响应曲面优化低共熔溶剂预处理麦秸秆制备含木质素纳米纤维素

李相红 陈 旭 李亚茹 徐文彪 时君友 李翔宇

（北华大学吉林省木质材料科学与工程重点实验室，吉林省 吉林市 132013）

由于化石燃料所带来的环境问题，及其自身的不可再生性,可持续和环境友好的生物质基复合材料需求量逐年提高[1]。生物质基复合材料是以生物降解聚合物和天然填料为原料制成的。研究表明，在复合材料中嵌入纤维可有效增强复合材料的性能[2-6]。作为天然材料，纳米纤维素晶（Cellulose Nanocrystals，CNC）具有资源丰富、重量轻、比表面积大、强度高等优点，可以从农林废弃物中提取获得。麦秸秆（Wheat Straw，WS）作为农作物废弃物，在全球范围内分布广泛，年产量达5.29 亿t[7]。我国约有 2.33×1011m2的麦种植面积，每年的麦秸秆产量高达 1.5×108t[8]，但其利用率很低。

纳米纤维素晶获取过程十分复杂。纤维素类材料由于其复杂的纤维结构及分子间和分子内氢键，在水中和各有机溶剂中的溶解度低，难以分离出木质素、半纤维素和原纤维化纤维素。具有高结晶度的纳米纤维素可通过原纤维化纤维素中无定形区域的水解来转化。目前，制备纳米纤维素的方法包括化学预处理、机械预处理和酶促预处理。但是，化学预处理会导致严重的环境污染、机器腐蚀和高水消耗。机械处理能耗高，产品均一差，稳定性差，CNC颗粒容易聚集。酶处理不会消耗太多能量，但需要很长时间。因此，科学家正在探索一种高效、环保的纤维素纳米纤丝（Cellulose Nanofibrils，CNF）和CNC的制备方法[9-10]。低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent，DES）是一类相对较新的化学物质，可用作溶剂、催化剂和试剂[11]。DES通常由氢键供体（Hydrogen Bond Donors，HBD）和氢键受体（Hydrogen Bond Acceptors，HBA）共晶混合物形成，其来源广泛、成本低、易于合成、无需净化、低毒甚至无毒，具有良好的生物相容性和生物降解性[12]。DES可以选择性地溶解木质素和半纤维素，降低木质纤维素中的木质素和半纤维素的含量[13-14]。肖竹钱等[15]利用酸性DES高效分离竹木质纤维素的“三大素”（纤维素、木质素、半纤维素），提高了竹资源的高值化利用。目前，DES通常用于漂白的纸浆或低木质素含量原料的预处理，但针对含有木质素的纳米纤维素的研究较少。木质素在木质纤维生物质中的含量较高，而在CNC的制备过程中，分离出的木质素并未得到很好的利用。Huang等[16]从西部红杉树皮薄壁细胞和纤维细胞中分离出富含木质素的纳米纤维（Lignincontaining Cellulose Nanofibrils，LCNF），不仅减少了化学试剂的用量和能量消耗，还提高了原料的利用率，降低了成本。

本研究以麦秸秆为原料，以二水合草酸（OA）和氯化胆碱（ChCl）制备的DES为预处理溶剂，用以去除麦秸秆中的半纤维素和部分木质素，随后利用超声破碎分散的方式制备麦秸秆基的含木质素纳米纤维素。为探究DES预处理麦秸秆的最优工艺参数，拟采用Box-Behnken响应面法设计试验[17-18]，建立预处理温度、预处理时间、体系组分摩尔比的预处理工艺参数模型[19]，并以此预测最优预处理工艺。在此基础上，采用粒径分析、FT-IR、XRD、TGA等手段对制备的LCNC的粒径、化学组成、晶型、结晶度、热稳定性等进行表征，以期为麦秸杆的高附加值利用提供一种经济环保的新方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

