催化和機械輔助檸檬酸水解法高得率制備纖維素納米晶體

岑 鈺 汪力生 項舟洋 宋 濤 ，*

（1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640；2.齊魯工業大學（山東省科學院）制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東濟南，250353）

利用有機酸水解制備納米纖維素在近幾年受到國內外科研人員的極大關注，尤其利用多元羧酸法制備具有不同功能基團的納米纖維素[1-3]。該制備體系利用有機酸可回收再利用的特性，能夠有效解決傳統制備工藝所存在的環境污染嚴重、后期功能化受限等問題，并且降低了所用藥品試劑和處理廢液所產生的消耗，從而降低納米纖維素的制備成本及整體碳排量。更為重要的是，有機酸在制備納米纖維素的同時，能有效地對纖維素表面基團進行改性，使產物具有多反應活性，從而增加納米纖維素后續功能化途徑，且有利于其在溶劑中更好地分散[4]。

檸檬酸是一種產量巨大的天然有機酸，它可以從各類柑橘屬的蔬果中提取，也可以通過生物發酵法合成，在納米纖維素清潔制備領域具有較大的應用潛力[5]。然而，由于檸檬酸的弱酸性（pKa=3.13），通過純酸水解法獲得的纖維素納米晶體（CNC）得率很低，僅約10%[6]。如何提高檸檬酸水解法的生產效率成為了亟待解決的問題。

氯化鐵是一種對環境幾乎無害的固體無機鹽，在天然纖維素的水解反應中表現出了良好的催化活性[7]。Cheng等人[8]研究發現，氯化鐵能顯著提高鹽酸水解法制備CNC的效率；Kamireddy等人[9]也發現，氯化鐵可以加速半纖維素降解為單糖，提高玉米秸稈預處理的效率；Ren等人[10]則證明，在酸性條件下三價鐵離子可以加速纖維無定形區的水解，降低反應的活化能。反應結束后，氯化鐵也可以通過結晶或沉淀法進行回收，其對儀器腐蝕的風險也較低[11]。此外，本課題組在先前的工作中發現，有機酸水解結合超聲波和高壓均質獲得的纖維素納米纖絲（CNF）懸浮液中存在許多棒狀CNC顆粒[1,6]。這些CNC顆粒被互相纏繞的CNF所包裹，未能通過超聲和離心分離出來CNC。如果采用適當的技術或工藝將這些CNC從CNF中有效分離出來，CNC的總得率將會大大提高。

高壓微射流是乳液和脂質體生產工業中應用十分廣泛的技術，在食品、醫藥、美妝護膚等領域發展較為成熟[12]。與球磨法和超聲波粉碎法相比，高壓微射流具有作用時間短、操作簡便等優勢[13]，能夠通過強烈的剪切、空穴和撞擊作用，有效促進原始纖維納米化的進程。然而，微流化室腔的孔徑很小，在納米纖維素制備過程中容易發生堵塞，甚至造成機器停機等問題，因此還需要結合一定的預處理手段進行工藝優化[14]。

基于此，本研究以氯化鐵為催化劑，并結合短時微射流的輔助，利用檸檬酸水解作用從漂白蔗渣漿中高效分離CNC，以期解決檸檬酸水解法制備CNC得率低的問題，并對氯化鐵添加量對CNC的得率、粒徑、羧基含量、結晶度、熱穩定性等性質的影響機制進行綜合分析。此外，在CNC制備的同時可以收獲第二產物CNF，所用化學試劑可通過簡單的結晶法回收。

1 實 驗

1.1 實驗材料及設備

1.1.1 材料與試劑

漂白蔗渣漿（BSBP）由廣西博冠環保公司提供，含72%葡萄糖和25%非纖維化合物（半纖維素、果膠等）[6]。檸檬酸（AR）、六水氯化鐵（FeCl3·6H2O，AR，質量分數99%）、鹽酸（AR，質量分數36%～38%）、NaOH（AR，質量分數95%），購自上海麥克林公司。

