玉米秸秆制备羧甲基纤维素的研究及结构表征

谷 芳， 马嘉欣， 车春波

(哈尔滨商业大学食品工程学院，哈尔滨 150028)

我国是玉米生产大国，每年会产生大量价格低廉的玉米秸秆[1]。目前玉米秸秆已实现了秸秆的肥料化[2]，玉米秸秆粉碎直接作为肥料还田；饲料化[3]，利用秸秆中的营养成分将其加工成动物饲料；能源化[4，5]，制备液体酒精、天然气；材料化[6]，用于造纸原料、人造纤维素、化工原料、纸板、活性炭等。玉米秸秆中富含纤维素、半纤维素、木质素，若将这些高分子聚合物进行有效利用，能在很大程度上提高玉米秸秆的附加值。而羧甲基纤维素可由天然纤维素经碱化醚化制得，是纤维素的醚类衍生物[7]，因其具有保水、增加黏稠度、悬浮、乳化等性能，在食品的保鲜[8]、药物载体[9]、减缓农药的光降解速率[10]中已有所应用。常见的制备羧甲基纤维素的方法有水媒法、溶媒法，但目前制备羧甲基纤维素的原料成本较高，导致羧甲基纤维素的价格较昂贵，因此在降低成本的前提下制备较高取代度的羧甲基纤维素需要深入研究。

本实验基于已有溶媒法制备羧甲基纤维素研究，对制备方法进行改进，以玉米秸秆为原料，使用碱法提取纤维素，再将纤维素进行碱化与醚化制备羧甲基纤维素，在单因素实验的基础上设计响应面实验探究不同因素对羧甲基纤维素制备过程的影响，得到最佳制备工艺。通过扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、X-射线衍射仪及热重分析仪对玉米秸秆、玉米秸秆纤维素及羧甲基纤维素进行形貌和结构及热稳定性的对比表征。以促进玉米秸秆的综合利用率，降低羧甲基纤维素的成本。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米秸秆(黑龙江省青冈县)；氢氧化钠、亚氯酸钠、盐酸、硝酸、冰醋酸、重铬酸钾、浓硫酸、硫酸亚铁铵、亚铁灵试剂、氯乙酸、乙醇、氨-氯化铵缓冲溶液、硫酸铜、乙二胺四乙酸钠、1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚，均为分析纯。

1.2 实验仪器与设备

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，TG16-WS型离心机，SHZ-DШ 循环水式真空泵，METTLER TGA/DSC3+型同步热分析仪，X'Pert Pro型X-射线衍射仪，日立SU5000扫描电子显微镜，PerkinElmer 红外光谱仪。

1.3 方法

1.3.1 玉米秸秆纤维素的提取工艺流程

玉米秸秆→粉碎过筛→除半纤维素→除木质素→玉米秸秆纤维素 ↑ ↑

NaOH溶液亚氯酸钠溶液

将玉米秸秆洗净晾干后粉碎，过60目筛，将得到的秸秆粉与5%的NaOH按料液比1∶20混合，置于80 ℃水浴锅中搅拌处理2 h，除去半纤维素。随后抽滤洗涤，将得到的沉淀按料液比1∶10加入0.25 mol/L的亚氯酸钠，用10%盐酸调pH在6～7范围内，75 ℃搅拌40 min以除去木质素，抽滤后使用大量蒸馏水洗涤，得到玉米秸秆纤维素。

1.3.2 羧甲基纤维素的制备

采用溶媒法制备羧甲基纤维素(CMC)，将提取的玉米秸秆纤维素与适量80%乙醇溶液混合，65 ℃磁力搅拌30 min，加入NaOH继续搅拌2 h后加入氯乙酸搅拌1.5 h，用冰醋酸调节pH至6，反应后抽滤并使用80%乙醇溶液洗涤数次，50 ℃烘干至恒重得到羧甲基纤维素。

1.3.3 单因素实验

讨论氯乙酸(MCA)添加量、反应温度、反应时间对羧甲基纤维素取代度的影响。提取的纤维素与适量乙醇溶液(80%)混合，不同温度(55、60、65、70、75 ℃)下加热搅拌，加入NaOH继续搅拌，加入氯乙酸(质量分数6.0%、7.3%、8.6%、9.9%、11.2%)搅拌，用冰醋酸调节pH，反应在不同时间(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h)下完成。抽滤并洗涤数次，烘干至恒重得到CMC。以MCA添加量、反应温度、反应时间为影响因素，进行单因素实验。

1.3.4 响应面分析实验

根据单因素实验结果，选择MCA添加量、反应温度、反应时间对羧甲基纤维素取代度有较大影响的因素为响应面自变量，以取代度(DS)为响应指标，采用 Box-Behnken 模型设计三因素三水平响应面实验，因素水平见表1。