麦秸秆，其组分含量分别为：纤维素29.7%，半纤维素40.6%，木质素19.2%，灰分及其他成分12.3%，产自江苏省连云港市。麦秸秆经干燥、粉碎、球磨后，用体积比为2∶1的苯-乙醇溶液在索氏提取器中抽提6 h 得到脱脂的麦秸秆粉，并在60 ℃条件下烘干备用。草酸二水合物（OA ，分析纯）、氯化胆碱（ChCl ，98.0%）、丙酮购自上海麦克林生化科技有限公司。去离子水和酸性洗涤剂（2 wt%十二烷基硫酸钠）为实验室自制。

1.2 试验设备

粉碎机，YB-2000，浙江永康市速锋工贸有限公司。球磨机，PM100，弗尔德（上海）仪器设备有限公司。离心机，LC-LX-HR185C，上海力辰仪器科技有限公司。电热恒温油浴锅，HH-S ，深圳市鼎鑫宜实验设备有限公司。电热恒温水浴锅，HH-2，国华电器有限公司。冷冻干燥机，FD-1A-50，上海左乐仪器有限公司。电动搅拌机，GZ-120，上海垒固仪器有限公司。超声波细胞破碎机，SCIENTZ-ⅡD，宁波新芝生物科技股份有限公司。傅里叶变换红外光谱仪，WQF-510A，德国布鲁克公司。粒度仪，ZEN3600，英国Malvern公司。X射线衍射仪，X’Pert PRO MPD ，荷兰帕纳科公司。热重分析仪，TG-209F3，耐驰科学仪器商贸有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 DES合成与麦秸秆预处理

为探究以ChCl/OA为低共熔体系预处理麦秸秆制备纳米纤维素的最佳工艺，选取预处理温度、预处理时间、ClCh/OA的摩尔比为自变量，预处理后产物的纤维素含量为响应值，采用Box-Behnken模型设计了三因素三水平的响应面分析，具体如表1所示。

表1 响应面法分析试验的因素与水平Tab.1 Response surface methodology to analyze the factors and levels of the experiment

将氯化胆碱、草酸分别按摩尔比2∶1、1∶1、1.5∶1加入到50 mL的烧瓶中混合，水浴中加热至80 ℃，并进行磁力搅拌，转速为300 r/min，直到形成透明澄清的液体。将处理过的1 g麦秸秆加入DES中，保持固液比约为1∶12 ，在表2中条件下进行磁力搅拌，转速为600 r/min。反应结束后，将混合物在室温下冷却20 min，并向烧瓶中加入15 mL的丙酮和去离水的混合溶液（体积比7∶3）以终止反应。静置30 min后，以5 000 r/min的转速离心5 min，分离固体剩余物(Solid Residue,SR)和滤液，并用去离子水洗涤固体剩余物3～5次，直到洗涤液透明，pH值为中性。将洗涤后的固体剩余物冷冻12 h，并在-50 ℃的冷冻干燥机中冷冻干燥，随后称重。在4 ℃条件下保存备用。

表2 响应面分析的试验设计和试验结果Tab.2 Experimental design and experimental results of response surface analysis

1.3.2 含木质素纳米纤维素制备

取一定质量的固体剩余物，将其用去离子水稀释至1 wt%～1.5 wt%的浓度，随后以500 r/min的速度分散10 min。最后，使用超声波破碎器处理约30 min[20]，输出功率为500 W、频率为20 kHz，振幅为20%，即可得到LCNC，并于4 ℃的冰箱中保存备用。

1.3.3 线性回归模型探索

该体系下麦秸秆的预处理效果以固体剩余物质量、固体剩余物纤维素的含量进行评价，即固体剩余物的纤维素相对含量最高者为最优预处理工艺。拟合预处理效果线性回归模型，探讨自变量对预处理效果（固体剩余物纤维素相对含量：R1）的影响，如公式（1）所示。使用Design-Expert 13软件分析数据，用二次或三次方程拟合试验结果，避免混叠项。将不显著的回归系数（p< 0.05）从方程中剔除，直至所有系数均显著。

