探头式超声辅助碱性H2O2处理对蔗渣纤维素影响

王硕，李明星，陈鹏，张志明，魏琳，谢彩锋，2

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；2.蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西 南宁 530004)

甘蔗是广西主要特色作物，蔗渣年产量达1.7×107～2.0×107t。目前，主要用作燃料、生产纸浆及复合材料等，综合利用产值不高。近年来，利用蔗渣中纤维素制备可降解餐具/膜、水凝胶及吸附材料等研究已成为蔗渣高值化利用发展主要途径[1-3]。蔗渣中纤维素与半纤维素紧密缠绕，并被木质素覆盖包围，可将其有效去除，以提高纤维素利用率[4-6]。

蔗渣处理方法中化学法因效率高而被广泛应用，其中碱处理法条件温和且对设备腐蚀作用小[7-8]。碱处理通过OH-削弱氢键，破坏醚键、皂化酯键，以去除半纤维素和木质素[9-10]。在碱性条件下，H2O2分解生成自由基，参与木质素、半纤维素降解，同时氧化纤维素末端还原基，抑制其水解作用，使纤维素得以保存[11]。徐超等[12]利用碱性H2O2溶液提取蔗渣纤维素，提取率为78.6%。王淋靓等[13]利用槽式超声波辅助碱性H2O2溶液提取蔗渣纤维素，提取率为87.54%。当超声波与介质相互作用时，空化泡崩溃会伴生强烈冲击波[14-15]。这种冲击下，反应溶液易渗透到蔗渣内部，半纤维素和木质素得以较好去除。超声分槽式和探头式。相比于槽式超声，探头式可直接作用于样品，空化效果更明显，机械强度更高[16]。

基于文献报道，本文采用探头式超声辅助碱性H2O2溶液来对蔗渣进行处理，探究蔗渣纤维素含量和结晶度变化，并对处理后蔗渣纤维形态和结构进行分析，系统研究探头式超声辅助碱性H2O2处理法去除蔗渣木质素与半纤维素和提高纤维含量的效果及对蔗渣微观结构的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

蔗渣，南宁糖业有限公司； NaOH、盐酸(质量分数36%～38%)、过氧化氢(H2O2，质量分数≥30%)均为分析纯；D(+)-木糖(C5H10O5，质量分数为99.90%)、L(+)-阿拉伯糖(C32H29F3N4O4S2)、D-半乳糖(C6H12O6，质量分数≥98%)、D-甘露糖(C6H12O6，质量分数≥98%)、葡萄糖(C6H12O6，质量分数≥99.5%)均为标准品。

Phenom F16502型扫描电镜；MiniFlex600型X射线衍射仪；TENSOR Ⅱ傅里叶变换红外光谱仪；Avanue Ⅲ HD 400M核磁共振波谱仪；LC-6A高效液相色谱仪。

1.2 实验过程

1.2.1 蔗渣预处理 首先将蔗渣晒干、粉碎、过80目筛；然后加入0.1 mol/L HCl溶液，液面没过蔗渣表面，加热1 h(去除蔗渣中酸溶性果胶)，抽滤烘干，待用。

1.2.2 探头式超声辅助碱性H2O2处理蔗渣 探头式超声辅助碱性H2O2处理蔗渣的最优工艺条件为：称取3.00 g处理后的蔗渣，加入质量分数为10%的NaOH溶液(该溶液中H2O2的质量分数为0.9%)[m(蔗渣)∶m(溶液)=1∶30]，使用细胞超声粉碎机，在超声功率200 W、超声时间20 min、反应时间80 min、200 ℃条件下对蔗渣进行处理。反应结束后，取固体残渣用蒸馏水洗涤至中性，并于105 ℃干燥24 h，然后将样品研细，用塑料封口袋收集，编号，置于干燥器中保存。

