一种利用纤维素酶水解毛竹纤维制备纳米微晶纤维素的方法

摘要

本发明公开了一种利用纤维素酶水解毛竹纤维制备纳米微晶纤维素的方法。采用方法的要点是将毛竹分别经过碱性和含氯溶液处理纯化纤维素，采用里氏木霉所产胞外纤维素酶水解毛竹纤维，经由超滤膜收集毛竹纳米微晶纤维素产品。该方法反应条件温和、制备过程环保，特别适用于毛竹纳米微晶纤维素的低污染制备。本发明在制备纳米微晶纤维素的纤维原料中引入毛竹资源，扩充了制备纳米微晶纤维素的原料范围，有利于加快突破纳米微晶纤维素的原料来源局限；同时采用纤维素酶替代化学试剂水解毛竹纤维，缓解了传统纳米微晶纤维素制备过程产生的环境污染问题，具有重要的经济和社会效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纳米微晶纤维素的方法，特别涉及一种利用纤维素酶水 解毛竹纤维制备纳米微晶纤维素的方法，属于制浆造纸工程领域。

背景技术

天然纤维中的纤维素分子是由β-(1,4)-D-葡萄糖基构成的线性链，由向列有 序的结晶区和无序的无定形区组成，依靠分子内、外的氢键和范德华力维持自组 装的超分子结构和原纤形态。纳米微晶纤维素，是由天然纤维素经微晶化过程得 到的具有纳米尺度且性能优异的极限聚合度固体产物。纳米微晶纤维素不但具有 普通纤维素的基本结构和性能，还具备纳米颗粒的特性，如巨大的比表面积、较 高的杨氏模量、超强的吸附能力和灵敏的反应活性，其性质与普通纤维素存在较 大差异。纳米微晶纤维素比普通纤维素具有更多的反应基团，化学反应活性大， 可用于高效的纤维素化学改性。

目前，制备原料的局限几乎成为阻碍纳米微晶纤维素商业化产品出炉的“瓶 颈”。现阶段制备纳米微晶纤维素采用的天然原料主要为棉短绒、木材纸浆以及 动物纤维素。动物纤维素存在数量较少、提取不便等问题；棉短绒由于其纤维素 含量可达90%以上，可以作为制备纳米微晶纤维素的优质纤维原料，但存在原料 供给和价格昂贵等问题；木材原料经过特殊加工处理后，可以用于纳米微晶纤维 素的制备，但木质纤维原料的生长周期相对较长。

同时，传统的纳米微晶纤维素制备过程通常采用无机酸水解或物理机械法进 行。无机酸水解法制备纳米微晶纤维素技术工艺成熟，但其腐蚀性对人体有害， 所需工艺条件苛刻，同时反应体系残留的酸和杂质，需消耗大量的水和动力资源 用于洗涤，造成环境污染与资源浪费。采用物理机械法制备纳米微晶纤维素过程 工艺简单，但需采用特殊设备，同时使用高压，过程能耗较高。采用酶法水解纤 维素制备纳米微晶纤维素，可在常温常压条件下进行，不仅可提高纳米微晶纤维 素的质量和纯度，还可减少化学药品的用量，降低水资源消耗和环境污染负荷， 大幅降低纳米微晶纤维素制备过程的系统能耗。

在纳米微晶纤维素制备领域，中国专利（ZL200510035599.3）“可在非水溶 剂中分散的纳米微晶纤维素粉体的制法及应用”是在纳米微晶纤维素水分散体系 中加入亲水性低分子表面活性剂，制得含低分子表面活性剂的本可在非水溶剂中 分散的纳米微晶纤维素粉体；中国专利（ZL03126825.0）“超细和纳米微晶纤维 素的表面改性物及其制法”是在酸类催化剂作用下，利用超细和纳米微晶纤维素 与酸酐反应进行表面的醋酸酯化改性，制得具有良好的物理和机械性能的改性 物；中国专利（ZL201010522109.3）“一种纳米微晶纤维素/炭黑/天然橡胶复合 材料的制备方法”以纳米微晶纤维素为原料，采取传统的橡胶加工工艺制备纳米 微晶纤维素/炭黑/橡胶复合材料，很好地改善了橡胶的耐热氧老化性能，同时还 降低复合材料生热，可应用于制造各种硫化橡胶制品；美国专利（US 20100124651A1）“Method of making a fiber cement board with improved properties  and the product”以纳米微晶纤维素为原料，与纤维素纤维制成复合水泥板；美 国专利（US008105430B2）“Microfluidic devices,particularly filtration devices  comprising polymeric membranes,and method for their manufacture and use”是将纳 米微晶纤维素填料与聚砜聚合物合成新复合材料，用于制造纳米纤维素的有机分 散液。截至目前，还未见到利用毛竹作为纤维素来源物，采用纤维素酶水解过程 制备纳米微晶纤维素的相关工艺技术出现。