1.1.2 儀器設備

磁力攪拌器（MR Hei-Tec，德國Heidolph公司）；臺式離心機（Allegra X-30，美國Beckman公司）；旋轉蒸發儀（Hei-VAP Value Digital，德國Heidolph公司）；離子色譜儀（ICS3000，美國ThermoFisher Scientific公司）；超聲波清洗儀（JY99-2DN，寧波新芝生物科技股份有限公司）；原子力顯微鏡（AMF，Multimode 8，德國Bruker公司）；紫外光譜儀（UV6100，上海元析儀器有限公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（FF-IR，VERTEX 70，德國Bruker公司）；X射線衍射儀（XRD，X'pert Powder，荷蘭PANalytical公司）；激光粒度分析儀（SZ-100Z，法國Horiba公司）；熱重分析儀（TG209F1，德國Netzsch公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 CNC和CNF的制備

CNC和CNF的制備方法如下：配置質量分數為80%的檸檬酸溶液，加入不同比例的FeCl3·6H2O（與檸檬酸的比例為0.01～0.09 mmol/g檸檬酸），油浴加熱至100 ℃后，加入預先粉碎的BSBP，機械攪拌4 h進行水解反應；水解結束后，加入去離子水終止反應，用G4漏斗對所得的纖維懸浮液進行真空抽濾，得到濾液和濾渣；留取5 mL濾液用于糖分分析，其余濾液用于回收檸檬酸和氯化鐵；將濾渣裝入透析袋中，用去離子水透析2天；將透析后的保留液稀釋至0.5%，通過高壓微射流循環處理3次，工作壓力為110 MPa；微流化后的漿料在9000 r/min的轉速下離心15 min，分離上清液得到淺藍色的CNC，收集濁液得到乳白色CNF。以FeCl3·6H2O的添加量對產物進行命名，如Fe-Cl3·6H2O添加量為0.01 mmol/g檸檬酸制備的產物命名為CNC/CNF-0.01。

1.2.2 得率

通過烘箱干燥法測定CNC/CNF懸浮液的固含量，并通過式（1）計算總得率。

其中，y為CNC/CNF的得率，%；c為CNC/CNF懸浮液的濃度，g/mL；v為CNC/CNF懸浮液的總體積，mL；m為BSBP的絕干質量，g。

1.2.3 水解液組分分析

水解液的糖含量按照國家標準GB/T 35818—2018測定。測試前，將取水解液稀釋至0.1～10 mg/kg，通過孔徑為0.22 μm的過濾膜濾除水解液中的雜質，使用離子色譜儀進行定量測試，并基于BSBP的絕干質量計算水解液中的葡萄糖/木糖得率。

1.2.4 形貌表征

取一定量的CNC/CNF懸浮液，稀釋到合適濃度后，用超聲儀在500 W的功率下震蕩3 min使其均勻分散。用滴管吸取少量分散液滴在干凈的云母片表面，自然風干，然后使用原子力顯微鏡對樣品形貌進行表征，從所獲得的圖像中正態分布選取50根纖維來確定CNC和CNF的直徑和長度。

1.2.5 雙折射現象觀察

雙折射現象的觀察在一個兩面避光的裝置中進行，該裝置前后配備有2塊交叉偏振濾光片和1盞燈。先將CNC/CNF懸浮液裝入透明玻璃瓶內，在黑暗環境中置于2片偏振片間，然后對準偏振片后的點光源輕微搖晃，即可觀察到CNC/CNF懸浮液的顏色變化。

