張?jiān)骑w，李堅(jiān)斌，2*，莫志鵬，申潤艷，魏群舒，方坤

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004)

由于化石燃料能源的快速消耗以及其對環(huán)境的不利影響，可再生能源替代品越來越引起人們的關(guān)注[1]。眾所周知，在糖和酒精行業(yè)生產(chǎn)的甘蔗渣是主要木質(zhì)纖維素材料之一，被認(rèn)為是生物乙醇生產(chǎn)的有價(jià)值原料，特別是在巴西、中國和印度等國家[2，3]。據(jù)估計(jì)，每噸甘蔗可以生產(chǎn)約280 kg的甘蔗渣。世界上每年生產(chǎn)約5億噸甘蔗，相當(dāng)于產(chǎn)生了超過1.4億噸甘蔗渣[4]。因此，充分利用這些廉價(jià)材料生產(chǎn)生物乙醇對經(jīng)濟(jì)和環(huán)境都有很大的好處。甘蔗渣主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三部分組成，其中纖維素在分子內(nèi)和分子間氫鍵的作用下，形成微晶纖維絲，半纖維素、木質(zhì)素則作為微纖絲之間的填充劑和黏結(jié)劑，包裹著纖維素[5]。由于甘蔗渣的這種結(jié)構(gòu)特征，不利于反應(yīng)試劑的滲透及擴(kuò)散，很大程度上限制了甘蔗渣的應(yīng)用范圍，加大了其利用難度[6]。 因此，需要對甘蔗渣進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，除去半纖維素、木質(zhì)素，降低纖維素的結(jié)晶度，從而提高利用效率。

堿處理是當(dāng)前最有效的預(yù)處理工藝之一[7]。堿處理的機(jī)理是在堿性條件下，半纖維素、木質(zhì)素及其他組分間的酯鍵發(fā)生皂化作用，去除木質(zhì)素，并保留綜纖維素，從而能夠有效地提高木質(zhì)纖維素的酶解性能，另外堿溶液還可以溶解木質(zhì)纖維素中的灰分成分，去除乙?；?，溶脹纖維素，降低結(jié)晶度[8]。結(jié)晶度(CrI)是通常用于量化纖維素材料中存在的晶體結(jié)構(gòu)量的參數(shù)，并且還用于解釋物理化學(xué)和生物處理后纖維素晶體結(jié)構(gòu)的變化[9]。測量CrI的方法包括X射線衍射(XRD)[10]，固態(tài)13C核磁共振(NMR)光譜[11]、FT-IR光譜和拉曼光譜[12]。堿性預(yù)處理是能夠去除幾乎全部木質(zhì)素并降低蔗渣結(jié)晶度，從而提高酶效率的最有效方法之一[13-15]。

關(guān)于低濃度的NaOH溶液預(yù)處理的甘蔗渣的報(bào)道有很多，對于高濃度的堿液處理甘蔗渣以及堿液處理甘蔗渣過程中晶體結(jié)構(gòu)的研究卻鮮見報(bào)道。在本文中，使用4%～52%濃度的NaOH溶液對甘蔗渣進(jìn)行預(yù)處理，使用XRD和FT-IR方法，探討在堿處理過程中纖維素晶體結(jié)構(gòu)的變化情況，對工業(yè)中提高甘蔗渣的利用效率、降低成本、選擇最佳堿液濃度處理等具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘蔗渣：取自廣西明陽糖廠；NaOH、KBr：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，以上試劑均為AR級。

DHG-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HL-150高速多功能粉碎機(jī) 上海賽耐機(jī)械有限公司；FRITSCH粉碎機(jī) 德國Idear-Oberstein公司；SHB Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；MR磁力攪拌器 德國Heidolph公司；TENSOR Ⅱ型傅里葉變換紅外光譜儀 美國Bruker公司；MiniFlex 600 X射線衍射儀 日本Rigaku公司；臺式掃描電鏡 上海復(fù)納科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 蔗渣的預(yù)處理

將從糖廠獲得的甘蔗渣風(fēng)干，用大量的蒸餾水沖洗，在溫度為60 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干過夜。將烘干后的甘蔗渣自然冷卻，置于粉碎機(jī)中粉碎，過100目篩，用塑料封口袋收集篩后的蔗渣，置于干燥器中保存?zhèn)溆肹16]。