1.3 测试和表征

1.3.1 扫描电镜(SEM)分析[17]采用扫描电镜对处理前后蔗渣的微观形貌进行观察。

1.3.2 X射线衍射(XRD)分析 采用X射线衍射仪分析处理前后蔗渣的结晶度和晶体结构变化。

1.3.3 红外测试 采用傅里叶变换红外光谱仪测试处理前后蔗渣的化学组成。

1.3.4 固体核磁测试 采用核磁共振波谱仪测试处理后蔗渣的化学结构变化。

1.3.5 高效液相色谱分析 采用高效液相色谱仪测试处理前后蔗渣中纤维素、半纤维素和木质素的含量。

2 结果与讨论

2.1 NaOH质量分数对蔗渣纤维含量和结晶度的影响

在NaOH质量分数分别为4%，6%，8%，10%和12%，H2O2质量分数0.7%，反应时间70 min，反应温度120 ℃，其他反应条件同1.2.2节时，由 图1A 可知，当NaOH质量分数≤8%时，处理后蔗渣XRD谱图与原蔗渣的类似，在20～22°只有一个高强度的衍射峰，表明此时蔗渣纤维素晶型仍保持Ⅰ晶型[18]；当NaOH质量分数≥10%时，在12°附近出现一个较小的纤维素衍射峰，且在20～22°之间出现两个衍射峰，表明蔗渣纤维素晶型改变成Ⅱ晶型[19]，这可能是因为随着碱液浓度的逐渐增大，蔗渣纤维素在碱处理的过程中，其水化钠离子会进入结晶区，从而使纤维素润胀。在处理完成后洗涤过程中，之前在晶体中的钠离子逐渐扩散出来，而润胀的纤维素链在重新结晶的过程中会倾向形成在热力学上更加稳定的纤维素Ⅱ晶型结构[20]。

图1 NaOH质量分数对蔗渣纤维素晶型(A)、 结晶度和纤维素含量(B)的影响Fig.1 The effects of mass fraction of NaOH on crystalline structure(A)，crystallinity and cellulose content(B) of bagasse

由图1B可知，当NaOH质量分数介于0～6%时，随NaOH质量分数的增加，蔗渣纤维素结晶度快速增加，可能是因为蔗渣木质素和半纤维素是蔗渣中的非结晶成分，在超声、NaOH及H2O2共同作用下，半纤维素与纤维素间范德华力减弱、氢键断裂，木质素与半纤维素之间的醚键、酯键发生断裂，木质素和半纤维素溶出、降解，NaOH质量分数越高，对木质素与半纤维素、半纤维素与纤维素间的破坏作用更强，则溶出降解的木质素和半纤维素数量越多，因此蔗渣非结晶区成分比例越少，其结晶度增大。但当NaOH质量分数增大至6%～10%时，纤维素结晶度随着NaOH质量分数升高急剧下降；NaOH质量分数由10%增加至12%时，纤维素结晶度仍呈下降趋势，但下降速度相对缓慢。可能是因为NaOH质量分数过大且反应温度高，蔗渣中纤维素本身也发生溶胀，其晶体结构遭到破坏，导致纤维素的结晶度下降。

由图1B可知，随着NaOH质量分数逐渐增加，蔗渣纤维素含量一直呈增加趋势。这可能是因为当NaOH质量分数增加时，去除的木质素和半纤维素数量更多，因此纤维素含量增加[21]。当NaOH溶液质量分数为10%时，纤维素含量已提高至90.1%，当NaOH溶液质量分数为12%时，纤维素含量为92.0%，增加不明显。综上所述，在保证纤维素结晶度较低的情况下，NaOH质量分数选择10%。

2.2 H2O2质量分数对蔗渣纤维素含量和结晶度的影响

H2O2质量分数分别为 0.3%，0.5%，0.7%，0.9% 和1.1%，反应时间70 min，反应温度120 ℃，其他反应条件同1.2.2节时，由图2A可知，与原蔗渣相比，不同H2O2质量分数溶液处理后，蔗渣虽然纤维素晶型没有明显改变，但22°左右的衍射峰增强，表明H2O2溶液能增强纤维素暴露。