1.2.6 透射率測試

將CNC懸浮液稀釋到0.2%，通過紫外光譜儀測定其在可見光范圍300～800 nm波長下的透射率。

1.2.7 Zeta電位測試

將CNC和CNF稀釋至質量分數0.2%，使用超聲波清洗儀震蕩15 min進行預處理，通過激光粒度分析儀測試Zeta電位。

1.2.8 FT-IR分析

取大約5 mg凍干后的CNC和CNF與溴化鉀混合壓片，然后采用FT-IR掃描樣品在500～4000 cm-1區段內的信號變化。

1.2.9 羧基含量測定

通過電導滴定法測定CNC/CNF表面羧基含量。測試前將CNC/CNF懸浮液質量分數調節至0.2%～0.9%，然后取50 mL樣品，加入5 mL氯化鈉溶液（0.01 mol/L）和1 mL鹽酸溶液（0.15 mol/L），并進行10 min的超聲分散。在滴定過程中，每隔30 s滴加50 μL NaOH溶液（0.1 mol/L），并記錄電導率的變化。電導率曲線走勢剛開始會顯著下降，然后有一段緩慢上升的平衡段，最后表現出顯著上升，平緩處即為羧基與氫氧根的反應階段，通過式（2）計算羧基含量。

式中，B為羧基含量，mmol/g；C為NaOH的濃度，mol/L；V2和V1分別為滴定終點和滴定起點消耗標準NaOH的體積，mL；m為CNC/CNF的固含量，g。

1.2.10 XRD分析

將冷凍干燥好的CNC/CNF按壓成薄片，平放在石英襯底上進行XRD掃描，掃描范圍為2θ=5°～60°。然后通過Segal法[15]確定樣品的結晶度CrI，按式（3）計算。

式中，I200是纖維素(200)晶面的最大峰強度，對應2θ=22.5°附近；Iam是(200)和(110)兩個晶面之間的最小峰值，對應的2θ≈18.5°。

1.2.11 熱穩定性分析

稱量10 mg凍干后的CNC/CNF放入熱重分析儀，在動態氮氣的保護下，從35 ℃開始以10 ℃/min的加熱速率升溫至600 ℃，通過切線法確定樣品的起始及最大熱分解溫度。

2 結果與討論

2.1 CNC/CNF的得率及水解液組分分析

表1列出了不同水解條件下CNC和CNF的得率、藥品回收率、水解液中的組分。從表1可以看出，無催化劑組CNC-0的得率為43.2%，遠高于Ji等人[6]通過純檸檬酸水解BSBP的報道（10.6%），這說明了機械輔助的有效性，僅需3次微射流循環就能有效提高CNC的得率。而且由于水解預處理的作用，微射流處理過程中也沒有發生纖維堵塞和停機等問題，這大大提高了制備CNC效率。

表1 CNC和CNF的得率、藥品回收率、水解液中的糖分含量Table 1 Yield of CNC/CNF, drug recovery rate, and sugar content in hydrolysate %

在檸檬酸體系中加入了氯化鐵，以期進一步提高CNC得率。結果表明，隨著氯化鐵的加入，CNC的得率有明顯提高，當氯化鐵的添加量為0.05 mmol/g檸檬酸時，CNC的得率達到最高，為60.2%，相比無催化劑組提高了40%，是沒有微射流輔助純檸檬酸水解法的6倍。這一結果可以從氯化鐵和纖維素的化學結構上解釋；一方面，氯化鐵在水中的電離呈酸性，加入氯化鐵增加了水解體系的氫離子濃度，加速了纖維素糖苷鍵的斷裂；其次，Fe3+的外圍軌道為缺電子狀態，對含氧化合物具有強吸引力，可以與糖苷氧絡合形成配合物，削弱糖苷鍵強度；另外，Cl-具有強氫鍵接受能力，能夠吸附羥基中的氫，破壞纖維素原本的氫鍵網絡，進而降低了反應的活化能[11,16]。而微射流可以將已經水解但還微弱連接的糖苷鍵進一步破壞，從而有效促進了原始纖維納米化的進程，提高了CNC的得率，如圖1所示。

圖1 檸檬酸水解結合氯化鐵催化和微射流制備CNC的示意圖Fig.1 Preparation diagram of CNC by citric acid hydrolysis combined with ferric chloride and microfluidization