1.2.2 不同濃度的NaOH處理蔗渣

配制濃度分別為4%、8%、12%、16%、20%、28%、36%、44%、52%的NaOH溶液。取2 g過篩后的蔗渣3份置于3個(gè)錐形瓶中，編號。向3個(gè)錐形瓶中加入40 mL上述配制好的NaOH溶液，置于溫度為40 ℃、轉(zhuǎn)速為400 r/min的磁力攪拌器上，磁力攪拌2 h。使用真空泵抽濾反應(yīng)后錐形瓶中的混合物，棄去液體，取固體。用大量的蒸餾水洗至中性，抽濾，取固體，置于溫度為60 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中烘干過夜，將烘干后的樣品用研缽研細(xì)，用塑料封口袋收集，編號，置于干燥器中保存。處理一式三份進(jìn)行。

1.2.3 X射線衍射(XRD)

纖維素具有兩個(gè)X射線衍射特征峰，與晶面有關(guān)(Bragg angles, 2θ)。第一個(gè)峰I1與纖維素的非結(jié)晶區(qū)有關(guān)，纖維素I為18°，纖維素II為16°。第二個(gè)峰對應(yīng)于纖維素的結(jié)晶區(qū)，對于纖維素I，2θ介于22°～23°，對于纖維素II，2θ介于18°～22°。未處理和NaOH預(yù)處理的SCB樣品通過MiniFlex 600 X射線衍射儀進(jìn)行分析，在觀察之前將樣品蓋在顯微載玻片上。以0.2 s的時(shí)間間隔按2θ=2°～60°，以2°的步長收集掃描。僅對一些隨機(jī)選取的樣品進(jìn)行兩次掃描。SCB的結(jié)晶度指數(shù)(CrI)計(jì)算方法如下：

CrI=(I002-Iam)×100/I002。

式中：I002為在2θ=22.4°處來自002平面的衍射強(qiáng)度，Iam為在2θ=18.4°處的衍射強(qiáng)度。

1.2.4 傅里葉紅外光譜(FT-IR)

將研磨后的蔗渣在溫度為60 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥5 h，溴化鉀在溫度為121 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥4 h。在TENSOR Ⅱ型傅里葉變換紅外光譜儀配套的烘箱前研磨制樣。壓片后使用FT-IR光譜儀獲得樣品的FT-IR光譜，掃描范圍為4000～400 cm-1，掃描間隔為2 cm-1。

作為一種補(bǔ)充方法，F(xiàn)T-IR被廣泛應(yīng)用于估計(jì)纖維素的結(jié)晶度值，與之前計(jì)算CrI值的研究方法相比，F(xiàn)T-IR計(jì)算相對結(jié)晶度是根據(jù)吸收帶的比例來計(jì)算的[17，18]。主要方法有4種：橫向有序指數(shù)(LOI)A1429/A897；總結(jié)晶度值(TCI)A1374/A2900；A1374/A668；A1058/A1374[19，20]。式中：A表示在FT-IR光譜中某個(gè)波數(shù)下的吸光度值。

1.2.5 掃描電子顯微鏡(SEM)

使用臺式掃描電鏡，將樣品顆粒置于樣品架上的碳導(dǎo)電帶上，壓制蔗渣顆粒以確保顆粒之間沒有留下空隙，松散的顆粒由噴霧器除塵。經(jīng)噴金系統(tǒng)涂膜后進(jìn)行觀測。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用Origin 8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 X射線衍射(XRD)方法表征甘蔗渣的結(jié)構(gòu)變化

Dadi等指出，纖維素物質(zhì)的結(jié)晶度是影響酶解反應(yīng)的重要因素。當(dāng)用NaOH溶液處理纖維素時(shí)，纖維素的形態(tài)、分子和超分子性質(zhì)會發(fā)生相當(dāng)大的變化，同時(shí)也會引起纖維素的結(jié)晶度、孔結(jié)構(gòu)、可接近性、剛度及結(jié)晶度的變化[21]。未經(jīng)處理的甘蔗渣和經(jīng)不同濃度的NaOH溶液處理的甘蔗渣的XRD圖見圖1。

圖1 蔗渣經(jīng)不同濃度的NaOH溶液處理后的XRD譜圖Fig.1 XRD spectrogram of bagasse treated with different concentration of NaOH solution

注：a為未經(jīng)NaOH處理的蔗渣；b為 4% NaOH處理的蔗渣；c為8% NaOH處理的蔗渣；d為12% NaOH處理的蔗渣；e為16% NaOH處理的蔗渣；f為20% NaOH處理的蔗渣；g為28% NaOH處理的蔗渣；h為36% NaOH處理的蔗渣；i為44% NaOH處理的蔗渣； j為52% mol/L NaOH處理的蔗渣。