由图2B可知，经过碱性H2O2溶液处理，蔗渣纤维素结晶度呈先增加后下降再趋于稳定趋势，相比于原蔗渣，结晶度明显增加。这是由于H2O2具有强氧化作用，在碱性条件下产生的含氧自由基(HO·)能使木质素的α-醚键断裂，发生氧化反应，进而使木质素溶出，因此能有效去除蔗渣中木质素等非结晶组分，提高纤维素结晶度。当H2O2质量分数增加至0.7%时，纤维素结晶度达到最高，为80.67%。继续增加H2O2质量分数，纤维素结晶度开始下降，这是因为当H2O2浓度过大时，部分结晶区纤维素结构会遭到破坏。当H2O2质量分数增加至0.9%～1.1%时，纤维素结晶度趋于稳定，说明在一定范围内，增加H2O2质量分数，有利于蔗渣中木质素与半纤维素去除，但当H2O2质量分数达到一定数值时，蔗渣中木质素和半纤维素的降解已达到极限，再继续增大H2O2质量分数，对木质素与半纤维素去除作用不明显。

由图2B可知，与原蔗渣相比，经探头式超声辅助碱性H2O2处理后蔗渣纤维素含量先明显增加后趋于稳定趋势。当H2O2质量分数达到1.1%时，纤维素含量提高1.96倍，达到90.94%。这是由于HO·自由基催化氧化反应的进行，使木质素和半纤维素降解，从而提高了纤维素含量。综上所述，在保证纤维素结晶度较低的情况下，H2O2质量分数选择0.9%。

图2 H2O2质量分数对蔗渣纤维素晶型(A)、 结晶度和纤维素含量(B)的影响Fig.2 The effects of mass fraction of H2O2 on crystalline structure(A)，crystallinity and cellulose content(B) of bagasse

2.3 反应时间对蔗渣纤维素含量和结晶度的影响

在反应时间分别为50，60，70，80，90 min，反应温度120 ℃，其他反应条件同1.2.2节时，由图3A可知，与原蔗渣相比，在不同处理时间下，蔗渣纤维素晶型没有明显改变，但是22°左右衍射峰增强。说明反应时间的适当增加，有利于木质素和半纤维素的降解，增加蔗渣中纤维素的试剂可及度。

由图3B可知，随着反应时间的不断增加，蔗渣纤维素的结晶度呈先增加后下降趋势，当反应时间为70 min时，蔗渣纤维素结晶度最高，为81.81%。开始反应时，随着反应时间的延长，在探头式超声辅助碱性H2O2条件下，蔗渣中木质素和半纤维素发生降解，非结晶区成分比例越少，因此纤维素结晶度增加。当反应时间高于70 min时，纤维素结晶度开始下降，这是由于随着反应时间的延长，纤维素表面晶体被破坏，从而导致纤维素结晶度下降。

由图3B可知，蔗渣纤维素含量随反应时间的增加呈先增加后下降的趋势。反应时间为70 min时，蔗渣纤维素含量最高，为93.45%，说明此时半纤维素与木质素较充分降解。但是随着反应时间的继续增加，蔗渣纤维素易受到破坏，导致纤维素含量降低。综上所述，在保证纤维素结晶度较低的情况下，反应时间选择80 min。

图3 反应时间对蔗渣纤维素晶型(A)、 结晶度和纤维素含量(B)的影响Fig.3 The effects of different reaction time on crystalline structure(A)，crystallinity and cellulose content(B) of bagasse

