甘蔗渣纤维素纳米纤维的制备与表征

张玉梅，周伟，邹颖，付调坤，胡小军，曹玉坡，李积华2，

（1.岭南师范学院食品科学与工程学院,广东湛江 524001；2.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002；3.中国热带农业科学院-农产品加工研究所/农业农村部热带作物产品加工重点实验室,广东湛江 524001）

纤维素是世界上储量最丰富的天然聚合物,被称为“用之不竭的绿色资源”,具有可再生、生物可降解及热稳定等优良特性[1]。纳米纤维素是至少有一维在1～100 nm 范围内的纤维素,包括纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers,CNFs）、纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystals,CNCs）和细菌纤维素（bacterial cellulose,BC）[2]。与其他纳米纤维素相比,CNFs 的制备工艺较为简单,具有高强度、高聚合度和高结晶度等优点[3-4],通常使用高压均质法、球磨法、研磨法等机械生产方法制备,但仅依靠机械力来剪切和分离CNFs 存在能耗大、效率低、成本高等缺点,而且机械磨削过程中产生的瞬时高温也会影响CNFs 的晶体结构[5],因此CNFs的工业化制备仍然存在挑战。

化学预处理是一种辅助分解纤维素的有效方法,对纤维素进行适当处理不仅降低了纤维素纳米纤维制备所需的能量,同时也能在纤维素表面引入功能化结构或官能团。当前,羧基化[6]、磷酸化[7]和磺化[8]已被用于CNFs 制备的化学预处理,其中,羧基化预处理的原理是纤维素结构上的羟基在碱性条件下与醚化剂反应生成纤维素醚。蔗渣纤维素经过羧甲基化可以制得一种重要的醚化产物羧甲基纤维素,常选用氢氧化钠和氯乙酸钠作为碱化剂和醚化剂,该方法绿色环保、成本较低[9]。Im 等[10]研究了羧基化预处理CNFs 的最佳反应条件,发现随着羧基含量的增加,在胶体中生产CNFs 所需的机械处理步骤大幅减少,且由于纤维素之间的静电排斥增加,高羧基含量的CNFs 悬浮液更稳定。因此,羧基化预处理有助于降低CNFs 制备过程中的能耗,增强CNFs 稳定性。然而,目前用于制备羧基化纤维素纳米纤维的原料主要是木材和棉花[11],尚未见到羧基化预处理在甘蔗渣纤维素纳米纤维制备方面的报道。

甘蔗是产于热带和亚热带地区的一种主要农业作物,全球市场上80% 的糖来源于甘蔗,每加工1 000 t甘蔗,就会产生270 t 甘蔗渣[12]。甘蔗渣中纤维素含量为32%～45%,是用于制备CNFs 等绿色纤维素衍生材料的潜在原料[13]。De Oliveira 等[14]采用硫酸水解法从甘蔗渣纤维素中获得了具有较大长径比和结晶度指数的CNCs。De Aguiar 等[15]采用酶解法从甘蔗渣纤维素中提取到具有较高结晶度指数和热稳定性的CNCs。然而,利用甘蔗渣制备CNFs 的研究相对较少。因此,本研究以甘蔗渣为原料提取甘蔗渣纤维素（sugarcane bagasse cellulose,SBC）,采用氢氧化钠和氯乙酸钠作为碱化剂和醚化剂对SBC 进行预处理制备羧基化甘蔗渣纤维素纳米纤维（sugarcane bagasse cellulose nanofibers,SBCNFs）,对SBC 与SBCNFs 的形貌与性质进行表征分析,进一步探究SBCNFs 悬浮液的流变行为,以期为SBCNFs 的制备及应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘蔗渣:广东金海糖业有限公司；氢氧化钠、亚氯酸钠、冰醋酸、1 mol/L 氢氧化钠标准溶液、氯乙酸钠、无水乙醇:西陇科学股份有限公司；以上试剂均为分析纯。