表1 响应面实验因素水平表

1.3.5 羧甲基纤维素取代度的测定

采用硫酸铜沉淀-络合滴定法测定CMC的取代度[11]，取样品0.25 g，加0.4 mL无水乙醇，20 mL蒸馏水和8 mL氨-氯化铵缓冲溶液，使用10%HCl调节pH在6～7并加入20 mL 0.05 mol/L CuSO4，定容100 mL放置15 min使其沉淀，取上清液40 mL调节pH在7.5～8.0，滴PAN指示剂5滴，使用EDTA滴定至溶液变绿，记录EDTA消耗的量，并做空白实验。计算公式为：

式中：B为乙酸钠基含量；m为称样质量/g；CEDTA为EDTA标准溶液浓度/mol/L；V0为滴定空白样消耗EDTA标准溶液的体积/mL；V1为滴定样品消耗EDTA标准溶液的体积/mL。

1.4 结构分析

1.4.1 X射线衍射分析(XRD)

采用X射线衍射仪以Cu-Kα辐射(λ= 0.154 nm)作为X射线源，在40 kV的加速电压和40 mA电流下测量玉米秸秆粉、玉米秸秆纤维素及羧甲基纤维素的X射线衍射图谱。扫描角度2θ为10°～80°，扫描速度为4°/min。

1.4.2 扫描电镜分析(SEM)

采用热场发射扫描电镜，将样品粉末固定喷金，加速电压为15 kV。 观察玉米秸秆粉、玉米秸秆纤维素及羧甲基纤维素的表面形貌。

1.4.3 红外光谱分析(FTIR)

采用傅里叶红外光谱仪，将样品与溴化钾混合后压成均匀完整的薄片，在400～4 000 cm-1范围内记录玉米秸秆粉、玉米秸秆纤维素及羧甲基纤维素的光谱变化。扫描次数40次，分辨率为8.0 cm-1。

1.4.4 热重分析(TGA)

使用同步热分析仪，对玉米秸秆粉、玉米秸秆纤维素及羧甲基纤维素在0～800 ℃范围内进行热重分析，升温速率为10 ℃/min，使用氮气作为保护气体，氮气流速为30 mL/min。

1.4.5 数据统计与分析

所有实验均重复3次并取平均值，利用Excel 2019软件进行数据统计，Origin 2019进行作图，Design-Expert 8进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆纤维素的提取

按照本研究方法提取得到的玉米秸秆纤维素的提取率为93.96%。

2.2 单因素实验

2.2.1 MCA添加量对CMC取代度的影响

不同MCA添加量对羧甲基纤维素取代度的影响如图1所示。羧甲基纤维素的取代度随着MCA的增多而先增大后减小，MCA量过少醚化反应不充分，随着MCA添加量的增加，分子利用率提高，醚化程度增加，取代度增大，在质量分数为8.6%时取代度达到最高。MCA量继续增加会因过度酸化使碱性环境被破坏，反应环境偏酸，副反应增多致使取代度下降[12]。

2.2.2 反应时间对CMC取代度的影响

不同反应时间对羧甲基纤维素取代度的影响如图1所示。醚化反应需要时间，所以羧甲基纤维素的取代度随着反应时间的增加而增大，在反应时间为1.5 h时取代度达到最高。随着时间的延长，副反应增多，使得羧甲基纤维素分子发生断裂，醚化效率降低，取代度下降[13]。

2.2.3 反应温度对CMC取代度的影响

不同反应温度对羧甲基纤维素取代度的影响如图1所示，羧甲基纤维素的取代度随着反应温度的增加而先增大后减小，在反应温度为65 ℃时取代度达到最高。这是因为反应温度的升高使得分子运动加速，能够使纤维素与MCA充分接触，推动了醚化反应的进程，但如果反应温度过高，羧甲基纤维素分子基团被破坏，同时副反应加剧，导致取代度下降[14]。

图1 不同反应因素对CMC取代度的影响

2.3 响应面分析实验

2.3.1 回归方程的建立及显著性检验

表2 响应曲面实验设计及其结果

表3 玉米秸秆纤维素提取工艺的回归分析

2.3.2 响应面分析

用Design-Expert 8软件对二次回归方程进行分析，响应曲面的变化情况、等高线形状和稀疏程度可以直观地反映出MCA添加量(A)、反应时间(B)、反应温度(C)3个因素之间两两交互作用对羧甲基纤维素取代度的影响。通过响应面分析可知，反应温度与MCA添加量的交互作用对羧甲基纤维素取代度的影响最显著；其次是反应温度和反应时间的交互作用对羧甲基纤维素取代度的影响；反应时间和MCA添加量的交互作用对羧甲基纤维素取代度的影响较小，因此，羧甲基纤维素取代度影响因素的影响效果从大到小为反应温度、MCA添加量、反应时间。

