磷酸锆辅助催化水解菌糠制备纳米纤维素晶体的性能

庄森炀，唐丽荣，2，卢麒麟，林凤采，倪沛钟，黄彪

（1福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002；2福建农林大学金山学院，福建 福州 350002）



磷酸锆辅助催化水解菌糠制备纳米纤维素晶体的性能

庄森炀1，唐丽荣1，2，卢麒麟1，林凤采1，倪沛钟1，黄彪1

（1福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002；2福建农林大学金山学院，福建 福州 350002）

摘要：以食用菌产业的副产品菌糠为原料，采用磷酸锆催化剂辅助稀硫酸水解制备纳米纤维素晶体（cellulose nanocrystals，CNCs）。与传统酸水解方法相比，该方法简化了工艺流程，制备过程环境友好。考察了超声时间、超声温度以及稀硫酸浓度等因素对CNCs得率的影响。结果表明当超声时间为5h、超声温度为75℃及稀硫酸浓度为12.3%时，CNCs得率为42.80%。采用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及X射线衍射仪（XRD）对样品的微观形貌、谱学性能和晶体结构进行了研究分析，结果表明所制得的CNCs呈棒状，直径介于10～30nm之间；CNCs属于纤维素I型，与原料菌糠相比，结晶度由63.79%增大到81.04%；且CNCs仍具有天然纤维素的基本化学结构。论文研究为菌糠的资源化高效利用开辟了新途径。关键词：菌糠；磷酸锆；稀硫酸；催化水解；纳米纤维素晶体

Key words：spent mushroom substrate; zirconium phosphate; diluted sulfuricacid; catalytic hydrolysis; cellulose nanocrystals

纳米纤维素晶体（cellulose nanocrystals，CNCs）具有低密度、较高比表面积、高强度、良好的生物降解性和生物相容性及可再生等优良特性[1-2]。近年来，其作为一种聚合物增强相被广泛应用于各领域的研究，如光电设备、生物材料、打印应用[3]、光学应用[4]及复合材料[5]。

菌糠是食用菌产业的副产品，也是一种木质纤维素原料。食用菌产业是一项集经济效益、生态效益和社会效益于一体的短平快农村经济发展项目，食用菌又是一类有机、营养、保健的绿色食品。发展食用菌产业符合人们消费增长和农业可持续发展的需要，是农民快速致富的有效途径。据统计，目前我国食用菌总产量为2200万吨，而菌糠的总产量为1320万吨[6]，这是一笔丰富的可再利用资源。目前虽有将菌糠作为动物饲料[7]和园艺基质[8]等方面利用，但其高附加值的利用尚为空白，大部分菌糠利用率与利用价值低而且未得到有效处理而被废弃，造成了环境污染和资源浪费。利用菌糠作为原料制备纳米纤维素晶体既可变废为宝，防治环境污染，形成农业生态的良性循环，又可开发出菌糠资源化高值利用的新途径。

食用菌生长的营养是通过生物降解作用，把植物的残体加以降解后利用的。植物残体被微生物分解后，其中间产生的代谢产物可被食用菌利用，为菌丝的生长发育提供物质基础。本研究思路正是基于菌丝在降解植物成分的生长过程中已将植物原料“咬”得“千疮百孔”，在此基础上，只需少许能量与工序就可将经过菌丝处理后的植物原料（菌糠）进一步加工成微纳尺度材料，如纳米纤维素等。

目前纳米纤维素晶体的制备方法主要有3种：机械法[9]、水解法[10]和生物酶解法[11]。强酸水解法因其反应条件相对较易，且所制备的纳米纤维素晶体悬浮液较稳定而最为常用，但其所产生的废液回收困难，对环境污染严重，对设备腐蚀性较大。磷酸锆是一种层状的阳离子型化合物，具有热稳定性好、比表面积大、力学强度高且不溶于水和有机溶剂、易回收等特点。磷酸锆本身就是一种固体酸，且其磷酸基团的质子具有离子交换性能。在磷酸锆层间引入含有酸性基团的有机分子与其所形成的化合物具有优异的酸催化和离子交换性能[12]。因此本文以磷酸锆固体催化剂辅助稀硫酸催化水解，通过磺酸根作为插层剂进入磷酸锆层间，使其层间距增大，增加了磷酸锆表面的可接触酸量[13-14]，从而增强了其催化性能，减少了硫酸浓度，与强酸水解相比更为简便、绿色和高效。