式中：SR为固体剩余的质量，g；SC为固体剩余物纤维素的质量，g。

1.3.4 固体产物成分测定

采用范氏洗涤法纤维素分析法分析固体剩余物的化学成分[21]。利用酸性洗涤纤维（ADF）、酸性洗涤木质素（AWL）对三大素的含量进行检测。具体如下：取样品1.0 g，加入100 mL酸性洗涤剂（2%十六烷三甲基溴化铵的1 M硫酸溶液）和正辛醇（用作消泡剂），将烧杯套上冷凝装置于电炉上，在5～10 min内煮沸，并持续保持微沸60 min，去除半纤维素，干燥称重m1，损失的质量1-m1即是半纤维素的质量。得到的固体为ADF，加入100 mL 72%的硫酸充分消化3 h，分解掉纤维素，剩余的即为酸性洗涤木质素（AWL）和酸不溶灰分（AIA），质量为m2。最后将AIA在马弗炉中以550 ℃的温度灼烧2 h，使木质素充分分解，剩下的即为灰分，质量为m3。

1.3.5 粒径测试

将LCNC悬浮液稀释至0.05 wt%，在输出功率为200 W的超声清洗器中分散10 min。然后，用粒度仪测定LCNC的粒径。测试条件为：温度25 ℃，散射角173°，平衡时间2 min，每个样品重复测3次。

1.3.6 傅里叶红外光谱表征

采用溴化钾压片法制样，通过傅里叶红外光谱仪对纤维素样品进行红外表征测试（FT-IR），观察各组LCNC的化学结构。扫描范围为4 000～400 cm-1，每个样品扫描32次。

1.3.7 X射线衍射表征

使用X射线衍射仪（XRD）测量麦秸秆、固体剩余物和冻干后LCNC样品的X射线衍射图谱。扫描速度为4°/min。使用Segal法计算结晶度指数（CrI），如公式（2）所示。

式中：CrI为相对结晶度，%；I002为结晶区域2θ=22.5°衍射峰值强度最大值；Iam为非结晶区域2θ=18°衍射峰值强度最小值。

1.3.8 热重表征

将3 mg样品置于铝坩埚中，利用热重分析仪（TGA）分析麦秸秆和LCNC的热降解行为。测试条件为：N2氛围，流速20 mL/min，升温速率20 ℃/min，测试温度30～600 ℃。

2 结果与分析

2.1 响应面试验结果分析

根据Box-Behnken模型和表1各因素水平，设计了15组试验。其中，12组为分析试验，3组为中心试验，用于试验误差的估计。响应曲面的试验设计和试验结果如表2所示。

2.2 预处理工艺优化

2.2.1 模型方差分析

采用ChCl/OA体系的DES预处理麦秸秆，当预处理温度为90 ℃、预处理时间为6 h、ChCl/OA的摩尔比为1∶1时，纤维素的相对含量最高。在预处理温度为100 ℃、预处理时间为8 h、ChCl/OA的摩尔比为1∶1时，纤维素的相对含量最低。回归分析表明，二阶模型充分代表了试验数据，使ChCl/OA体系的低共熔溶剂预处理麦秸秆可以表示为纤维素相对含量（R1）对预处理温度、预处理时间、ChCl/OA的摩尔比的二次多元回归方程：

经过计算，ChCl/OA体系模型的可解释方差为49.57%。回归模型方差分析结果如表3所示。ANONA分析响应面的回归参数，回归方程中各变量对响应值（纤维素的相对含量）的影响显著程度较高。此模型P<0.01，即响应面回归模型达到极显著水平；失拟项P>0.05，达到不显著水平，其校正决定系数R2= 0.997 9，表明该模型的拟合程度较好。因此，该回归方程的模型成立。同时证明优化预处理麦秸秆工艺的效果显著。