由圖1可知，未經(jīng)堿液處理的甘蔗渣的晶型結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出典型的纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)，在20°～22°之間只有一個(gè)高強(qiáng)度的衍射峰[22]。與未經(jīng)處理的甘蔗渣樣品相比，使用4%和8%的NaOH溶液處理2 h后，甘蔗渣生物質(zhì)在20°～22°的衍射峰強(qiáng)度明顯增高，但仍然是纖維素Ⅰ型的結(jié)構(gòu)。當(dāng)NaOH溶液的濃度增大到12%時(shí)，與濃度低于8%的NaOH溶液處理的甘蔗渣的圖譜相比，其最大衍射峰的峰強(qiáng)度降低。纖維素的晶型開始發(fā)生改變，不再是典型的纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用16%的NaOH溶液處理甘蔗渣2 h后，XRD圖譜中20°～22°之間不再是一個(gè)單一的高強(qiáng)度衍射峰，而是兩個(gè)衍射峰，并且在低角度12°附近開始出現(xiàn)一個(gè)衍射強(qiáng)度較低的峰，這是纖維素Ⅱ型的結(jié)構(gòu)，此時(shí)甘蔗渣生物質(zhì)的晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這是甘蔗渣進(jìn)行了絲光處理的結(jié)果，絲光處理能夠?qū)⒗w維素Ⅰ型轉(zhuǎn)化為纖維素Ⅱ型，但絲光處理受處理?xiàng)l件的影響，如NaOH的濃度、溫度以及處理時(shí)間的影響[23]。當(dāng)NaOH溶液的濃度從20%升至52%對甘蔗渣進(jìn)行預(yù)處理2 h后，纖維素的晶型沒有再發(fā)生改變，20°～22°的兩個(gè)衍射峰更加明顯地分離開來。

甘蔗渣的結(jié)晶度值CrI根據(jù)1.2.3中的公式計(jì)算，經(jīng)過不同濃度的NaOH溶液預(yù)處理后其CrI的變化趨勢見圖2。

圖2 峰值法結(jié)合XRD譜圖得到的經(jīng)不同濃度NaOH溶液的處理CrIFig.2 CrI treated with different concentration of NaOH solution obtained by peak method combined with XRD spectrum

由圖2可知，未經(jīng)預(yù)處理的甘蔗渣生物質(zhì)的CrI為38.96%，在低于8%的NaOH溶液范圍內(nèi)，CrI隨著NaOH濃度的增加出現(xiàn)升高的趨勢。當(dāng)堿液的濃度高于8%時(shí)，經(jīng)過預(yù)處理的甘蔗渣的CrI出現(xiàn)下降趨勢，16% NaOH處理后CrI值達(dá)到最低，為30.74%?？偟膩碚f，使用不同濃度的NaOH溶液處理甘蔗渣其CrI呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。CrI的演變可能是由于力作用于纖維素結(jié)構(gòu)中的不同區(qū)域。根據(jù)兩相模型理論[24]，纖維素鏈中存在兩個(gè)區(qū)域，即無定形區(qū)域和結(jié)晶區(qū)域。較低的CrI意味著NaOH溶液作用于晶體區(qū)域，從而導(dǎo)致對晶體結(jié)構(gòu)的破壞和相對較低的結(jié)晶區(qū)域。另一方面，CrI的降低與去除木質(zhì)素和半纖維素有關(guān)[25]，下降趨勢可能是由于持續(xù)破壞結(jié)晶結(jié)構(gòu)所致。結(jié)果表明，CrI與NaOH溶液濃度之間的關(guān)系不是線性的，而是先上升后下降的趨勢。

2.2 傅里葉紅外光譜表征甘蔗渣的結(jié)構(gòu)變化

甘蔗渣樣品的FT-IR光譜見圖3，顯示了不同濃度NaOH溶液的預(yù)處理?xiàng)l件下纖維素的結(jié)構(gòu)變化。處理過的甘蔗渣樣品的圖譜與未處理的樣品相似，圖譜顯示沒有產(chǎn)生任何其他新的官能團(tuán)峰，這表明NaOH溶液對纖維素的溶解是一種非衍生化的溶解。

圖3 蔗渣經(jīng)不同濃度NaOH處理后的FT-IR圖譜Fig.3 FT-IR spectrograms of bagasse treated with different concentration of NaOH