當進一步增加氯化鐵用量時，CNC的得率發生了明顯下降，這可能是因為過量的氯化鐵導致了部分纖維的過度降解，這與糖分分析結果是一致的。隨著氯化鐵的增多，水解液中的葡萄糖含量也在不斷增加，而CNC和CNF總得率持續下降。此外，木糖含量遠高于葡萄糖含量，約為10～20倍，這是因為富含支鏈和無定形區的半纖維素在酸性高溫條件下很不穩定，更易被降解。水解結束后，通過簡單的旋轉蒸發，可以將使用過的檸檬酸和氯化鐵結晶回收，各條件下藥品的回收率均高于89.6%。

2.2 CNC/CNF的宏觀形貌

圖2為CNC和CNF懸浮液的照片。如圖2所示，制備的CNC懸浮液呈淺藍色透明狀。從離心沉淀中收獲的CNF呈乳白渾濁狀，其懸浮液不能透光。

圖2 CNC和CNF懸浮液的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of CNC and CNF suspensions

由于CNC具有手性向列液晶結構，可以通過雙折射現象快速判斷懸浮液中納米晶體的存在。圖3顯示了CNC懸浮液的雙折射現象與透射率。如圖3（a）所示，每組樣品在震蕩下都展現出了明顯的流動雙折射現象，初步證實成功制備了CNC。為了進一步探究樣品的透明度，將所有樣品稀釋到同一質量分數（0.2%），通過紫外光譜儀表征了CNC懸浮液的透射率（見圖3（b））。所有CNC懸浮液都表現出了高透射率，這是因為納米晶須的粒徑遠小于可見光波長，對光的散射程度較小，所以透明度較高[17]。無催化劑組的透射率略低，可能的原因是該條件下的CNC尺寸略大且分散性較低。由圖3（c）可知，所有樣品在600 nm處的透過率均大于87.8%，這已經優于先前報道的用甲酸低共熔溶劑（DES）水解法制備的CNC（得率＜70%，質量分數0.01%）[18]。CNC良好的光學性能使其在透明柔性電子器件、包裝材料等領域具有一定的應用優勢[17]。

2.3 CNC/CNF的微觀形貌分析

通過AFM觀察了纖維的微觀形貌，如圖4所示。從圖4（a）可以看出，CNC呈現出典型的短棒狀結構，CNF則表現出密集纏繞的纖絲狀（圖4（b））。由于檸檬酸的弱酸性，在無催化劑的情況下，CNC-0也表現出了部分的聚集，而隨著氯化鐵添加量的增加，CNC之間團聚的情況得到了明顯改善。這可能是因為氯化鐵檸檬酸體系與纖維素之間的相互作用，削弱了纖維素分子間的作用力，使纖維致密化程度降低。

圖4 CNC和CNF的AFM圖Fig.4 AFM images of CNC and CNF

表2顯示了不同條件下制備的CNC/CNF的尺寸。根據表2的統計數據可以看出，CNC的平均長度為118.9～506.9 nm，CNF的長度在368.6～675.4 nm之間。隨著氯化鐵添加量的增多，纖維的尺寸分布更加集中，平均長度明顯變短。這說明了氯化鐵能有效破壞纖維素糖苷鍵的連接，進一步打破了纖維素大分子的長鏈結構。然而，CNC和CNF的直徑變化不大，均在5～10 nm之間，這可能是因為在實際水解過程中，氯化鐵對纖維素分子間氫鍵網絡解離的作用小于對分子鏈中糖苷鍵的破壞作用。相對應的，隨著氯化鐵添加量的增多，CNC和CNF的長徑比也在進一步降低。