2.4 反应温度对蔗渣纤维素含量和结晶度的影响

在反应温度分别为80，100，120，160，200 ℃，其他反应条件同1.2.2节时，由图4A可知，与原蔗渣相比，经过高温处理后，蔗渣纤维素在22°左右的衍射峰明显变强，说明高温可以促进木质素和半纤维素间化学键的断裂，使蔗渣纤维素结构裸露。当温度达到120 ℃时，34°左右的蔗渣纤维素衍射峰开始变明显，此时蔗渣纤维素的晶型由Ⅰ晶型向Ⅱ晶型转变。当反应温度达200 ℃时，22°左右蔗渣纤维素衍射峰明显降低，是由于温度过高，纤维素结构受到破坏。

图4 反应温度对蔗渣纤维素晶型(A)、结晶度和 纤维素含量(B)的影响Fig.4 The effects of different reaction temperatures on crystalline structure(A)，crystallinity and cellulose content(B) of bagasse

由图4B可知，随着反应温度的升高，蔗渣纤维素的结晶度呈先增加后下降趋势，反应温度为 160 ℃ 时，纤维素的结晶度最高，为81.14%。这是由于随着反应温度的升高，蔗渣中非结晶区域的羟基相互交错发生“架桥现象”，导致其内部结构排列转向结晶区发展，此时蔗渣半纤维素发生降解，使得纤维素的结晶度增加。当反应温度超过160 ℃时，蔗渣纤维素分子链中的糖苷键被破坏，结晶度开始降低。

由图4B可知，随着反应温度的升高，蔗渣纤维素含量呈先显著增加后趋于平稳的趋势，当反应温度为200 ℃时蔗渣纤维素含量最高，为91.63%。这是因为在高温水热条件下，半纤维素中的醚键会发生断裂，从而使半纤维素降解，同时在高温碱性条件下木质素也会发生降解，打破了蔗渣中纤维素、半纤维素和木质素的致密结构，从而使蔗渣纤维素暴露出来，进而增加了蔗渣纤维素含量。综合上述分析，在保证纤维素结晶度较低的情况下，反应温度选择200 ℃。

3 蔗渣的微观结构和官能团表征

3.1 SEM分析

原蔗渣和处理后的蔗渣放大1 000倍的扫描电镜结果见图5。

图5 原蔗渣(a)、处理后蔗渣(b)的扫描电镜图Fig.5 SEM photographs of bagasse(a)and treated bagasse(b)

由图5可知，原蔗渣表面平滑，结构致密，孔隙少；处理后的蔗渣结构发生明显变化，表面粗糙，出现很多深浅不一的沟壑，疏松多孔，呈现明显的纤维条状结构，表明处理后的蔗渣，包裹和缠绕在其表面的木质素与半纤维素已被有效降解，纤维素直接暴露出来，因此蔗渣纤维素的试剂可及度显著增加。

3.2 蔗渣FTIR分析

由图6可知，未处理蔗渣在1 602，1 513，1 459 cm-1处的吸收峰为木质素中芳香烃骨架的振动；处理后，这些吸收峰完全消失，表明探头式超声辅助碱性H2O2溶液处理能有效减少蔗渣中木质素结构[22-23]。在1 734 cm-1处的吸收峰为半纤维素的特征峰，处理后发现该吸收峰消失，表明探头式超声辅助碱性H2O2溶液处理能有效减少半纤维素含量[24]；处理后，666，897 cm-1处的纤维素特征峰吸收强度明显增强；在1 048 cm-1和1 163 cm-1处的纤维素C—O键振动吸收峰和C—O—C键的不对称伸缩振动峰仍保留或增强，说明探头式超声辅助碱性H2O2溶液处理蔗渣，其纤维素含量会增加[25]。由此可知，探头式超声辅助碱性H2O2溶液能使蔗渣木质素和半纤维素的衍射峰减弱甚至消失，而纤维素衍射峰都得以保留或增强。表明蔗渣木质素与半纤维素去除效果较好，纤维素组分直接暴露并被纯化，有利于提高蔗渣中纤维素含量。

图6 原蔗渣(a)和处理后蔗渣(b)的傅里叶红外光谱图Fig.6 The FTIR spectrograme of bagasse(a) and treated bagasse(b)

