h 加入1.5 g NaClO2和1 mL的冰醋酸，以除去木质素，重复5～6次直到试样变白，洗涤至中性，冷冻干燥后备用，记作TS-1；然后，将4 g TS-1 置于100 mL 质量分数为8%的KOH 溶液中，80℃水浴处理3 h 后，去离子水洗涤至中性，冷冻干燥后备用（记作TS）。按照国 家 标 准 GB/T 744—1989、GB/T 2677.10—1995、GB/T 747—2003分别测定茶梗原料和TS的α-纤维素、综纤维素、酸不溶木质素含量，测定结果见表1。

表1 茶梗纯化前后组分分析

1.2.2 CNC的制备

将2 g TS 置于30 mL 硫酸溶液中，在一定温度下磁力搅拌处理，反应一段时间后，加入500 mL 蒸馏水终止反应，透析至中性，得到CNC胶体，高速离心分离提纯样品，冷冻干燥得到茶梗纤维素纳米晶体（TS-CNC）。将冷冻干燥后的TS-CNC 称量并记作M，则TS-CNC得率为：

1.2.3 响应面实验设计和数据处理

采用Design-Expert中的中心组合设计进行实验设计与数据分析。硫酸质量分数（X1）、反应时间（X2）、反应温度（X3）为自变量，各变量的条件范围分别为60%～65%、90～150 min、40℃～50℃。表2 为实验自变量编码及水平。

表2 实验自变量编码与水平

利用TEM 观测TS-CNC 的形貌；利用XRD 分析TS-CNC的晶型结构；利用TG表征TS-CNC热稳定性。

2 结果与讨论

2.1 响应面实验设计与结果

以影响纤维素水解的硫酸质量分数（X1）、反应时间（X2）和反应温度（X3）为自变量，以TS-CNC得率为响应值，做3 因素3 水平的响应面分析实验，共17个实验点，结果见表3。

2.2 回归方程的建立

依据实验结果，利用Design-Expert软件进行回归分析，得到多元二次回归方程：

二次多项式回归模型方差分析结果见表4。由表4可以看出，模型F值310.45，显著水平P值＜0.0001，小于一般显著性检验规定的α（0.05和0.01），这说明二次多项式回归模型显著性良好；失拟分析表明，失拟项的P值为0.9442（＞0.05），模型失拟度不显著，这说明该模型拟合程度比较好，该模型是适合的。因此，该模型可以对TS-CNC制备进行分析和预测。决定系数R2和R2校正值分别为0.9975和0.9943，表明该模型能够解释99.31%响应值的变化，模型拟合程度良好。

表3 实验设计与结果

表4 二次多项式回归模型方差分析

2.3 响应面交互作用分析

图1 为响应面交互作用的响应面3D 图及等高线图。由图1（a）可知，反应时间恒定时，随着硫酸质量分数的增加，TS-CNC 得率先提高后降低，硫酸质量分数约为62.7%时，TS-CNC 得率达到最大值；硫酸质量分数为62.7%时，随着温度升高，TS-CNC 得率提高，并在约45℃时达到最大值，进一步升高温度，TS-CNC 得率则下降。这是由于温度过高，纤维素会进一步水解为葡萄糖，导致TS-CNC 得率下降。如图1（b）所示，反应温度恒定时，随反应时间增加，TS-CNC 得率先提高后降低，并在约118 min 时，得率达到最大值。反应时间为118 min 时，随着硫酸质量分数的增大，TS-CNC 得率提高；当硫酸质量分数为62.5%时，得率达到最大值，进一步增大硫酸质量分数，TS-CNC 得率则下降。这是由于在硫酸质量分数较高时，纤维素会过度水解，导致TS-CNC 得率下降。如图1（c）所示，硫酸质量分数恒定时，随着反应时间的增加，TS-CNC 得率先提高后降低，反应时间为118 min 时，得率最高。这是由于反应时间过长，部分纤维素发生水解，导致TS-CNC 得率下降。

2.4 Design-Expert系统的模拟寻优与检验

利用Design-Expert软件得出最佳优化条件：硫酸质量分数63.2%、反应时间125.3 min、温度45.2℃，预测的TS-CNC得率为51.0%。结合实际实验条件，当硫酸质量分数为63%、温度45℃、反应时间125 min时，TSCNC得率为49.9%，与预测值基本吻合。

图1 响应面交互作用的响应面3D图及等高线图

图2 TS-CNC基本表征

2.5 TS-CNC的表征

图2（a）为TS-CNC照片，从图中可以看出，TS-CNC悬浮液自然光下呈淡蓝色荧光透明状，用红色激光笔照射TSCNC悬浮液，产生明显的丁达尔现象。图2（b）为TS-CNC的TEM照片。在最佳优化条件下制备的TS-CNC直径分布较为均匀，约4～8 nm，呈棒状，长度100～250 nm，长径比达50。但仍有部分纤维素直径相对较大，这可能是由于部分纤维束之间氢键的打开不充分造成的。

图2（c）为TS和TS-CNC的XRD谱图。在2θ=14.7°和22.7°处有两个特征衍射峰，说明TS和TS-CNC都是属于纤维素I 型。与TS 的XRD 谱图相比，TS-CNC 的波峰强度显著增强，参考相关文献［16］计算TS 和TS-CNC的结晶度分别为43.3%和61.3%，由此可知经过硫酸水解后，TS-CNC的结晶度显著增大。

图2（d）为TS和TS-CNC的TG图。由图2（d）可知，TS的热降解起始温度约为250℃，而TS-CNC的热降解起始温度约为175℃。这是由于纤维素经硫酸水解，使得纤维素分子链被破坏和断裂，聚合度下降，比表面积增大，热稳定性下降；此外，硫酸根离子的存在减少了纤维素表面的活化能，从而降低了TS-CNC的热稳定性。

表5为TS-CNC与其他原料制得CNC的性能对比。由表5可知，TS-CNC的热降解起始温度和结晶度均低于棉花CNC 和竹CNC，而其粒径大小与竹CNC 差别不大。这是由于植物纤维原料的来源不同，使得不同原料纤维的形态特征有所差别，因此，以不同植物纤维作为原料制备的CNC具有不同的性能。

表5 不同原料制得CNC的性能

3 结 论

以茶梗为原料，采用硫酸水解法制备茶梗纤维素纳米晶体（TS-CNC），并运用响应面分析法对TS-CNC制备工艺（即硫酸质量分数、反应温度和反应时间）进行优化。结果表明，各因素间均具有较强的交互作用，优化的最佳工艺条件为：反应时间125 min、温度45℃、硫酸质量分数63%。在优化条件下制得的TSCNC 的得率49.9%，直径4～8 nm，长度100～250 nm。TS-CNC的结晶度为61.3%，属纤维素I型，仍保留纤维素的基本结构；其热降解起始温度为175℃，与茶梗纤维相比，热稳定性下降。