制備Lyocell纖維用纖維素漿粕的堿性酶處理工藝

元 偉，姚勇波，張玉梅，王華平

(1. 東華大學 材料科學與工程學院，上海 201620； 2. 嘉興學院 材料與紡織工程學院，浙江 嘉興 314001)

纖維素纖維具有來源豐富、天然可再生的優(yōu)勢，同時具有吸濕透氣、穿著舒適等優(yōu)點，廣泛用于服裝、家紡等領(lǐng)域[1-2]，以纖維素為原料制備再生纖維素纖維，其產(chǎn)業(yè)化制備方法為溶液紡絲法[3]。纖維素漿粕原料的相對分子質(zhì)量及其分布受生長周期、生長地域、植物種類等多種因素影響，給生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定控制帶來了困難。傳統(tǒng)的粘膠生產(chǎn)中，需要“老成”工藝使纖維素漿粕的聚合度降低到一定的范圍內(nèi)[4]。使用N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)水溶液為溶劑可直接溶解纖維素，生產(chǎn)過程綠色環(huán)保，且纖維性能優(yōu)良[5-7]。溶劑NMMO水溶液對纖維素的溶解速度快、溶解度較高[8]，并可溶解高相對分子質(zhì)量的纖維素[9-11]，但在生產(chǎn)中為提高溶解效率和溶液品質(zhì)，需要對漿粕進行預處理。一般采用機械攪拌、酸活化、堿中和方法進行預處理，而輻射、酶處理等方法也有報道[12-15]。酶處理的優(yōu)點是無毒環(huán)保，工藝操作簡單，對NMMO的回收利用沒有影響。

纖維素酶是一種蛋白質(zhì)，與纖維素作用能夠切斷纖維素分子中1,4-糖苷鍵等[16]，已廣泛應用于食品、紡織、生物能源等領(lǐng)域。利用纖維素酶處理的漿粕進行溶解和紡絲，可提高纖維素與溶劑的可及度，并進而提高溶解速率以及減小纖維素大分子在溶劑中的聚集尺寸。理論上應選擇破壞纖維素無定形區(qū)氫鍵的酶，然而單一破壞氫鍵的纖維素酶不易獲得，且其活性和效率很低[16]。常用的內(nèi)切酶和外切酶是目前處理纖維素漿粕的優(yōu)選酶。使用單組分的內(nèi)切葡聚糖酶對溶解漿進行預處理后，溶解漿與二硫化碳的反應性增加，可使溶解漿相對分子質(zhì)量下降，相對分子質(zhì)量分布變窄[17-18]，纖維素漿粕孔隙體積增大，纖維素的可及度增大；采用機械處理和酶處理相結(jié)合的方法，可進一步提高纖維素與二硫化碳的反應性[19-21]，預處理后其結(jié)晶度和原纖的橫向尺寸沒有變化，原纖間的距離有所增加[22]。酶水解僅限于纖維素漿粕大孔隙和纖維的可接觸表面，從而導致孔增大[23]。纖維素用量高時，纖維素酶的吸附率增加，與二硫化碳的反應性增高[24-25]。使用多組分內(nèi)切葡聚糖酶Cel9B處理溶解漿使結(jié)晶指數(shù)增加，可說明無定形區(qū)的纖維素酶溶解優(yōu)于結(jié)晶纖維素[26]。

上述研究主要是采用酸性酶分別對纖維素漿粕的某些不同的性能與結(jié)構(gòu)進行研究，尚未獲得用量、時間條件與纖維素相對分子質(zhì)量和分布、可及度等之間的關(guān)系。本文根據(jù)Lyocell專用纖維素漿粕溶解的條件，選擇活性在pH值等于8～9的堿性酶、溫度為45 ℃，著重研究纖維素酶用量和處理時間對纖維素漿粕相對分子質(zhì)量及其分布、漿粕的可及度與晶體結(jié)構(gòu)的影響。通過優(yōu)化酶處理工藝，提高纖維素漿粕與NMMO水溶液的可及度。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

纖維素酶(Cellulase-A)，富含纖維素內(nèi)切酶，酶活力為1 600 U/mL，由上?？档囟魃锟萍加邢薰咎峁籐yocell專用纖維素漿粕，聚合度(DP)為550，購自美國科斯莫特殊纖維公司；D-(+)-葡萄糖，分析純，購于阿拉丁試劑公司；二硝基水楊酸(DNS)顯色試劑，購于廈門海標科技有限公司。