注：a為未經(jīng)NaOH處理的蔗渣；b為1 mol/L NaOH處理的蔗渣；c為2 mol/L NaOH處理的蔗渣；d為 3 mol/L NaOH處理的蔗渣；e為4 mol/L NaOH處理的蔗渣；f為5 mol/L NaOH處理的蔗渣；g為7 mol/L NaOH處理的蔗渣；h為9 mol/L NaOH處理的蔗渣；i為11 mol/L NaOH處理的蔗渣；j為13 mol/L NaOH處理的蔗渣。

原料中在1603，1513，1461 cm-1處的吸收條帶(代表木質(zhì)素中芳香烴骨架的振動)在經(jīng)NaOH溶液處理后的樣品中減弱或者消失。這些結(jié)果表明再生樣品中的木質(zhì)素被去除。897 cm-1處的吸收強(qiáng)度增強(qiáng)，表明纖維素含量增加，可能是由于木質(zhì)素的去除引起的[26,27]。與未經(jīng)預(yù)處理的甘蔗渣相比，經(jīng)過NaOH預(yù)處理的甘蔗渣在FT-IR的光譜上最顯著的變化波數(shù)是897，1060，1167，1161，1246，1363，1618，1652，2776，2820，3430 cm-1。經(jīng)NaOH溶液預(yù)處理的甘蔗渣樣品的帶高度減小并且OH伸縮振動區(qū)域變寬。具體而言，某些頻段似乎NaOH溶液的預(yù)處理非常敏感。這些帶處于分子內(nèi)和分子間氫鍵鍵合的OH基團(tuán)(在3500～3200 cm-1之間)的振動范圍內(nèi)，在指紋區(qū)域，另外，1738 cm-1和1625 cm-1處的峰分別歸因于乙酰基的羰基價(jià)振動和吸收水的OH彎曲振動。以上現(xiàn)象都證明NaOH溶液對甘蔗渣生物質(zhì)的FT-IR光譜形狀有很大的影響。據(jù)推測，在預(yù)處理過程中纖維素結(jié)晶度的變化可能是FT-IR光譜變化的原因。Schwanninger等報(bào)道了類似的結(jié)果，他們認(rèn)為球磨產(chǎn)生的木材FT-IR光譜的變化主要是由于纖維素的變化[28]。此外，纖維素的變化與結(jié)晶度的降低和聚合度有關(guān)[29，30]。

由LOI和TCI表示的CrI的變化趨勢見圖4。

圖4 A1429/A897與A1374/A2900法計(jì)算不同濃度的NaOH溶液預(yù)處理甘蔗渣樣品的CrI值的趨勢圖 Fig.4 Trend chart of CrI value of bagasse samples pretreated with NaOH solution of different concentration by A1429/A897 and A1374/A2900

對于LOI的曲線，首先，當(dāng)NaOH溶液的濃度從4%增加到16%時(shí)，CrI值顯示出上升的趨勢，從0.9186升至1.0265，這與XRD計(jì)算的CrI值的趨勢相似。LOI曲線的CrI值在NaOH溶液濃度為16%～28%的范圍內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢，在NaOH溶液濃度為28%～52%的范圍內(nèi)，CrI曲線出現(xiàn)上下波動的趨勢，這可能是去除了半纖維素和木質(zhì)素的原因[31，32]。CrI在NaOH溶液濃度達(dá)到12%時(shí)上升至最大值0.9363，然后在濃度高于這個(gè)范圍時(shí)下降，當(dāng)濃度為28%時(shí)下降至最小值0.8858。當(dāng)NaOH溶液的濃度高于28%時(shí)出現(xiàn)了輕微的上下波動，表明甘蔗渣生物質(zhì)在經(jīng)過NaOH溶液預(yù)處理后，其CrI值出現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

一般來說，LOI和TCI的結(jié)果表明，CrI的演化涉及兩個(gè)上升階段然后下降階段，這表明NaOH溶液預(yù)處理甘蔗渣可分為兩個(gè)階段，如上所述在兩個(gè)XRD方法中。此外，LOI和TCI曲線之間的良好一致性證明它們都適合于評估纖維素的結(jié)晶度值。