HD-100T 热泵干燥机:中国海达国际有限公司；LC-20A 低温高速离心机:德国Sigma 公司；pHS-3C pH计:上海仪电科学仪器股份有限公司；T18 高速剪切机:德国IKA 公司；DDS-307A 电导率仪:上海仪电科学仪器股份有限公司；Zetasizer Pro 纳米粒度及Zeta电位分析仪:英国马尔文仪器有限公司；Nicolet iN10傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR）:美国赛默飞世尔科技公司；JEM-1000透射电镜（transmission electron microscopy,TEM）:日本电子株式会社；D8 ADVANCE 型X-射线衍射仪（Xray diffraction,XRD）:德国Bruker 公司；同步热重分析仪（thermal gravimetric,TG）、HAAKE MARS 流变仪:美国TA 公司。

1.2 方法

1.2.1 甘蔗渣纤维素的提取

甘蔗渣经水洗去除泥沙等杂质后置于50 ℃热泵干燥机中烘干24 h。使用粉碎机将其粉碎,过50 目筛,收集下层粉末,备用。参照沈小倩等[16]的方法稍作修改制备甘蔗渣纤维素。首先,称取甘蔗渣粉末10 g,加入7.5%亚氯酸钠溶液120 mL,搅拌均匀,用冰醋酸将体系pH 值调节至4.0,然后置于75 ℃水浴搅拌加热2 h,随后过滤收集滤渣,滤渣用去离子水洗涤至中性,置于50 ℃烘箱中烘干,再与120 mL 10% 氢氧化钠溶液混合,室温下搅拌12 h,过滤,滤渣用去离子水洗涤至中性,用95%乙醇洗脱3 次,50 ℃烘干后粉碎,制备得到SBC。

1.2.2 羧基化甘蔗渣纤维素纳米纤维的制备

参照Wang 等[17]的方法并稍作修改制备SBCNFs。首先,用7.7% 氢氧化钠水溶液浸泡SBC,料液比1∶3（g/mL）,反应温度25 ℃,反应时间30 min。随后加入480 mL 无水乙醇和7.4 g 氯乙酸钠,在75 ℃条件下加热搅拌4 h。反应结束后,过滤、洗涤以去除分散液中的游离试剂。然后加入适量去离子水,形成悬浮液,将悬浮液放入高速搅拌器高速剪切机中搅拌剪切10 min,形成透明悬浮液状分散物。最后,将分散液置于12 000 r/min、4 ℃条件下离心30 min,去除上清液,下层悬浮液经冷冻干燥、粉碎得到羧基化SBCNFs 粉末样品。

1.2.3 粒径和电位测定

SBCNFs 的粒径和Zeta 电位使用Zetasizer Pro 纳米粒度及Zeta 电位分析仪测定。将SBCNFs 配制成0.01%～0.5%的分散液,用胶头滴管吸取分散液置于比色皿中进行试验,测定SBCNFs 表面电荷。粒径测定条件:分散介质为水,测量材料的折射率为1.47,色散折射率为1.33,温度为25 ℃。

1.2.4 透射电镜（TEM）表征

将SBCNFs 配制成浓度为0.01% 的分散液,超声处理30 min,取适量样品滴到含有碳涂层的铜网上,静置1 min,然后取10µL 醋酸双氧铀染色剂滴到铜网上,静置染色1 min,将多余的液体用滤纸吸干,并将铜网放置在样品台中自然干燥,使用透射电镜观察样品形貌。

1.2.5 FTIR 与XRD 测试

1）FTIR 测试:分别取10 mg 左右SBC 与SBCNFs于玛瑙研钵中,加入1 g 溴化钾（KBr）粉末,研磨30 min,使样品与KBr 混合均匀,用压片机将其压制成透明的薄片,使用傅里叶变换红外光谱仪检测样品,波长范围在4 000～500 cm-1,分析比较SBC 与SBCNFs化学基团的变化。

2）XRD 测试:将待测试样置于40 ℃真空干燥箱中干燥4 h 后测试,试验条件为电压40 kV、入射电流150 mA,Cu-Ka 辐射源（λ=1.541 8 Å）、衍射角范围5°～60°,扫描速度为1 π/min。由Segal 经验公式计算结晶度（J,%）。