本研究以磷酸锆固体催化剂辅助稀硫酸催化水解菌糠制备纳米纤维素晶体，并以单因素实验参数为基础设计了正交实验，探究了超声时间、超声温度及稀硫酸浓度3个主要因素对CNCs得率的影响并对其进行优化。采用SEM和TEM研究菌糠纳米纤维素晶体的形貌与尺寸，通过FTIR和XRD研究其基本化学结构与晶型结构。本研究采用的磷酸锆辅助稀硫酸催化水解菌糠制备纳米纤维素的方法，具有设备腐蚀小、催化剂磷酸锆可回收利用且制备过程高效绿色等优点；同时也开发了食用菌菌糠的一种高附加值利用的新途径。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

原料：菌糠，福建农林大学菌草研究所。

试剂：磷酸锆，厦门鑫达康无机材料有限公司；硫酸、氢氧化钠、硝酸和乙醇，国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。

1.2 实验过程

1.2.1 原料的预处理

将菌糠洗净、干燥、粉碎，过40目筛。采用5%（质量分数，下同）的NaOH在95℃下蒸煮，以除去木素，蒸煮后抽滤，以上步骤处理两次后，取固形物用次氯酸钠在50～60℃下漂白3h后抽滤除去液体，将漂白后的样品用硝酸乙醇（体积比1∶4）在95℃下反应2.5h，进一步提纯纤维素，抽滤后取固形物于烧杯中，测定其含水率。

1.2.2 预处理后原料纤维素和木素的测定

α-纤维素的测定根据GB/T 744－1989。

酸不溶木素测定根据GB/T 2677.8－1994。

经测定预处理后的原料中α-纤维素的含量为82.43%，木素含量为9.85%，灰分含量为2.21%。

结果可知，经预处理后的样品已具有较高的纤维素含量。

1.2.3 菌糠纳米纤维素晶体的制备

将预处理后的原料加入磷酸锆和不同浓度的稀硫酸，在70℃下超声搅拌反应5h（昆山KQ-250DB型超声波清洗器，超声功率250W）得到乳白色的悬浮液，离心洗涤至中性，再次离心收集上层胶体液，真空冷冻干燥得到纳米纤维素晶体粉末样品。进一步对影响纳米纤维素晶体得率的因素进行分析研究，确定超声时间、超声温度和酸浓度3个主要因素，并进行正交优化实验。

1.2.4 菌糠纳米纤维素晶体得率的测定

取一定量样品胶体于称量瓶，烘干恒重，冷却后称量。得率Y由式(1)计算得出。

式中，m1为烘干后样品与称量瓶的总质量，g；m2为称量瓶的质量，g；m3为原料的质量，g；M为胶体的总质量，g；m0为移取胶体的体积，g。

1.3 纳米纤维素晶体的表征测试

采用日本电子公司（JEOL）JEM-1010型透射电子显微镜（TEM）以及日本JSM-5310LV 型扫描电子显微镜（SEM）对试样的表面形貌、尺寸大小及分散情况进行观察分析。采用Nicolet 380型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）进行CNCs表面官能团的表征，测试范围为4000～400cm−1。采用荷兰飞利浦X'Pert Pro MPD X射线粉末衍射仪观察样品的结晶结构，测试参数为特征射线CuKα，Ni 片滤波，衍射角2θ°=6.0°～40.0°，扫描速度0.1°/s。

2 结果与讨论

2.1 磷酸锆辅助稀硫酸催化水解菌糠制备CNCs的单因素实验

2.1.1 超声时间对CNCs得率的影响

由图1可知，随着超声时间的延长，得率先增后下降，在5h时达到最大（40.91%），超过5h后开始下降，可能由于纤维素过度降解为葡萄糖致使得率降低。因此，超声时间以5h为宜。