表2 CNC/CNF的尺寸Table 2 Dimensions of CNC/CNF

2.4 CNC/CNF的XRD分析

圖5展示了CNC/CNF的XRD曲線及對應的結晶度。從圖5可以看出，所有樣品均呈現出與天然I型纖維素相似的XRD曲線，其結晶峰位于2θ=15.8°、22.5°、34.5°附近，分別對應 （110）、（200） 和（004）晶面[19]，這說明本研究并未改變原始纖維的晶格結構。隨著氯化鐵添加量的增多，CNC的結晶度呈現先增大后減小的趨勢，CNC-0.05的結晶度達到最大（74.7%），與原料BSBP相比提高了5.9個百分點，這說明檸檬酸和氯化鐵的協同作用使BSBP纖維的無定形區被成功打破，從而釋放出了具有更多結晶區域的納米纖維。但當氯化鐵添加量達到0.07 mmol/g檸檬酸時，結晶度上升的趨勢發生了逆轉，這是由于過多的氯化鐵在嚴苛的條件下，使纖維素相對穩定的結晶區也受到了破壞所致[16]。CNF由于含有更多的非結晶區，其結晶度普遍小于相同水解條件下的CNC，這與預期相同。研究表明，結晶度對納米纖維素復合材料的機械性能有正向影響[20]，基于此，本研究中氯化鐵最優的添加量為0.05 mmol/g檸檬酸。

圖5 CNC/CNF的XRD譜圖和結晶度Fig.5 XRD patterns and crystallinity of CNC/CNF

2.5 CNC/CNF的表面化學性質分析

圖6為CNC/CNF和原料BSBP的紅外光譜。如圖6所示，所有樣品均保留了天然I型纖維素的特征峰，包括3420 cm-1處的―OH拉伸振動峰，2897 cm-1處的―CH伸縮振動峰，1435 cm-1處的―CH彎曲振動峰及1115 cm-1處的C―O―C伸縮振動峰。與原料不同的是，CNC/CNF在1735 cm-1附近產生了一個新的信號峰，該峰表示C= = O拉伸信號，這說明檸檬酸與纖維素發生了酯化反應，在CNC/CNF表面引入了羧基[11]。

圖6 CNC和CNF的FT-IR譜圖Fig.6 FT-IR spectra of CNC and CNF

CNC/CNF的表面羧基含量變化如圖7所示。從圖7可以看出，同一水解條件下CNC的羧基含量高于CNF，這可能是因為CNC的尺寸更小、分散性更好，在水解體系中獲得了更多與檸檬酸發生酯化反應的機會。隨著氯化鐵的增多，產物表面的羧基含量呈現先上升后減少的趨勢，氯化鐵添加量為0.07 mmol/g檸檬酸時，CNC的羧基含量達到最高（1.01 mmol/gCNC），約為無催化劑組（0.55 mmol/g CNC）的2倍。繼續增加氯化鐵添加量，則會導致羧基含量的下降，這是因為過多的氯化鐵導致了原纖維的過分降解，使部分酯化的納米纖維也被降解成了單糖，Saini等人[21]通過硫酸催化有機酸水解的研究中也發現了類似的現象。綜合來看，在氯化鐵的輔助下，可以獲得羧基含量為0.68～1.01 mmol/g的CNC，以及羧基含量為0.46～0.79 mmol/g的CNF，這已經遠高于在相似條件下通過草酸、對苯甲磺酸、馬來酸水解制備的納米纖維素的羧基含量（＜0.4 mmol/g）[3]。相關研究表明，高羧基含量的CNC/CNF具有多活性位點和優異的陽離子絮凝能力，在重金屬吸附及污水凈化領域具有應用潛力[22]。同時，由于陰離子羧基的存在，纖維間具有較強的靜電排斥力和良好的分散穩定性，有效減低了后續機械處理的能量消耗，且明顯減少了微射流處理過程中發生堵塞和停機的幾率，有利于納米纖維素的節能化生產。