J=（I002-Iam）/I002× 100

式中:I002为纤维素晶面（2θ=22.5°）的衍射强度,代表结晶区强度；Iam为无定形区（2θ=18°）的衍射强度,代表非结晶区强度。

1.2.6 羧基含量测定

称取适量试样,配制成浓度为0.05%的悬浮液,超声处理30 min,使SBCNFs 均匀分散。用0.1 mol/L 盐酸标准溶液调节悬浮液pH 值至2.0,然后放入电导率仪。用碱式滴定管滴加0.2 mol/L NaOH 标准溶液,每次滴加200µL,记录NaOH 标准溶液加入量及其对应的电导率值。将所得数据经过分段直线拟合,求得拟合直线在拐点处的交点,即可得到初始平衡体积V1（µL）和终点平衡体积V2（µL）,（V2-V1）即为试样中羧基消耗的NaOH 溶液的体积,由此计算羧基含量（S）。

式中:CNaOH为氢氧化钠的摩尔浓度,mol/L；m为SBCNFs 样品质量,g。

1.2.7 热重分析

准确称取10 mg 干燥的SBCNFs,利用同步热重分析仪对其进行热重（thermogravimetric,TG）分析,记录样品的TG 曲线。设置温度范围为30～500 ℃,升温速率为10 ℃/min,在氮气氛围下进行测定。

1.2.8 流变学分析

参考Fourati 等[18]的方法稍作修改,采用流变仪进行流变测试,选用60 mm 平板,样品与转子间距1 mm,测试温度25 ℃。黏度测试:剪切速率范围0.1～1 000 s-1；动态测试分为应变扫描和频率扫描,应变扫描条件为在10 rad/s 下,应变范围0.1%～100%；动态频率扫描条件为应变为5%（根据应变扫描结果,确保所有样品的测试均在线性黏弹区域内）,扫描频率范围0.1～100 rad/s。为探究SBCNFs 浓度对悬浮液流变行为的影响,配制浓度为0.6%、0.8%、1.0%、1.2% 的SBCNFs 悬浮液。

1.3 数据处理与分析

各组试验重复3 次,采用统计学分析软件SPSS 18.0 进行差异显著性分析（P<0.05）,Origin 2021 软件进行作图处理。

2 结果与分析

2.1 粒径和电位分析

不同浓度SBCNFs 悬浮液的粒径分布与Zeta 电位见图1。

图1 不同SBCNFs 悬浮液浓度对粒径和电位的影响Fig.1 Effect of different SBCNFs suspension concentration on particle size and potential

由图1（a）可知,所有样品的粒径分布均有2 个峰值,主峰在500～2 000 nm,随SBCNFs 浓度的增加,纤维之间相互缠绕,主峰位峰面积逐渐增大。Zeta 电位是衡量胶体悬浮液稳定性的指标之一,通常认为Zeta电位绝对值大于35 时体系较为稳定,Zeta 电位的绝对值越大,体系中静电斥力越大,体系越稳定[19]。由图1（b）可知,所有样品的Zeta 电位均为负值,这是因为其表面的羟基和羧酸基团带有负电荷。当浓度为0.10%时,Zeta 电位绝对值为57.17 mV,显著高于浓度为0.05% 时Zeta 电位绝对值（P<0.05）,体系较为稳定。这是由于SBCNFs 浓度的增加,体系中带有负电荷的羟基和羧基含量增大。当SBCNFs 浓度大于0.10%时,Zeta 电位绝对值随浓度增大而增大,但是增加幅度较小,这可能是体系中电荷浓度增加导致SBCNFs 表面电荷屏蔽引起的。

2.2 TEM 表征

图2 是SBCNFs 的透射电镜图及直径分布。

图2 SBCNFs 的TEM 图与长度和宽度分布Fig.2 TEM map of SBCNFs with length and width distribution

由图2（a）可以观察到3 根形貌清晰的SBCNFs,呈纤丝状,图2（b）是集聚状态的SBCNFs,由图可以观察到SBCNFs 相互缠绕,呈网状结构。对图2（a）和图2（b）中SBCNFs 的长度和宽度进行统计,结果表明,SBCNFs 的宽度范围在3～10 nm,长度为微米级别,范围主要集中在1 000～2 000 nm,最大长径比为1∶200。Song 等[19]使用两步碱氧化法将废弃苷蔗渣转化成宽度为5～10 nm,平均长度为350 nm 的纤维素纳米纤维,该纤维形貌表现出与SBCNFs 类似的纤丝状,纤维宽度范围比较接近,但是其长度较小,最大长径比约为1∶70。因此,与“两步碱氧化法”制备的甘蔗渣纤维素纳米纤维相比,羧基化预处理制备SBCNFs 形貌符合甘蔗渣纤维素纳米纤维的特征,且具有更大的长径比。