图1 超声时间对CNCs得率的影响

2.1.2 超声温度对CNCs得率的影响

由图2可知，随着温度的升高，得率也先增后降，70℃时得率达最高值40.91%，温度超过70℃后略有下降。较高温度可促进纤维素分子氢键发生断裂，聚合度下降，但温度太高使纤维素发生水解反应，纤维素降解为葡萄糖，导致得率下降。因此，超声温度以70℃为宜。

2.1.3 稀硫酸浓度对CNCs得率的影响

由图3可知，随着稀硫酸浓度（浓度用质量分数表示）的增加，得率先增后降，稀硫酸浓度为15%时，得率最高（37.3%）；稀硫酸浓度增加到21.8%时，得率仅为25.6%。这可能是因为硫酸浓度过高导致纤维素过度降解，使CNCs得率降低。因此，稀硫酸浓度在13.8%为宜。

2.2 正交实验结果与分析

为进一步优化实验条件，采用正交实验考察超声时间、超声温度和酸浓度对CNCs得率的影响，实验设计与结果见表1。由表1中的K值及R值可知，三因素对纳米纤维素晶体得率的影响较为显著的是超声时间，超声温度次之，而稀硫酸浓度较小；较优条件为超声时间5h、超声温度75℃及稀硫酸浓度为12.269%，此时得率为42.80%。正交分析的结果与实验数据能够较好地相符。

图2 超声温度对CNCs得率的影响

图3 稀硫酸浓度对CNCs得率的影响

表1 正交实验结果

2.3 纳米纤维素晶体的表征

2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）分析

图4 原料菌糠的扫描电镜图

图4为原料菌糠的SEM图。由图4(a)可看出原料呈无规则的块状与棒状分布，主要以块状为主，其中棒状物较长约为100μm，较短约为50μm，径长为15～20μm不等。这主要是因为菌糠中含有木素、纤维素、蛋白质等物质。由图4(b)可看出在棒状物上有许多的微孔，可能是由于在培养真菌过程中由真菌分泌的纤维素分解酶降解所致。

图5为碱法蒸煮预处理后的菌糠的SEM图。由图5可看出长度不一的棒状纤维素交织一起，它们之间通过一种块状物连接在一起，这种块状物可能就是木素与碳水化合物的复合体（LCC）。相比于图4，棒状物上的小孔消失，但连接纤维素的块状物上出现孔洞，可能是因为孔洞为反应源，在碱处理下，木素不断被反应，故在块状物中出现孔洞；碱处理后棒状物的径长变短，为5～10μm不等，由于木素等其他杂质除去，棒状物明显增加，说明碱处理对提纯纤维素的效果明显。

图6为CNCs的TEM图。由图可知，所制备的菌糠纳米纤维素晶体呈棒状，直径为10～30nm。棒状结构的纤维具有较好的力学性能，有利于其应用于复合材料中。

2.3.2 傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）

图5 预处理后样品的扫描电镜图

图6 CNCs透射电镜图

图7 原料、预处理浆料和CNCs的红外光谱图

FTIR谱图如图7所示。由图7可知，3445cm−1附近较宽的强吸收峰为羟基—OH的伸缩振动吸收峰，2900cm−1附近对应的为亚甲基—CH2—的对称伸缩振动吸收峰。1057cm−1为纤维素醇C—O单键的伸缩振动吸收峰。1162cm−1对应于C—C骨架的伸缩振动吸收，而1112cm−1附近对应纤维素分子C—O单键的伸缩振动。在1430cm−1处吸收峰对应纤维素—CH2—对称弯曲振动峰。1375cm−1附近为C—H对称伸缩振动。895cm−1附近为纤维素异头碳(C1)的振动峰[15-16]。另一方面，1500～1600cm−1处有2～3个峰，是苯环的骨架振动，且在指纹区里650cm−1附近也有几个振动峰，为芳环上C—H的面外变形振动，故可推断苯环物质尚存，这是由原料中木素所致，谱图1647cm−1为木素C=O共轭芳基酮的伸缩振动峰。