1.2 纖維素漿粕處理

1.2.1 預處理

將定量的Lyocell專用纖維素漿粕加入蒸餾水中進行打漿，獲得均勻的濕漿粕。濕漿粕中水的質(zhì)量分數(shù)為90%。

1.2.2 酶處理

取定量的Lyocell專用纖維素濕漿粕與定量的纖維素酶(纖維素酶的用量為0、500、1 000、2 000、4 000 mL/t(相對于干漿粕的量))溶液共混均勻，置于45 ℃的恒溫水浴中60 min。然后抽濾去除水分，將漿粕置于60 ℃的熱空氣中干燥24 h，再置于60 ℃的真空干燥箱中脫水12 h，制得不同酶用量處理的纖維素漿粕樣品。

將定量的濕漿粕與一定的纖維素酶溶液共混均勻，分別置于45 ℃的恒溫水浴中處理15、30、45、60、 90、120 min。然后抽濾去除水分，將漿粕置于60 ℃的熱空氣中干燥24 h，再置于60 ℃的真空干燥箱中脫水12 h，制得不同酶處理時間的纖維素漿粕樣品。

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

1.3.1 聚合度測試

按照FZ/T 50010.3—2011《粘膠纖維用漿粕 黏度的測定》，采用上海禾汽玻璃儀器有限公司的1835型烏式粘度計(毛細管直徑為(0.80±0.05) mm)，以銅乙二胺為溶劑測定纖維素的聚合度。

1.3.2 回潮率測試

將漿粕樣品在溫度為20 ℃、相對濕度為65%條件下放置24 h，參照GB/T 6503—2008《化學纖維 回潮率試驗方法》，根據(jù)質(zhì)量變化計算纖維素漿粕的回潮率。

1.3.3 含水率測試

將漿粕置于烘箱中，在105 ℃條件下烘至質(zhì)量恒定(m1)，即作為絕干漿粕。取定量的的絕干漿粕，置于標準條件(溫度為20 ℃，相對濕度為65%)下，測試隨時間的增加漿粕吸濕后質(zhì)量的變化。根據(jù)下式計算漿粕在不同時間的含水率：

Cw=(m0-m1)/m0×100%

式中，m0為不同時間的漿粕總質(zhì)量，g。

1.3.4 還原糖含量測定

參照GB/T 35808—2018《林業(yè)生物質(zhì)原料分析方法 纖維素酶活性測定》，以DNS法測定還原糖的含量，即還原糖占漿粕的比例。

1.3.5 熱性能測試

將漿粕樣品放置于恒溫恒濕室72 h以上，采用美國TA公司的Q20型差示掃描量熱儀測試樣品的熱性能，測試樣品質(zhì)量為5～10 mg，氣氛為氮氣。以40 ℃/min的升溫速率進行升溫，溫度范圍為30 ～ 280 ℃。

1.3.6 結(jié)晶結(jié)構(gòu)表征

采用上海同步輻射光源(SSRF)的束線站[27]表征樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，X射線波長為0.124 nm。根據(jù)X射線衍射圖及Peakfit分峰結(jié)果，計算纖維素的晶面間距和結(jié)晶度[28]。纖維素I為單斜晶系，晶胞參數(shù)為：a=0.817 nm，b=0.786 nm，c=1.04 nm。

1.3.7 化學結(jié)構(gòu)表征

將漿粕樣品在標準條件(溫度為20 ℃，相對濕度為65%)下放置24 h。采用美國Nicolet 公司的NEXUS-670型傅里葉變換紅外光譜儀，并使用ATR附件表征漿粕的化學結(jié)構(gòu)。分辨率為2 cm-1，波數(shù)范圍為4 000～675 cm-1。

1.3.8 有序結(jié)構(gòu)測試

將樣品置于標準條件(溫度為20 ℃，相對濕度為65%)下24 h，利用德國布魯克公司的AV400型核磁共振波譜儀進行測試。場強為7.05 T，魔角探頭直徑為7 mm，轉(zhuǎn)速為5 kHz，脈沖寬度為90°，交叉極化時間為4 μs，接觸時間為800 μs，采樣間隔時間為3 s，一級定標用四甲基硅烷，二級定標用甘氨酸。