2.3 SBC 与SBCNFs 的红外光谱与SBCNFs 羧基含量分析

SBC 与SBCNFs 的红外光谱结果见图3。

图3 SBC 和SBNCFs 的FITRFig.3 FTIR spectra of sugarcane bagasse cellulose（SBC）and SBCNFs

由图3 可知,3 447 cm-1附近的大波段包含C—H拉伸振动和来自水的O—H 拉伸振动。2 918 cm-1处的两个较强的宽峰是由羟基氢键和对称C—H 振动带引起的。在1 018 cm-1处的峰是糖单位之间的β-糖苷键振动引起的,由此表明,形成纤维素链的糖残基是通过β-形式键连接的[20]。SBC 与SBCNFs—COO-Na+在1 630 cm-1处均有强吸收峰,这个峰值可能是由于其中—COO-Na+的伸缩振动产生的,SBC 的—COO-Na+是使用碱性亚氯酸钠漂白甘蔗渣过程中由羟基氧化而来[21]。与SBC 相比,SBCNFs 的—COO-Na+峰强度更大,说明有更多的—COO-Na+生成,羧基化反应成功。样品酸化后,在1 630 cm-1处的吸收峰消失转移至1 742 cm-1,这是由—COOH 振动产生的[22],说明羧酸根在SBCNFs 中以羧酸盐的形式存在。SBC 和SBCNFs在1 018～500 cm-1的吸收峰通常被认为是纤维素I 结构,表明经过羧基化预处理后,纤维素的结构没有被改变[23]。

SBCNFs 的羧基含量决定SBCNFs 机械处理的难易程度及在水相中的稳定性,较高的羧基含量可减少制备过程中所需的机械能,并增加纤维的纵横比[13]。通过氢氧化钠标准溶液滴定法测定羧基含量。图4 是SBCNFs 悬浮液电导率值随氢氧化钠标准溶液滴加量变化的曲线。

图4 SBCNFs 悬浮液的电导率滴定曲线Fig.4 Conductivity of SBCNFs suspension

根据图4 计算得到SBCNFs 表面羧基含量为2.16 mmol/g。四甲基哌啶氧化法（2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl,TEMPO）制备的五节芒CNFs 与棉花CNFs 羧基含量分别为1.98 mmol/g 和1.09 mmol/g[23-24],羧基含量低于SBCNFs,这归因于TEMPO 氧化对CNFs 表面C-6 位的伯羟基的选择性地氧化。

2.4 SBC 与SBCNFs 的XRD 分析

结晶度是影响纤维素强度及力学性能的主要因素,图5 为SBC 与SBCNFs 的XRD 谱图。

图5 SBC 和SBNCFs 的XRD 图Fig.5 XRD of SBC and SBCNFs

由图5 可知,SBC 在16.3°、22.8°和34.9°出现纤维素I 型结晶结构的2θ特征峰[19]；SBCNFs 在22.8°和34.9°处的特征峰与SBC 相同,而在16.3°处的特征峰消失,原因可能是经羧基化处理后纤维素纳米纤丝内部晶体结构被破坏[7],但仍保留纤维素的特征结构。通过Segal 公式计算得SBC 与SBCNFs 的结晶度指数分别为32.62% 和71.37%,与SBC 相比,SBCNFs 结晶度指数增加了约2 倍,这可能是由于羧基化处理和高压均质对纤维素的非晶态区域的破坏以及纤维素无定形区和结晶区溶胀[25]。