2.6 CNC/CNF懸浮液的分散穩定性分析

CNC/CNF懸浮液的分散穩定性可以通過Zeta電位來評估，Zeta電位絕對值越高則說明納米粒子的表面電荷與靜電排斥力越大[23]。通常，膠體懸浮液的絕對Zeta電位大于35 mV時可形成穩定的分散體系[24]。如表3所示，本研究所制備的CNC和CNF都具有良好的分散穩定性。CNC懸浮液的絕對Zeta電位為57.6～97.0 mV，CNF的絕對Zeta電位則略低，在46.6～61.9 mV之間。這主要有兩方面的原因，一方面可能是因為CNF的表面羧基含量相對較低，納米纖絲之間形成的電荷排斥力也就較弱；另外從纖維微觀形貌上看，CNF的尺寸較大，部分纖絲相互纏繞形成了纖維簇，在重力作用下更容易發生沉降。隨著氯化鐵添加量的增加，CNC/CNF懸浮液的分散穩定性也在不斷提高，這也與納米纖維素表面羧基含量的增加及粒徑的減小有關。雖然CNC/CNF-0.09的羧基含量略低，但該條件下獲得的納米纖維是所有產品中尺寸最小且最均勻的，對應的納米粒子表面積增大，分子間作用力增強，不易在重力作用下沉降，因此其懸浮液的絕對Zeta電位還在持續增大。

表3 CNC/CNF懸浮液（質量分數0.20%）的Zeta電位Table 3 Zeta potential of CNC/CNF suspensions (0.20 wt%)

2.7 CNC/CNF的熱穩定性分析

圖8為CNC和CNF的熱分解曲線（TG）和質量損失速率曲線（DTG），表4展示了不同條件下CNC和CNF的起始熱解溫度（T0）和最大熱分解溫度（Tmax）。從圖8可以看出，所有樣品的TG和DTG曲線都顯示了相似的質量變化規律。從表4中可以看出，CNC 的T0為 298～302 ℃，CNF 的T0在 300～310 ℃之間，普遍低于原料BSBP的321.0 ℃。這是因為水解后所得的納米纖維素尺寸很小且分散性更強，在熱解聚過程中會暴露出更大的受熱面積，這會加速熱量分布，從而降低熱穩定性[25]。

表4 CNC/CNF的起始熱解溫度（T0）和最大熱分解溫度（Tmax）Table 4 Initial pyrolysis temperature (T0) and maximam thermal decomposition temperature (Tmax) of CNC/CNF

同一水解條件下，CNC/CNF的熱穩定性隨著氯化鐵添加量的增多呈下降趨勢，此現象除了與產品粒徑有關，還與纖維表面的羧基含量有關。羧基含量的增多會破壞纖維素原本的氫鍵網絡，形成不耐熱的葡萄糖醛酸，從而影響了產物的熱穩定性。在Isogai等人[26]的研究中也有類似的發現。但影響納米纖維素的熱穩定性變化的因素還有很多，例如纖維的來源、自然結構、化學組成和處理方法等[27]。目前，纖維素熱穩定性變化的確切原因仍不清楚，其機理還有待進一步的研究。

在本研究中，所有CNC/CNF的T0仍高于298.8 ℃，優于通過草酸水解法（204 ℃）及酒石酸水解法（222 ℃）從BSBP中制備的納米纖維素[1]。這說明該工藝下制備的CNC/CNF在耐熱性方面有較大優勢，可應用在耐高溫納米復合材料上。

3 結 論

本研究以檸檬酸為水解試劑，氯化鐵為催化劑，結合短時微射流輔助，從漂白蔗渣漿中高得率地分離出了具有較高羧基含量的CNC和CNF，且水解結束后檸檬酸和氯化鐵還可回收再利用。

3.1 氯化鐵和微射流的輔助使CNC的得率提高至60.2%，相比不加入催化劑組提高了40%，是不使用氯化鐵和微射流輔助所得CNC得率的6倍。

3.2 氯化鐵的添加使纖維尺寸更短且分布更均勻。CNC的長度在600 nm以內，CNF的長度小于1.2 μm，直徑均在5～10 nm之間。

3.3 氯化鐵的添加可提高CNC結晶度和表面羧基含量，CNC的結晶度提高到了74.7%，羧基含量高達1.01 mmol/g CNC。

3.4 氯化鐵的添加提高了CNC和CNF在水中的分散穩定性，CNC/CNF懸浮液的絕對Zeta電位大于46.6 mV。

3.5 氯化鐵添加量過高會導致纖維的過度降解和產品性能的下降，因此最優條件為：氯化鐵添加量0.05 mmol/g檸檬酸，檸檬酸質量分數80%，水解條件為100 ℃、4 h。