劉志明，王海英，孟 圍，謝 成

(1.東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150040;2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

超聲化學(xué)處理作為制備納米材料的一種十分有效的技術(shù)，具有操作簡單、易于控制、效率高，可以細(xì)化納米粒子，促進(jìn)納米粒子晶型轉(zhuǎn)化等優(yōu)點，廣泛用于輔助納米材料的制備［1］。響應(yīng)面法(response surface methodology，RSM)最早是由數(shù)學(xué)家Box和Wilson于1951年提出來的，是能夠解決線性和非線性多元回歸問題的建模工具，通過數(shù)學(xué)模型，精確地表述因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系，同時可根據(jù)數(shù)學(xué)模型控制響應(yīng)值，選擇不同的操作參數(shù)，尋求最佳工藝參數(shù)。一般先通過單因素法選出對響應(yīng)值有最大影響的因素，然后根據(jù)因素水平數(shù)和實驗點的不同，來選擇合適的實驗方法［2-3］。童洋等［4］采用響應(yīng)面法優(yōu)化螺旋藻中葉綠素的超聲提取工藝。隋鑫金等［5］采用響應(yīng)面法研究了工業(yè)堿木素?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制備酚類化學(xué)品的工藝優(yōu)化。響應(yīng)面法最常用的是星點設(shè)計(central composite design，CCD)，與星點設(shè)計相比，Box-Behnken 設(shè)計(box-behnken design，BBD)所需的實驗次數(shù)相對較少，效率高且所有的影響因素不會同時處于高水平，所有的實驗點都落在安全操作區(qū)域內(nèi)，Box-Behnken設(shè)計也正被廣泛應(yīng)用［6-7］。纖維素是環(huán)境友好型高分子化合物，纖維素在一定條件下進(jìn)行酸水解，當(dāng)聚合度下降到趨于平衡時所得到的產(chǎn)品稱為微晶纖維素(microcrystalline cellulose，MCC)，通常其粒徑大小一般在20～80 μm之間。當(dāng)纖維素具有納米尺度時，稱為納米纖維素(nanocrystalline cellulose，NCC)，其粒徑大小一般在30 nm ～100 nm之間［8］。納米纖維素按其形貌可以分為納米纖維素晶體(晶須)、納米纖維素復(fù)合物和納米纖維素纖維。強(qiáng)酸水解植物、細(xì)菌、動物纖維素和微晶纖維素可制備納米纖維素晶體(晶須)。這種晶體長度為10 nm～1000 nm，橫截面尺寸5 nm ～20 nm，長度與橫截面尺寸的比為1∶1～100∶1。天然高分子納米纖維素晶體(晶須)具有非常高的強(qiáng)度，可以作為新興的納米精細(xì)化工產(chǎn)品［9］。納米纖維素在聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與物性上的特殊性，如高彎曲強(qiáng)度等［10-12］，且具有可降解、生物相容性好等特點［13-15］，使其在功能材料等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。本項研究以蘆葦漿為原料，利用超聲輔助硫酸水解法制備納米纖維素，響應(yīng)面法優(yōu)化制備工藝條件，為納米纖維素及其功能材料的制備提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗

1.1 材料與儀器

漂白蘆葦漿(黑龍江省牡丹江恒豐紙業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司);硫酸(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心)。

101-2A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司);KQ-200VDE型三頻數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);Scientz-ΙΙD超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司);FD-1A-50冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司);Magna-IR560型傅里葉變換紅外光譜儀(美國尼高力Nicolet儀器有限公司);D/max-RB X ( Rigaku限公司);H-7650型透射電子顯微鏡(日本日立Hitachi儀器有限公司)。

1.2 納米纖維素的制備

將一定質(zhì)量濃度的硫酸溶液倒入裝有一定質(zhì)量蘆葦漿的燒杯中，在超聲清洗儀中超聲預(yù)處理一定時間，然后在一定溫度下水解，得到懸浮液，離心洗滌至pH值6～7，對產(chǎn)物進(jìn)行超聲波處理數(shù)分鐘，得到穩(wěn)定的納米纖維素膠體，真空冷凍干燥后得到固體納米纖維素。

1.3 單因素實驗

在相同的水解時間下，分別以不同的超聲預(yù)處理時間(20 min、30 min、40 min)、硫酸濃度(50%、55%、60%)和反應(yīng)溫度(45℃、50℃、55℃)為單因素，考察各因素對納米纖維素得率的影響。