2.3.3 X射线粉末衍射分析（XRD）

图8 X射线衍射谱图

原料菌糠、预处理后的中间样品以及样品CNCs的XRD谱图如图8所示。三者的特征衍射峰的位置基本保持一致，其中3个最强峰分别位于14.3°、16.26°及22.57°，分别对应于纤维素晶体的{101}、{10}、{002}面，为典型的纤维素Ⅰ型谱图[17]。说明以菌糠为原料制备的纳米纤维素晶体的晶型未发生改变，属于纤维素Ⅰ型，同时结晶度从原料菌糠的63.79%提高到预处理后的样品的73.38%，再到CNCs的81.04%。相比于另外两个样品，CNCs在22.5°处的衍射峰更尖锐，相对峰强度明显增大，表明结晶度增大。这是因为，在磷酸锆辅助稀硫酸催化水解纤维素过程中，氢离子进入无定形区，促使纤维素的糖苷键加速断裂，使无定形区及结晶区表面的部分纤维素降解，形成纳米纤维素晶体，从而使得CNCs的结晶度较天然纤维素高，此外部分纤维素单晶发生重排，也进一步提高了CNCs结晶度。在图8 (a)、(b)中还观察到在25.34中还有一个峰，可能是在原料菌糠中含有蛋白质所致，但在图8(c)中此峰消失，说明制备的CNCs样品中无蛋白质杂质。

3 结 论

磷酸锆辅助稀硫酸催化水解法制备CNCs具有简便高效、设备腐蚀性小等优点，同时以食用菌产业的废弃物菌糠为原料制备高附加值的纳米纤维素，不仅能延长食用菌产业链条，提高菌糠的利用率，从而提高食用菌生产的效益，而且实现废物再利用，变废为宝，形成农业循环经济，从而净化生产环境，促进生态农业的发展。

（1）通过单因素探索实验及正交实验得较优工艺条件：超声时间5h、温度75℃及稀硫酸浓度为12.269%，CNCs的得率为42.80%。

（2）菌糠纳米纤维素晶体呈棒状，直径10～30nm。与天然纤维素相比，菌糠纳米纤维素晶体的FTIR谱图的特征峰无明显变化，说明CNCs基本化学结构未改变。菌糠纳米纤维素晶体仍属于纤维素Ⅰ型，结晶度由63.79% 增加到81.04%。

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综述与专论

Preparation of cellulose nanocrystals by solid catalyst zirconium phosphate assisted hydrolysis from spent mushroom substrate

ZHUANG Senyang1，TANG Lirong1，2，LU Qilin1，LIN Fengcai1，NI Peizhong1，HUANG Biao1
（1College of Material Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，Fujian，China;2Jinshan College of Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，Fujian，China）

Abstract：In this research，cellulose nanocrystals (CNCs) were prepared by solid catalyst zirconium phosphate assisted hydrolysis method from spent mushroom substrate. Compared with traditional acid hydrolysis method，this method is simpler to operate and more eco-friendly. The effect of ultrasonication time，ultrasonication temperature and the concentration of diluted sulfuric acid on the yield of CNCs were investigated. The results showed that the yield of CNCs reached 42.80%，when ultrasonication time was 5h，ultrasonication temperature was 75℃ and the concentration of diluted sulfuric acid was 12.3%. The microstructure，morphology，spectrum properties and the crystal structure of CNCs were characterized by transmission electron microscopy(TEM)，scanning electron microscope (SEM)，fourier transformation infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD)，respectively. The SEM and TEM showed that CNCs were rod-like with diameters of 10－30nm，and the FTIR analysis showed that the CNCs still kept the basic chemical structure of cellulose. The XRD pattern showed that the CNCs presented the crystal form of cellulose I. Compared with the spent mushroom substrate，the crystallinity of CNCs increased from 63.79% to 81.04%. This research proposed a new approach to efficient utilization of the spent mushroom substrate.

基金项目：“948”国家林业局引进先进林业科学技术项目（2014-4-30）、福建省教育厅A类科研项目（JA13371）及福建农林大学“校杰出青年科研人才”培养专项基金（xjq201422）项目。

收稿日期：2015-07-23；修改稿日期：2015-08-13。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.033

中图分类号：TK 6

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）03–0866–06

共同第一作者：庄森炀（1991—），男，硕士研究生。唐丽荣（1984—），女，讲师，博士，主要从事植物纤维化学与炭材料研究。E-mail tanglr0201@126.com。 联系人：黄彪，教授，博士生导师，主要从事植物纤维化学与炭材料研究。E-mail fjhuangbiao@hotmail.com。