表3 回归方程方差分析Tab.3 Analysis of variance of regression equations

2.2.2 响应面法结果分析

图1为ChCl/OA体系的低共熔溶剂对麦秸秆预处理的不同工艺条件下优化的响应面影响示意图。由图1a可见，当预处理温度一定时，预处理时间对纤维素含量R1的影响符合二次函数形态，纤维素含量R1随着预处理时间的增加呈现先增加后降低的趋势，说明长时间的预处理过程会使一部分的纤维素被降解。由图2b可见，ChCl/OA的摩尔比对纤维素相对含量的影响也较大，随着ChCl/OA的摩尔比的增大，纤维素含量先增加后降低。当ChCl/OA的摩尔比为1∶1时，纤维素含量达到最大，说明该体系可为木质素和半纤维素的脱除提供最优的氢键体系和酸性条件。随着木质素和半纤维素的脱除，纤维素的含量R1不断提高。然而，当ChCl含量过多时，降低了DES体系中草酸的相对含量，继而影响了预处理效果。由图1a和b可知，预处理温度、预处理时间、ChCl/OA的摩尔比、预处理温度的交互项显著，曲线比较陡峭，证实了交互项对纤维素的含量影响较大。这是因为在预处理过程中，较高的草酸含量和较高的温度可以促进麦秸秆的降解，但是高温和酸主导的降解反应会使纤维素降解加剧。如图1c所示，ChCl/OA的摩尔比、预处理时间的交互项不是十分显著，对纤维素含量R1的影响一般。通过分析模型可知，麦秸秆的最佳处理工艺条件为：预处理温度（A）为94.4 ℃，预处理时间（B）为5.9 h，ChCl/OA的摩尔比值为0.9。在此工艺条件下，预处理的效率较高，且能降低能耗和化学试剂的使用量。

图1 不同因素对纤维素相对含量的响应面结果影响示意图Fig.1 Schematic representation of the effect of different factors on the response surface results of cellulose content

图2 不同预处理条件下麦秸秆化学组成的分析Fig.2 Analysis of chemical composition of wheat straw under different pretreatment conditions

2.2.3 验证性试验

为了简化验证试验，将最佳的工艺调整为预处理温度（A）为94 ℃、预处理时间（B）为5.9 h、ChCl/OA的摩尔比值（C）为1，进行3次验证性试验，得到的纤维素相对含量R1分别为46.8% 、47.2% 和44% ，平均值为46%，与回归方程预测的47.6%相差1.6%，表明重复率较好。因此，可采用响应面法优化麦秸秆的预处理工艺。

2.3 优化工艺对LCNC的影响

2.3.1 DES预处理后对麦秸秆化学组成的影响

通过响应面优化DES预处理工艺制备得到的LCNC的化学组成和表面化学性质分别如图2和图3所示。由图可知，未处理麦秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素含量分别为29.7%、40.6% 和19.2%。在优化的DES预处理工艺条件下，得到的LCNC中的纤维素相对含量从29.7%提高到了46%，半纤维素含量从40.6%降至25.4%，木质素含量降至14.2%。由此可见，基于响应面法优化的ChCl/OA预处理工艺可以有效破坏木质素-碳水化合物复合体（Lignin-Carbohydrate Complex，LCC）[22]，ChCl/OA体系中形成的强氢键与半纤维素和木质素分子作用，加速了半纤维素和木质素的溶解，从而提高了固体剩余物中纤维素的含量[23]。 图3中的红外光谱进一步揭示了ChCl/OA预处理前后麦秸秆化学结构的变化1 732 cm-1处的C== O伸缩振动峰来自于非共轭的酮、酸、酯基团，与未处理的麦秸秆相比较，预处理后的固体剩余物和LCNC在该位置的吸收峰明显减弱，表明预处理后木质素和半纤维素的酯键被切断，半纤维素的乙酰基被去除[24]。1 510 cm-1处的芳香骨架振动峰减弱，表明部分木质素被去除。1 249 cm-1处的C--O伸缩振动峰几乎消失，说明苯环甲氧基中的醚键被大量切断[25]。麦秸秆、固体剩余物和LCNC在1 315 cm-1处的C-- H 弯曲振动峰几乎不变，说明预处理前后麦秸中的结晶纤维素结构没有变化[26]。综上可知，ChCl/OA预处理麦秸秆后，其中的半纤维素和木质素被大量去除，纤维素得以保留，且预处理后纤维素的化学结构未改变。

图3 麦秸秆（WR）、固体剩余物（SR）和含木质素的纳米纤维素（LCNC）的红外光谱Fig.3 Infrared spectra of wheat straw(WR), solid residue(SR), and lignin-containing cellulose nanocellulose(LCNC)