1.4 Box-Behnken 設(shè)計實驗

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，確定Box-Behnken設(shè)計的自變量，以納米纖維素得率為響應(yīng)值，響應(yīng)面法進(jìn)行納米纖維素制備工藝條件的優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 超聲時間對納米纖維素得率的影響

在硫酸濃度55%，反應(yīng)溫度50℃，水解時間4 h，研究不同超聲時間對NCC得率的影響，實驗結(jié)果見表1。由表1可知，隨著超聲時間的逐漸延長，NCC得率先升高后降低，超聲時間為30 min時，NCC得率最高為73.95%。這可能是由于蘆葦漿置于55%的濃硫酸中，用超聲波進(jìn)行預(yù)處理時超聲波會超聲次空化，使得纖維素分子間的氫鍵減弱［16］，同時超聲波可以提高纖維素表面的可及度，使得高濃度氫離子更有效的進(jìn)入纖維素的無定形區(qū)，破壞氫鍵，結(jié)晶區(qū)中存在晶形缺陷的部分逐漸水解，而規(guī)整的晶區(qū)結(jié)構(gòu)得到保留［17］，即水解得到納米纖維素，所以提高了得率。但是隨著超聲時間的延長，纖維素分子間氫鍵減弱到最低值時，纖維素表面可及度幾乎不會增加，與此同時將會有更多高濃度氫離子進(jìn)入纖維素鏈內(nèi)，將會使得纖維素?zé)o定形區(qū)先被水解后有更多晶區(qū)的纖維素被酸解成更多水溶性糖類物質(zhì)，所以得率將會降低。因此，超聲預(yù)處理時間應(yīng)在30 min時為最佳。

2.1.2 硫酸濃度對納米纖維素得率的影響

超聲時間30 min，反應(yīng)溫度50℃，水解時間4 h表1。由表1可知，隨著硫酸濃度的逐漸增加，NCC得率先升高后降低，當(dāng)硫酸濃度為55%時，NCC得率最高為72.90%。這可能是由于硫酸溶液的濃度較高時，發(fā)生均相水解，納米纖維素一部分降解為葡萄糖［15］。因此，硫酸濃度以55%為最佳。

2.1.3 反應(yīng)溫度對納米纖維素得率的影響

超聲時間30 min，硫酸濃度55%，水解時間4 h，研究反應(yīng)溫度對NCC得率的影響，實驗結(jié)果見表1。由表1可知，隨著反應(yīng)溫度的逐漸升高，NCC得率先升高后降低，當(dāng)反應(yīng)溫度為50℃時，NCC得率最高為73.10%。纖維素的超分子結(jié)構(gòu)，是由結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)交錯綜合的體系［18］，最初的水解過程除去的是纖維素的無定形區(qū)，進(jìn)一步水解導(dǎo)致一些易于可及的非結(jié)晶區(qū)的長鏈的葡萄糖部分?jǐn)嗔眩?9］，所以隨著溫度的升高，NCC得率會逐漸升高;但溫度繼續(xù)升高時，纖維素進(jìn)一步水解為葡萄糖，所以導(dǎo)致NCC得率降低［15］。因此，反應(yīng)溫度以50℃為最佳。

NCC超聲法制備機(jī)理如圖1所示。

圖1 NCC超聲法制備機(jī)理

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化納米纖維素制備工藝條件

2.2.1 響應(yīng)面分析因素水平的選取

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選取超聲時間(X1)、硫酸濃度(X2)、反應(yīng)溫度(X3)3個因素進(jìn)行Box-Behnken設(shè)計，利用 Design-Expert 7.0.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以-1、0、1分別代表自變量的低、中、高水平，響應(yīng)面分析因素與水平見表2。

表2 響應(yīng)面分析因素與水平

2.2.2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

以X1、X2、X3為自變量，以NCC得率為響應(yīng)值(Y)，采用Box-Behnken設(shè)計，響應(yīng)面分析方案及實驗結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面分析方案及實驗結(jié)果

對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸，回歸方程為:

對該模型進(jìn)行方差分析，回歸方程中各變量對響應(yīng)值影響的顯著性，由F值來判定，概率P值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高。模型的一次項X1超聲時間、X2硫酸濃度、X3反應(yīng)溫度的P值依次減小，因此，對于納米纖維素得率，反應(yīng)溫度對其影響最大，其次是硫酸濃度，超聲時間對其影響最小;二次項X12顯著，X22極顯著，X32不顯著;交互項X1X2、X1X3不顯著，X2X3極顯著。從納米纖維素得率的實際值與預(yù)測值擬合情況可知，實驗值和預(yù)測值擬合良好。整體的回歸方程的P值小于0.01，決定系數(shù)R2為0.91，響應(yīng)變量高于0.80，證明此模型顯著，可充分地反映各變量之間的關(guān)系［20］。

在響應(yīng)面優(yōu)化出來的超聲預(yù)處理硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素的最優(yōu)工藝條件為超聲時間32.03 min、硫酸濃度 52.18%，反應(yīng)溫度 53.87 ℃，但考慮到實際操作的便利，將最佳工藝條件修正為超聲時間32 min、硫酸濃度52%，反應(yīng)溫度54℃。在此工藝條件下，實際測得納米纖維素得率平均值為78.67%，與響應(yīng)面模型預(yù)測的值79.86%相接近，所以響應(yīng)面實驗設(shè)計準(zhǔn)確。預(yù)測值與實驗值之間的差異可能由實驗操作等因素引起。

根據(jù)擬合函數(shù)，每兩個因素對納米纖維素得率做出響應(yīng)面?？紤]到定性分析各因素納米纖維素得率的關(guān)系，固定另外兩個因素時，均做“0”處理，具體因素水平見表3，圖2～圖4直觀地反應(yīng)了各因素對響應(yīng)值的影響。從圖2～圖4可知，各因素間均具有較強(qiáng)的交互作用。

圖2 超聲時間(X1)和硫酸濃度(X2)對納米纖維素得率的影響(X3=0)

圖3 超聲時間(X1)和反應(yīng)溫度(X3)對納米纖維素得率的影響(X2=0)

圖4 硫酸濃度(X2)和反應(yīng)溫度(X3)對納米纖維素得率的影響(X1=0)

2.3 性能表征

2.3.1 傅里葉變換紅外光譜分析

從NCC和MCC傅里葉變換紅外譜圖可知，NCC 在 3420 cm-1、2890 cm-1、1630 cm-1、1430 cm-1處有較強(qiáng)吸收峰，與MCC的峰值基本一致，而3420 cm-1、2900 cm-1、1430 cm-1分別是羥基、C—H、纖維素葡萄糖上—CH2吸收峰［21］，說明所得產(chǎn)品是纖維素類物質(zhì)［22］。

2.3.2 X 射線衍射分析

從NCC的X射線衍射圖譜可知，NCC中2θ=14.8°，16.3°和 22.6°處的衍射峰分別對應(yīng)Ⅰ型纖維素晶面的衍射峰［23］，說明超聲輔助硫酸水解蘆葦漿制備的納米纖維素為纖維素Ⅰ型。依據(jù)參考文獻(xiàn)［24］計算 NCC 結(jié)晶度是 69.36%。

2.3.3 透射電子顯微鏡分析

圖5為NCC的透射電子顯微鏡圖。

由圖5可知，超聲輔助硫酸水解蘆葦漿制得的納米纖維素呈棒狀，與未超聲制備的納米纖維素相比，形貌更規(guī)整。

圖5 未超聲(a)和超聲(b)制備的NCC透射電子顯微鏡圖

3 結(jié)論

納米纖維素在聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與物性上的特殊性，使其在食品、化妝品、造紙和生物醫(yī)學(xué)材料等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此蘆葦漿除了作為紙漿造紙外，還可用于生產(chǎn)高附加值的納米纖維素及其功能材料。響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素結(jié)果表明:對于納米纖維素得率，反應(yīng)溫度對其影響最大，其次是硫酸濃度，超聲時間對其影響最小;響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素的最佳工藝條件為超聲時間32 min，硫酸濃度52%，反應(yīng)溫度54℃，納米纖維素得率最高，為78.67%。最佳工藝條件制備的納米纖維素為纖維素Ⅰ型;形貌規(guī)整，呈棒狀，交織成網(wǎng)狀。蘆葦漿納米纖維素超聲法制備工藝優(yōu)化模型為蘆葦漿納米纖維素的產(chǎn)業(yè)化提供新思路。

［1］程新峰，付云芝，張小嬌.超聲法制備納米材料的研究進(jìn)展［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2010，42(11):1-3，13.