3.3 蔗渣固体核磁分析

由图7可知，在光谱中，主信号出现在δ62～104之间的碳水化合物区域中，这主要分配给各种纤维素炭。δ104处的信号峰为蔗渣纤维素中C-1的化学位移，δ75处的信号峰为蔗渣纤维素中C-2，C-3和C-5的化学位移，δ62处的信号峰为蔗渣无定型纤维素中C-6的化学位移，δ88处的信号峰为蔗渣结晶纤维素中C-4的化学位移，δ83处的信号峰为蔗渣无定型纤维素中C-4的化学位移[26]。δ21和δ171处信号峰对应的是半纤维素的甲基和羧基，但在该图谱中，在此位置却未出现信号峰，说明处理后蔗渣中半纤维素去除较完全；δ120～160处信号峰代表的是木质素芳族炭，该图谱中在此位置也未出现信号峰，说明蔗渣中木质素去除也较完全[27]。

图7 探头式超声辅助碱性H2O2处理蔗渣的固体核磁图Fig.7 Solid state 13C NMR spectra of bagasse treated by alkaline hydrogen peroxid assisted with probe ultrasound

3.4 探头式超声辅助碱性H2O2处理蔗渣纤维素、半纤维素和木质素含量分析

采用NaOH质量分数10%，H2O2质量分数 0.9%，反应时间80 min，反应温度200 ℃，超声功率200 W及超声时间20 min对蔗渣进行处理，蔗渣中纤维素、半纤维素和木质素含量见表1。

表1 不同蔗渣纤维素、半纤维素和木质素含量Table 1 Contents of cellulose，hemicellulose and lignin in different bagasse

图8为混合标准品(a)和探头式超声辅助碱性H2O2处理后蔗渣的酸解液(b)的高效液相色谱图。

由图8a可知，葡萄糖、木糖、半乳糖和阿拉伯糖的出峰时间分别为 15.782，16.914，18.013，19.517 min。其中葡萄糖属于纤维素类，木糖、半乳糖和阿拉伯糖属于半纤维素类。由图8b可知，经过探头式超声辅助碱性H2O2溶液处理后，蔗渣酸解液的高效液相色谱图仅出现纤维素与半纤维素的降解产物——葡萄糖(15.780 min)和木糖(16.951 min)的特征峰，且木糖特征峰很弱，没有观察到有木质素的特征峰，这可能是因为使用硫酸对蔗渣进行酸解处理时，绝大部分木质素与硫酸反应生成硫酸盐木质素沉淀形成残渣，只有极少量溶解在酸解液中，因此在高效液相色谱图中没有观察到相应特征吸收峰。表明使用探头式超声辅助碱性H2O2溶液处理蔗渣时，大部分半纤维素被去除，去除率达 70.77%，93.87%木质素被去除，甘蔗渣中纤维素纯度很高，达到91.63%。

图8 混合标准品(a)和探头式超声辅助碱性H2O2 处理蔗渣(b)的高效液相色谱图Fig.8 High performance liquid chromatography of different kinds of standard (a)and bagasse treated by alkaline hydrogen peroxid assisted with probe ultrasound(b)

4 结论

用探头式超声辅助碱性H2O2溶液处理蔗渣，纤维素含量与结晶度显著增加，蔗渣表面疏松多孔，纤维素直接裸露，呈现明显纤维条状结构；木质素和半纤维素衍射峰吸收强度和固体核磁信号峰明显减弱甚至消失，纤维素的特征衍射峰吸收强度和固体核磁信号峰明显增强或得以很好保留，表明处理后蔗渣中木质素和半纤维素发生降解，纤维素含量明显升高，纤维素的试剂可及度提高，这对提高蔗渣纤维素利用率非常有利。因此，认为探头式超声辅助碱性H2O2溶液处理是一种去除蔗渣木质素与半纤维素的有效方法，为高效利用蔗渣中纤维素提供可能途径。