2.5 SBC 与SBCNFs 的TG 分析

TG 曲线反映的是样品在升温过程中的失重速率变化状况,图6 为SBC 和SBCNFs 的TG 图。

图6 SBC 和SBNCFs 的TG 图Fig.6 TG of SBC and SBCNFs

由图6 可知,SBC 和SBCNFs 均经历了3 个主要的降解步骤,第一阶段:温度低于200 ℃时,SBC 与SBCNFs 的样品损失的质量分数均为5%,该变化可能是由于样品中吸附水或结合水的气化去除造成的[26]。第二阶段:SBCNFs 在200～350 ℃时存在较大的质量损失,SBC 在200～310 ℃存在较大的质量损失,这归因于纤维素材料自身的热解,包括大分子链的解聚、脱水、重复单元的分解、氧化以及烧焦的残留物转化为气态低分子等过程[27]。在相同的温度下,SBC 损失的质量分数高于SBCNFs,与SBCNFs 相比,SBC 快速降解的终点温度更低,说明SBCNFs 热稳定性优于SBC,这可能是由于羧酸基团的存在影响了SBCNFs 的热降解过程[28]。Lichtenstein 等[29]研究比较了TEMPO 氧化前后针叶木浆及以其为原料制备的CNFs 和TEMPO 氧化的CNFs 的热降解行为,结果表明—COOH 基团和—COO-Na+基团分别使CNF 的热稳定性提高了14% 和27%。第三阶段:SBC 的偏移温度是350 ℃到550 ℃,SBCNFs 的偏移温度是300 ℃到450 ℃,SBC 到达降解平衡的温度比SBCNFs 到达降解平衡的温度高出约100 ℃,说明在高温条件下,SBC 比SBCNFs 比更易降解,这可能是因为纳米纤维具有增强的热性能,使其更不容易降解[6]。

2.6 不同浓度SBCNFs 悬浮液的流变学分析

基于CNFs 独特的流变学特性及纳米效应,其常作为添加剂（如增稠剂、稳定剂等）添加到食品中以改善食品功能特性。因此,探究不同浓度SBCNFs 流变学性能有助于其在食品工业中的应用。图7 是不同浓度SBCNFs 悬浮液的表观黏度与剪切速率的关系。

图7 SBCNFs 的剪切速率-黏度变化曲线Fig.7 Viscosity-shearing rate curves of SBCNFs suspensions

由图7 可知,在剪切速率10～1 000 s-1时,SBCNFs悬浮液的黏度均随剪切速率的增大而降低；同一剪切速率条件下,SBCNFs 悬浮液黏度随浓度的增加而上升,表现出牛顿流体行为[30]。剪切会破坏缠结结构,使SBCNFs 悬浮液的黏度下降,表现出剪切变稀行为。在相同的剪切速率下,SBCNFs 悬浮液浓度越高,剪切变稀现象越明显。这主要是由于SBCNFs 之间的缠结,SBCNFs 浓度越高缠结密度越大,缠结结构所对应的松弛时间越短,破坏缠结所需的剪切速率越低[18]。因此,悬浮液中SBCNFs 浓度越大,表现出的剪切变稀行为越明显,SBCNFs 悬浮液的剪切稀释特征也表明其是一种假塑性流体。

应变扫描测试用于确定悬浮液的线性黏弹区,也可考察悬浮液结构对外界刺激的响应程度。为表征SBCNFs 悬浮液对应变扫描的机械响应,对不同浓度的SBCNFs 悬浮液进行了应变剪切扫描,在1 Hz 固定频率下将剪切速率从0.1 s-1连续增加到1 000 s-1,得到储能模量（G′）和损耗模量（G″）与对应应变扫描的函数,结果见图8。

图8 SBCNFs 胶体悬浮液的储能模量（G'）和损耗模量（G″）的剪切应变扫描Fig.8 Storage modulus（G'）and loss modulus（G″）-shearing strain curves of SBCNFs suspensions

由图8 可知,除浓度为0.6% 的SBCNFs 悬浮液外,其余悬浮液在线性黏弹区域,G′高于G″,弹性行为主导,表明SBCNFs 悬浮液表现出了固态的性质,反映出结构一定的刚性[20]。当剪切速率高于10 s-1（临界应变值）时,所有SBCNFs 悬浮液的G′和G″开始下降,说明SBCNFs 悬浮液的三维网络结构受到破坏。当剪切速率大于800 s-1时,除浓度为0.6%的SBCNFs 悬浮液外,其余悬浮液在线性黏弹区,G″高于G′,黏性形变优于弹性形变,SBCNFs 悬浮液呈流体状态。随着SBCNFs 浓度的增大,G′与G″均随之增大,说明SBCNFs 悬浮液的抗形变能力增加。Mendoza 等[30]的研究也表明在较高浓度下,针叶木和硬木纳米纤维素悬浮液的动态流变特性（G′和G″）主要受纤维浓度的影响。