1.3.9 分子質(zhì)量及其分布測試

采用英國馬爾文儀器有限公司的Viscotek型高溫凝膠滲透色譜儀(HT-GPC)對樣品進行測試，流動相是質(zhì)量分數(shù)為0.5%的LiCl/二甲基乙酰胺(DMAc)，溫度為80 ℃，儀器使用聚苯乙烯標樣進行校準。測試樣品為2 mg/mL的纖維素/(9% LiCl/DMAc)溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 酶處理對纖維素漿粕可及度的影響

漿粕的吸濕性和回潮率可反映纖維素漿粕可及表面的變化情況。圖1示出酶處理時間和用量對纖維素漿粕回潮率的影響?？梢钥闯觯簼{粕經(jīng)過酶處理后，隨著時間的增加，其回潮率有所增加；隨著酶用量的增加，回潮率增大到一定程度后趨于穩(wěn)定。

圖1 酶處理時間和用量對纖維素漿粕回潮率的影響Fig.1 Effect of enzyme treatment time(a)and dosage(b)on moisture regain of cellulose pulp

圖2示出經(jīng)酶處理前后漿粕含水率隨時間的變化。研究發(fā)現(xiàn)，相同的時間內(nèi)經(jīng)過酶處理的漿粕含水率大，吸濕較快。這種現(xiàn)象證明了纖維素漿粕經(jīng)酶處理后其可及表面積有所增大。

圖2 酶處理時間和用量對纖維素漿粕 含水率的影響Fig.2 Effect of enzyme treatment time(a)and dosage(b)on water content of cellulose pulp

纖維素漿粕經(jīng)過酶處理后，漿粕的可及表面部分有所變化，因此，漿粕吸附水分子的含量也可能會有所變化，這對于漿粕的溶解有著重要作用。在纖維素分子的紅外譜圖中，分子內(nèi)羥基O—H的伸縮振動峰在3 330 cm-1處；分子間羥基O—H的伸縮振動峰在2 901 cm-1左右；吸附水、含氧基團的峰在1 640 cm-1左右[29]。通過研究纖維素分子與H2O形成氫鍵的強弱可判斷其漿粕可及表面的變化。圖3示出經(jīng)不同用量和時間的酶處理后漿粕的紅外光譜圖?？芍?，漿粕吸附水的紅外吸收峰在1 645 cm-1左右。隨著酶處理時間的增加，其吸附水的峰強比原始漿粕吸附水的強度有所增加，說明纖維素漿粕的可及度增加；而隨著酶用量的增加，曲線表現(xiàn)出與酶處理時間增加相同的規(guī)律，漿粕的可及度也有所增加。

圖3 經(jīng)不同時間和不同用量酶處理后漿粕的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of cellulose pulp treated with enzymes at different time(a)and dosage(b)

采用差示掃描量熱法(DSC)評價了酶對漿粕可及度的影響，通過測量與纖維結(jié)合的水量(以吸附水蒸發(fā)熱焓值表示)的變化，結(jié)果如表1所示。纖維素纖維的吸水能力在很大程度上取決于自由羥基的可及性，一般認為吸水幾乎完全發(fā)生在纖維素的非晶形區(qū)域，因此，通過纖維素結(jié)合的水量的變化來判斷纖維素纖維可及表面的大小[30]，漿粕的可及度隨著酶處理時間的增加而有所增大；增加到一定程度后就趨于穩(wěn)定。同時，由實驗測試得到酶用量由0 mL/t增大到2 000 mL/t后，脫水熱焓值由123 J/g增至133 J/g，然后基本保持不變。綜上可知，漿粕的可及度隨著酶用量和作用時間的增加而有所增大，增加到一定程度后趨于穩(wěn)定。

表1 酶處理時間對漿粕脫水熱焓值的影響Tab.1 Effect of enzyme treatment time on dehydration enthalpy of pulp

2.2 酶處理對相對分子質(zhì)量的影響

纖維素漿粕經(jīng)過酶處理后，纖維素相對分子質(zhì)量及其分布的變化關(guān)系到紡絲液的均勻性、可紡性，且得到的再生纖維素纖維的結(jié)構(gòu)與力學性能也會有所差異。圖4(a)示出纖維素漿粕的聚合度隨酶用量的變化。可以看出：當酶的用量大于2 000 mL/t時，纖維素漿粕的聚合度趨于穩(wěn)定，約為430；經(jīng)過酶處理的纖維素漿粕隨著酶用量的提高，其纖維素分子的聚合度逐漸降低。這說明所使用的堿性酶對纖維素分子鏈有一定程度的降解作用，且不是無限降解。當酶用量開始增加時，會獲得一定降解程度的纖維素漿粕；而當酶用量達到一定值后，酶用量的增加并不能帶來纖維素漿粕聚合度上的明顯變化，這就為在工業(yè)生產(chǎn)中使用酶的量提供了依據(jù)。