2.3.3 提取工艺条件的确定及验证性实验

使用Design-Expert 8软件进行优化设计得出的最佳处理条件为： MCA质量分数为8.9%、反应时间1.39 h、反应温度63.27 ℃，在此条件下羧甲基纤维素取代度为1.079。考虑实际操作时的局限性，调整MCA添加量为8.9%、反应时间1.5 h、反应温度63 ℃。为验证该条件的可靠性，在此条件下进行3次平行实验，得到的取代度平均值为1.071，与预测值基本相符合，因此该模型准确可靠，切实可行，且具有使用价值。

2.4 羧甲基纤维素的结构表征

2.4.1 X-射线衍射分析(XRD)

玉米秸秆、玉米秸秆纤维素及羧甲基纤维素的XRD谱图如图2所示，玉米秸秆在21.85°处出现强衍射峰，弱衍射峰出现在15.05°及34.88°处。玉米秸秆纤维素的强衍射峰出现在22.01°，弱衍射峰出现在15.54°及34.80°处，与玉米秸秆峰位基本相似，但主峰强度增加，说明经处理后的纤维素结晶度增大。羧甲基纤维素的衍射曲线与玉米秸秆和玉米秸秆纤维素相比峰位置基本没有变化，衍射峰出现在20.85°处，峰变宽变弱，这是由于碱化与醚化破坏了纤维素的结晶结构[15]，羧甲基基团的介入使其结晶度较低，无明显的特征衍射峰。

图2 玉米秸秆(a)、玉米秸秆纤维素(b)、 羧甲基纤维素(c)的 XRD 谱图

2.4.2 扫描电镜分析(SEM)

图3为玉米秸秆、玉米秸秆纤维素及羧甲基纤维素的扫描电镜图，玉米秸秆的表面非常光滑平整，并伴有少量白色小颗粒，可能是由玉米秸秆表面存在少量二氧化硅所致[16]。去除半纤维素及木质素后玉米秸秆纤维素的微观形貌如图3b所示，与玉米秸秆相比，玉米秸秆纤维素表面存在许多沟壑，这是因为玉米秸秆经过处理脱去木质素和半纤维素后，其表面致密结构发生一定的解聚[17]，略微卷曲。羧甲基纤维素的微观形貌与纤维素相比，碱化和醚化后纤维素的层间结合力减弱，更加松散。因此羧甲基纤维素表面积增大，有利于其溶于水。

图3 玉米秸秆、玉米秸秆纤维素、羧甲基纤维素的扫描电镜图

2.4.3 红外光谱分析(FTIR)

图4 玉米秸秆(a)、玉米秸秆纤维素(b) 与羧甲基纤维素(c)的红外光谱图

2.4.4 热重分析(TG)

由图5中的a、b曲线可知，在温度从0 ℃升高至100 ℃时玉米秸秆与玉米秸秆纤维素的质量变化缓慢，二者仅发生了微小质量损失，是水分蒸发所致。玉米秸秆起始热降解温度为165 ℃，主热解结束温度为358 ℃，在此范围内玉米秸秆热分解速率加快，质量损失较严重，在358 ℃后失重趋势再次平缓，800 ℃时样品残余量为10.8%。而玉米秸秆纤维素起始热降解温度为266 ℃，主热解结束温度为377 ℃，在此范围内玉米秸秆纤维素热分解速率加快，质量损失较严重，在377 ℃后失重趋势再次平缓，800 ℃时样品残余量为11.3%。玉米秸秆脱去半纤维素与木质素后得到的纤维素结晶度增大，刚性结构更加明显，因此热稳定性有所提高。羧甲基纤维素的起始热降解温度为238 ℃，主热解结束温度315 ℃，800 ℃时样品中不含碳灰分和含钠化合物残余量为51.5%。纤维素经碱化和醚化后晶体结构被破坏，结构疏松，热稳定性变差，但其残留量较高，可能是因为含有Na+。

图5 玉米秸秆(a)、玉米秸秆纤维素(b)、 羧甲基纤维素(c)的TG曲线

3 结论

以玉米秸秆为原材料，提取纤维素后在氯乙酸质量分数8.9%、反应时间1.5 h、反应温度63 ℃的条件下制备了取代度为1.071的高取代度的羧甲基纤维素。提取的纤维素的结构与原料中一致，没有遭到破坏，但去除木质素和半纤维素后，结晶度提高；纤维素经碱化和醚化后得到的羧甲基纤维素是表面凹凸不平的棒状结构，羧甲基基团成功引入，破坏了纤维素的晶体结构，表面疏松，热分解温度降低，便于羧甲基纤维素的水解应用。