2.3.2 LCNC的尺寸和形貌分析

从图4中可以看出，经过48 h的静置后，未经预处理麦秸秆制备的LCNC发生了严重的聚沉现象，而经过ChCl/OA预处理制备的LCNC悬浮液呈均匀的分散状态，并且0.25 wt%的LCNC分散状态最好，说明LCNC悬浮液的浓度越低，其分散效果越好。如图5所示，LCNC的粒径主要分布在28 nm，说明ChCl/OA预处理可以分离出粒径较小的LCNC。

图4 LCNC静置48 h前后的图片Fig.4 Pictures of LCNC before and after 48 h of resting

图5 LCNC的粒径分布图Fig.5 Particle size distribution of LCNC

2.3.3 LCNC的晶体结构和热稳定性分析

为研究ChCl/OA预处理对纤维素晶体结构的影响[27]，使用XRD检测经过预处理的麦秸秆、固体剩余物和LCNC的晶体结构，并计算其结晶度，结果如图6所示。在样品中，2θ值接近于16°和22°的位置显示出纤维素I型结构中（110）和（200）晶面的特征峰，表明经过预处理后的固体剩余物、分离出的LCNC和天然纤维素具有相同的结构[28]。经过预处理后，固体剩余物和LCNC的结晶度分别增至24%和21%，这是由于预处理过程中无定型区域减少所致[29]。然而，超声破碎后制备的LCNC结晶度下降，这是由于超声破碎的过程会大量崩解纤维素的结晶区。影响结晶度的因素主要有两个：一是纤维素致密结构的氢键网络，经过ChCl/OA预处理后，氢键网络遭到破坏，使结晶度降低；二是麦秸秆中的木质素-碳水化合物复合体等无定型结构被破坏和去除，使结晶度增加[30]。然而，最终的结晶度增加，表明经ChCl/OA预处理后，对麦秸秆中的木质素-碳水化合物复合体结构去除能力优于对纤维素的溶胀和溶解能力[31]。热稳定性可以进一步体现LCNC的特性，尤其在LCNC的高温加工应用中，其热稳定性尤为重要。麦秸秆和LCNC的热重曲线（TG）和微商热重曲线（DTG）分别如图7a和7b所示。从7a图中可以看出，所有样品的热分解分为3个阶段，即初始分解温度（94～220 ℃）、主要分解（220～350 ℃）和碳化阶段（350～650 ℃），200 ℃以下的质量损失由样品的残余水分蒸发所致。从DTG曲线可知，麦秸秆的最大分解温度为325 ℃，而LCNC的最大热分解温度为335 ℃，表明经过ChCl/OA预处理后，LCNC的热稳定性有所提高，这主要归因于半纤维素和无定型纤维素的降解，导致结晶度提高[32]。此外，纤维表面被热稳定性更好的木质素覆盖，形成了保护层，从而提高了其热稳定性。

图6 麦秸秆（WR）、固体剩余物（SR）、含木质素的纳米纤维素（LCNC）样品的XRD谱图及结晶度指数 (CrI)Fig.6 PXRD spectra and crystallinity index (CrI) of wheat straw (WR), solid residue (SR), and lignin-containing cellulose nanocellulose (LCNC) samples

图7 WR和LCNC的TGA 和DTG 曲线Fig.7 TGA and DTG curves of WR and LCNC

3 结论

以麦秸秆为原料，以绿色的DES（ChCl/OA）为预处理溶剂，成功制备了含木质素的纳米纤维素（LCNC），并用响应面法优化预处理工艺，优化后的预处理工艺：预处理温度（A）为94.4 ℃，预处理时间（B）为5.9 h，ChCl/OA的摩尔比值（C）为0.9。在此条件下，处理后麦秸秆中的纤维素含量提高到46%，半纤维素和木质素分别降至25.4%和14.2%。制备的LCNC在保留部分木质素同时，其纤维素的化学结构未受到影响。LCNC的粒径主要分布在28 nm左右，其悬浮液具有良好的分散性、稳定性，LCNC具有较高的热稳定性。

综上所述，通过响应面法优化麦秸秆预处理工艺，不仅为制备具有优异性能的LCNC提供了最佳的条件，而且减少了预处理过程中能源和化学试剂的消耗，节约了成本，为制备含木质素的纳米纤维素提供了新思路，有利于促进农业废弃物的高附加值利用。