圖4 酶用量(a)和酶處理時間(b)對漿粕聚合度的影響Fig.4 Effect of with enzyme dosage (a) and treatment time (b) on polymerization degree of cellulose pulp

圖4(b)示出纖維素漿粕的聚合度隨酶處理時間的變化?？梢钥闯?，纖維素漿粕的聚合度隨著酶處理時間的增加逐漸降低，在45 min時降到最低值，然后又有所升高并趨于穩(wěn)定，即在處理時間為60～120 min時，漿粕的聚合度在430左右。這種現(xiàn)象可能是因為漿粕經(jīng)過酶處理后，又經(jīng)過過濾干燥進行測試，這個過程中經(jīng)過酶降解的小分子纖維素和葡萄糖溶于水而被洗脫出去；而酶對處于結(jié)晶區(qū)的大分子纖維素漿粕的降解作用不明顯，所以漿粕的聚合度測試值先降低然后又有所升高。

表2示出不同酶處理時間對纖維素漿粕還原糖質(zhì)量分數(shù)的影響?？芍?，當酶處理時間為45 min時，還原糖質(zhì)量分數(shù)約為0.60%。隨著酶處理時間增加，小分子纖維素被降解成葡萄糖的總量增加并最終趨于一個恒定值。

表2 酶處理時間對纖維素漿粕還原糖 質(zhì)量分數(shù)的影響Tab.2 Effect of enzyme treatment time on reducing sugar content of cellulose pulp

不同酶用量處理的纖維素漿粕的分子質(zhì)量分布測試結(jié)果如圖5所示。用纖維素酶處理漿粕后，可以看到高相對分子質(zhì)量部分的纖維素有所減少，低相對分子質(zhì)量部分的纖維素有所增加。這表明纖維素酶可使纖維素漿粕的分子鏈斷裂，盡管隨著纖維素酶用量的增加，這種斷裂的現(xiàn)象有所增加，但增加的程度不大。纖維素漿粕的相對分子質(zhì)量分布對再生纖維素纖維的性能有著重要影響。纖維素酶可能僅僅作用于纖維素漿粕的無定形區(qū)域的分子鏈，又因為纖維素漿粕結(jié)晶度較高，所以纖維素漿粕分子鏈的總體降解程度不大。

圖5 酶用量對漿粕分子質(zhì)量分布的影響Fig.5 Effect of enzyme dosage on molecular weight distribution of pulp

纖維素漿粕的相對分子質(zhì)量分散指數(shù)(PDI)結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，纖維素漿粕的相對分子質(zhì)量分布變窄。對酶處理后漿粕的過濾液進行還原糖質(zhì)量分數(shù)分析，當酶用量由500 mL/t增至4 000 mL/t時，還原糖質(zhì)量分數(shù)由0.08%增至0.61%。上述數(shù)據(jù)表明，較低相對分子質(zhì)量的纖維素分子被進一步降解為更小的分子或葡萄糖，從而在酶處理過程中從漿粕中洗出。漿粕中低分子質(zhì)量纖維素的降解，導致纖維素漿粕測試的分子質(zhì)量分布變窄。

表3 酶用量對纖維素漿粕相對分子 質(zhì)量的影響Tab.3 Effect of enzymes with different dosage on molecular weight of cellulose pulp

2.3 酶處理對纖維素超分子結(jié)構(gòu)的影響

纖維素漿粕經(jīng)過纖維素酶處理后，進行廣角X射線衍射實驗對其晶體結(jié)構(gòu)的變化進行了研究，結(jié)果如表4、5所示。對其數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過酶處理的纖維素漿粕結(jié)晶度變化不大。通過計算纖維素漿粕經(jīng)不同時間和不同用量的酶處理后的晶體晶面間距發(fā)現(xiàn)，纖維素晶型沒有受到破壞，且仍為典型的纖維素I型結(jié)構(gòu)。

表4 纖維素漿粕經(jīng)過不同時間酶處理后的 晶面間距和結(jié)晶度變化Tab.4 Changes of crystalline spacing and crystallinity of cellulose pulp after enzymatic treatment at different time

表5 纖維素漿粕經(jīng)過不同用量的酶處理后的 晶面間距和結(jié)晶度變化Tab.5 Changes of crystal plane spacing and crystallinity of cellulose pulp after enzymatic action at different dosage