［2］Khayet M，Cojocaru C，Essalhi M.Artificial neural network modeling and response surface methodology of desalination by reverse osmosis［J］.Journal of Membrane Science，2011，368:202-214.

［3］Muralidhar R V，Chirumamila R R，Marchant R，et al.A response surface approach for the comparison of lipase production by Candida cylindracea using two different carbon sources［J］.Biochemical Engineering Journal，2001，9:17-23.

［4］童洋，肖國民，潘曉梅.響應(yīng)面法優(yōu)化螺旋藻中葉綠素的超聲提取工藝［J］.化工學(xué)報，2009，60(11):2813-2819.

［5］隋鑫金，武書彬.工業(yè)堿木素?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制備酚類化學(xué)品［J］.化工學(xué)報，2011，62(6):1763-1769.

［6］Ferreira S L C，Bruns R E，F(xiàn)erreira H S，et al.Box-Behnken design:An alternative for the optimization of analytical methods［J］.Analytica Chimica Acta，2007，597:179-186.

［7］Raffin M，Germain E，Judd S.Optimising operation of an integrated membrane system(IMS)-A Box-Behnken approach［J］.Desalination，2011，273:136-141.

［8］蔣玲玲，陳小泉.納米纖維素晶體的研究現(xiàn)狀［J］.纖維素科學(xué)與技術(shù)，2008，16(2):73-78.

［9］葉代勇.納米纖維素的制備［J］.化學(xué)進(jìn)展，2007，19(10):1568-1574.

［10］?turcová A，Davies G R，Eichhorn S J.Elastic modulus and stress-transfer properties of tunicate cellulose whiskers［J］.Biomacromolecules，2005，6:1055-1061.

［11］Helbert W，Cavaillé J Y，Dufresne A.Thermoplastic nanocomposites filled with wheat straw cellulose whiskers.part I:processing and mechanical behavior［J］.Polymer Composites，1996，17:604-611.

［12］Nishino T，Takano K，Nakamae K.Elastic modulus of the crystalline regions of cellulose polymorphs［J］.Journal of Polymer Science Part B:Polymer Physics，1995，33:1647-1651.

［13］鄔義明.植物纖維化學(xué)［M］.北京:輕工業(yè)出版社，1991:152-153.

［14］Cunha A G，F(xiàn)reire C S R，Silvestre A J D，et al.Preparation and characterization of novel highly omniphobic cellulose fibers organic-inorganic hybrid materials［J］.Carbohydrate Polymers，2010，80:1048-1056.

［15］唐麗榮，黃彪，戴達(dá)松，等.納米纖維素制備優(yōu)化及其形貌表征［J］.福建林學(xué)院學(xué)報，2010，30(1):88-91.

［16］葉君，梁文芷，范佩明，等.超聲波處理引起紙漿纖維素結(jié)晶度變化［J］.廣東造紙，1999(2):6-10.

［17］Elazzouzzouzi-Hafraoui S，Nishiyama Y，Putaux J L，et al.The shape and size distribution of crystalline nanoparticles prepared by acid hydrolysis of native cellulose［J］.Biomacromolecules，2008，9(1):57-65.

［18］李偉，王銳，劉守新.納米纖維素的制備［J］.化學(xué)進(jìn)展，2010，22(10):2060-2070.

［19］Revol J F，Bradford H，Giasson J，et al.Helicoidal self-ordering of cellulose microfibrils in aqueous suspension［J］.International Journal of Biological Macromolecules，1992，14:170-172.

［20］李鵬飛，蔣玉梅，李霽昕，等.響應(yīng)曲面法優(yōu)化苦水玫瑰中抗氧化物質(zhì)提取工藝參數(shù)［J］.食品工業(yè)科技，2011(7):278-282.

［21］李金玲，周劉佳，葉代勇.硫酸銅助催化制備納米纖維素晶須［J］.精細(xì)化工，2009，26(9):844-849.

［22］高潔，湯烈貴.纖維素科學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1996:50-58.

［23］唐麗榮，黃彪，李玉華，等.納米纖維素超微結(jié)構(gòu)的表征與分析［J］.生物質(zhì)化學(xué)工程，2010，44(2):1-4.

［24］Kaplan D L.Biopolymers from renewable resources［M］.Berlin:Springer，1998:1-417.