对不同含量的SBCNFs 悬浮液进行频率扫描,在1%的固定应变下,测量范围从0.1～10 Hz,对不同含量的SBCNFs 悬浮液进行频率扫描,结果如图9 所示。

图9 SBCNFs 胶体悬浮液的储能模量（G'）和损耗模量（G″）的频率扫描Fig.9 Frequency scanning of the energy storage modulus（G'）and loss modulus（G″）of SBCNFs colloidal suspension

由图9 可知,随着SBCNFs 浓度的增加,SBCNFs悬浮液的G′和G″也随之增加,SBCNFs 浓度为0.6%时,整个频率范围G″>G′,表现出“类液体”的流体行为。SBCNFs 浓度大于0.8%时,整个频率范围G′>G″,呈现出悬浮液性质。

不同浓度的SBCNFs 悬浮液黏度随频率变化如图10 所示。

图10 SBCNFs 胶体悬浮液黏度的剪切频率扫描Fig.10 The shear frequency scans of colloid suspensions with different concentrations of SBCNFs

由图10 可知,SBCNFs 悬浮液黏度均随扫描频率增大而减小,表现出剪切变稀的特性,这与样品剪切速率-黏度曲线的趋势一致。张欢等[27]使用机械球磨法制备得到的柠檬籽纤维素纳米纤丝悬浮液也观察到了类似的流变学行为,在角频率为0.1～100 rad/s 时,柠檬籽纤维素纳米纤丝悬浮液的G′均高于G″,弹性流体未转化成黏性流体,表现出无凝胶性质。

通过时间依赖触变性可评估悬浮液的结构变形和再生[18]。本试验采用“静止-破坏-静止”三段式测试,在较低和较高剪切速率（10 s-1和100 s-1）下对SBCNFs悬浮液进行了黏度和黏度恢复测量,结果如图11所示。

图11 SBCNFs 胶体悬浮液在0.1 s-1 和10 s-1 剪切速率下的时间依赖性行为Fig.11 Time-dependent behaviors of SBCNFs suspensions mixed at 0.1 s-1 and 10 s-1

由图11 可知,第一阶段低剪切速率下SBCNFs 悬浮液黏度稳定,该黏度值可用作静止黏度的参考值；第二阶段剪切速率较高,黏度降低了约10 倍,表现为结构变形,而剪切速率较低的第三阶段悬浮液表现为结构再生。该结果表明SBCNFs 悬浮液触变恢复性较好,具有作为注射悬浮液或3D 打印墨水的潜能。

3 结论

本研究以甘蔗渣为原料,通过羧基化处理制备了纤维素纳米纤维,所得SBCNFs 呈现典型的纤丝状,宽度为3～10 nm。本研究结果表明,从甘蔗渣中提取的纤维素经羧基化预处理可以成功地制备出羧基含量较高、结晶度较高、保持纤维素I 型结构及热稳定性能较好的纤维素纳米纤维。直径为纳米尺度的纤维素通常具有较高的表面积,SBCNFs 的宽度在纳米尺度内,且具有较好的结构及理化性质,因此,SBCNFs 可潜在用于递送系统,如生物活性化合物的封装,也可用于增强材料。不同浓度的SBCNFs 悬浮液在静止状态下表现出凝胶状行为,但在振动剪切力作用下观察到剪切稀化行为。研究发现,SBCNFs 浓度的增加可提高材料的屈服应力和黏度恢复能力。基于该流变学性质,SBCNFs 有望成为流变改性剂用于食品增稠剂和增材制造技术（如3D 打印）等领域。此外,本研究使用羧基化预处理从制糖废物甘蔗渣中获得纤维素纳米纤维,为甘蔗渣高值化利用提供了一种方法。因此,本研究可为植物类食品工业副产物的进一步利用提供参考。