圖6示出不同用量和時間酶處理的纖維素漿粕的固體核磁曲線。在固體核磁共振中，纖維素的吸收信號主要在化學位移δ為60～110范圍內(nèi)。其中，化學位移δ在81～93之間的區(qū)域歸屬于C4。纖維素的C4譜線裂分為2部分：較窄的低場和寬闊的高場，分別對應著纖維素的結(jié)晶內(nèi)部有序和結(jié)晶表面部分有序。結(jié)晶表面部分有序又包括結(jié)晶表面較好有序與結(jié)晶表面較差有序[31]。

圖6 經(jīng)不同用量和時間酶處理后纖維素 漿粕的固體核磁曲線Fig.6 Solid state NMR of cellulose pulp treated with enzyme at different dosage(a)and time(b)

利用固體核磁分析纖維素C4原子所處的環(huán)境。纖維素漿粕結(jié)晶內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)的化學位移δ在 86～92的范圍，其結(jié)晶表面部分有序以及完全無序結(jié)構(gòu)的化學位移δ為80～86[31]。對圖6數(shù)據(jù)進行處理，得到各結(jié)構(gòu)占比，如表6、7所示。由表6可以看出，隨著酶用量的增加，纖維素結(jié)晶表面較差有序部分逐漸降低，相對應的結(jié)晶表面較好有序和結(jié)晶內(nèi)部有序部分的占比都有所增加。纖維素結(jié)晶表面較差有序部分和無序部分的占比相對降低，這可能是因為纖維素大分子在酶的作用下部分被降解為聚合度更低的小分子或者葡萄糖，從而在處理過程中被洗脫出來。隨著酶用量的增加，被纖維素酶降解的纖維素小分子或葡萄糖數(shù)量增加，從而被洗脫出來，但相對應的結(jié)晶表面較好有序部分裸露在外的表面積增加，更易親水，從而使纖維素的可及表面積增加。纖維素大分子鏈的斷裂也增加了裸露的羥基數(shù)目，使纖維素的親水性增加。

表6 酶用量對纖維素漿粕各結(jié)晶結(jié)構(gòu)占比的影響Tab.6 Effect of proporation of crystalline regions in cellulose pulp at different enzyme dosage

表7 酶處理時間對纖維素漿粕各結(jié)晶結(jié)構(gòu)占比的影響Tab.7 Effect of proporation of crystalline regions in cellulose pulp at different enzyme treatment time

由表7可知：纖維素酶處理纖維素漿粕時，隨著處理時間的增加，纖維素漿粕結(jié)晶表面較差有序部分和無序部分的占比有不同程度的降低；而在1 h之后，纖維素漿粕大分子的有序部分與無序部分的組成比例基本不再變化，這表明纖維素酶經(jīng)由擴散滲透達到纖維素漿粕的可及表面對部分纖維素大分子降解后，其反應活性降低，無法有效進行進一步的纖維素分子降解，這與纖維素漿粕聚合度的變化一致。

3 結(jié) 論

Lyocell專用纖維素漿粕經(jīng)堿性酶處理后，其部分纖維素分子鏈受到酶的作用而斷裂，聚合度逐漸降低。當酶的用量達到2 000 mL/t后，纖維素漿粕的聚合度趨于穩(wěn)定。纖維素漿粕吸附水的紅外吸收峰增強，漿粕的回潮率增加，說明其漿粕的可及表面積有所增大。由纖維素漿粕的結(jié)晶數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，纖維素漿粕的整體結(jié)晶度變化不大。通過固體核磁分析發(fā)現(xiàn)，纖維素漿粕結(jié)晶有序的部分并未減少，說明其結(jié)晶部分保存較好。纖維素漿粕結(jié)晶表面較差有序的部分會受到纖維素酶的作用而使其分子鏈部分斷裂，酶處理主要是作用于纖維素的無定形區(qū)。

隨著酶處理時間的增加，纖維素漿粕的聚合度逐漸降低至穩(wěn)定值，這表明大分子鏈的纖維素分子降解較少，而部分低相對分子質(zhì)量的纖維素逐漸降解為葡萄糖，從而在處理過程中洗脫出來。這也使測得的纖維素漿粕的分子質(zhì)量分布變窄。研究發(fā)現(xiàn)，酶的用量大于2 000 mL/t，處理時間為60 min時，漿粕的聚合度趨于穩(wěn)定，此時其分子質(zhì)量分布較窄。