除了896 cm-1和2900 cm-1的譜帶外，其他譜帶還記載了668，1263，1374 cm-1適合于FT-IR方法中CrI的內(nèi)標(biāo)。為了進(jìn)一步證明堿液處理的纖維素結(jié)晶度的變化，用A1374/A668、A1058/A1374處的吸收帶比率來評估CrI，結(jié)果見圖5。首先，可以看出兩條曲線在初始階段都顯示出上升的趨勢。對于A1058/A1374的曲線，在NaOH溶液的濃度為4%處，CrI急劇上升至最大值1.0131，而在NaOH溶液濃度為12%處，CrI則下降至最小值0.8689。對于A1374/A668的曲線也表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，通過比較CrI與LOI和TCI的演變，表明A1374/A668的曲線顯示出相對一致的趨勢。因此，在本文中，668 cm-1的波段可能比內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)1374 cm-1更好。一般來說，896，2900，668 cm-1處的譜帶被證明適合于將纖維素結(jié)晶度指數(shù)估計(jì)為分母，這進(jìn)一步證實(shí)了XRD方法中所證明的常見規(guī)律性。

圖5 A1374/A668與A1058/A1374法計(jì)算不同濃度的NaOH溶液預(yù)處理甘蔗渣樣品的CrI值的趨勢圖Fig.5 Trend chart of CrI value of bagasse samples pretreated with NaOH solution of different concentration by A1374/A668 and A1058/A1374

2.3 XRD方法與FT-IR方法的比較

對于同一樣品的CrI值根據(jù)不同的測定方法得出不同的值。以經(jīng)過12%的NaOH溶液預(yù)處理的甘蔗渣為例，使用XRD峰高法、LOI、TCI、A1374/A668和A1058/A1374測得的CrI值分別為0.3973，0.9363，1.0266，0.8689，0.9664，這表明不能直接比較不同方法測定的CrI值的大小。使用FT-IR光譜法和XRD峰高法測量CrI能快速得到結(jié)果，但這個(gè)值是擬合后的經(jīng)驗(yàn)值，因?yàn)楣庾V是包含結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)兩種不可分割的部分。XRD方法和FT-IR方法都顯示出類似的兩階段劃分的變化趨勢特征，都表現(xiàn)出初始上升然后下降的規(guī)律性，這表明在這項(xiàng)工作中研究的FT-IR方法將纖維素排序與XRD方法大致相同。

2.4 掃描電鏡(SEM)

為了直觀地看出不同濃度的NaOH對蔗渣的影響，對處理后的蔗渣的樣貌進(jìn)行了電鏡掃描，見圖6。

圖6 不同濃度NaOH處理后的蔗渣的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photographs of bagasse treated with different concentration of NaOH

注：a為未經(jīng)NaOH處理的蔗渣；b為1 mol/L NaOH處理的蔗渣；c為2 mol/L NaOH處理的蔗渣；d為3 mol/L NaOH處理的蔗渣；e為4 mol/L NaOH處理的蔗渣；f為5 mol/L NaOH處理的蔗渣；g為7 mol/L NaOH處理的蔗渣；h為9 mol/L NaOH處理的蔗渣；i為11 mol/L NaOH處理的蔗渣；j為13 mol/L NaOH處理的蔗渣。

未經(jīng)NaOH處理的蔗渣表面纖維束清晰可見(見圖6a)，表面有很多細(xì)小的孔洞，邊角輪廓完整且清晰可見，能夠清楚地將不同的蔗渣顆粒區(qū)分。經(jīng)過4%的NaOH溶液處理2 h后，蔗渣表面變得粗糙，蔗渣顆粒的輪廓開始變得模糊，表面出現(xiàn)細(xì)小、形狀不規(guī)則、大小不一的顆粒，表面的孔洞變小甚至消失。隨著NaOH濃度的升高，蔗渣的表面不再光滑且表面附著的不規(guī)則顆粒逐漸增多，蔗渣表面粗糙的程度逐漸增大，纖維束的結(jié)構(gòu)逐漸消失，蔗渣表面細(xì)小的孔洞逐漸消失，邊角輪廓逐漸變得不清晰，多個(gè)蔗渣顆粒分子很難清晰分開，蔗渣顆粒的整體結(jié)構(gòu)變得松散。這與木質(zhì)素的去除有關(guān)，與上面研究的結(jié)晶度降低和FT-IR譜圖中部分官能團(tuán)逐漸消失的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過XRD和FT-IR光譜研究了NaOH溶液預(yù)處理甘蔗渣過程纖維素晶體結(jié)構(gòu)的變化。XRD法與FT-IR計(jì)算的CrI值顯示出相同的趨勢特征，即隨著NaOH溶液濃度的升高，CrI值先上升后下降，是一種非線性的關(guān)系。SEM分析表明，NaOH溶液使得蔗渣顆粒由光滑緊湊的結(jié)構(gòu)變得粗糙松散，容易被其他化學(xué)試劑、酶或者微生物降解。為蔗渣的進(jìn)一步降解利用提供了有效的途徑，有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>