毛竹是我国最重要的经济竹种，种植面积约340万公顷,占全国竹林面积的 68%，浙江、福建、江西三省的毛竹竹林面积占全国的一半以上，是我国毛竹重 点产区。毛竹已成为我国竹区农民经济收入的重要来源。毛竹属于速生植物资源， 具有生长速度快、成材周期短、纤维含量高等优点，其纤维形态和纤维细胞含量 接近甚至高于一般阔叶木。如何充分利用我国丰富的毛竹资源，制备高附加值可 再生纳米新材料，成为切实提高我国竹区农民经济收入，高值化利用毛竹资源的 一条创新思路。同时，采用纤维素酶替代化学试剂水解毛竹纤维，缓解了传统纳 米微晶纤维素制备过程产生的环境污染问题，符合国家生态文明建设要求，具有 重要的经济和社会效益。

发明内容

为了克服目前制备纳米微晶纤维素的纤维原料供给不足、价格昂贵、生长周 期较长等问题，资源化利用我国丰富的毛竹资源，低污染酶解制备高附加值可再 生纳米新材料，本发明的目的是提供一种利用纤维素酶水解毛竹纤维制备纳米微 晶纤维素的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是采用以下步骤：

1）将毛竹去叶、洗净、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经60目筛网过滤，得 到粒径小于等于0.25mm的毛竹粉末；

2）将步骤1）中得到的毛竹粉末在机械搅拌作用下，于85～95℃碱性溶液中 反应120～180min，重复2次，其间用蒸馏水洗净残碱，获得毛竹纤维；

3）采用含氯溶液在机械搅拌作用下，70～90℃漂白处理步骤2）中得到的毛 竹纤维90～150min，重复4次，其间用蒸馏水洗净残氯，获得高纯度毛竹纤维；

4）将步骤3）中得到的高纯度毛竹纤维在机械搅拌作用下，置于pH3、 50～70℃纤维素酶溶液中反应120～180min，采用5倍上述纤维素酶溶液体积的 室温蒸馏水终止反应，洗净残留纤维素酶，获得毛竹纳米微晶纤维素悬浮液；

5）将步骤4）中得到的毛竹纳米微晶纤维素悬浮液在8000rpm下离心分离 10～20min，除去1μm以上的固体颗粒，取出离心液经过超滤膜过滤，用蒸馏水 收集膜面截留的固体组分，最终得到毛竹纳米微晶纤维素。

所述的碱性溶液为KOH溶液，质量分数为6.0～8.0wt%，毛竹粉末与KOH 溶液的质量比为1:10～15；含氯溶液为NaClO溶液，质量分数为3.0～5.0wt%， 毛竹纤维与NaClO溶液的质量比为1:5～10；纤维素酶溶液中，纤维素酶的质量 分数为2.0wt%；纤维素酶为里氏木霉所产胞外纤维素酶，在pH3、60℃环境下 测定的纤维素酶活为2513IU/mL，毛竹纤维与纤维素酶的质量比为1:0.01～0.02。

所述的超滤膜为聚氯乙稀膜、聚丙稀腈膜、醋酸纤维素膜中的一种，其截留 分子量为100～200kDa。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明在制备纳米微晶纤维素的纤维原料中引入毛竹资源，扩充了制备纳米 微晶纤维素的原料范围，有利于加快突破纳米微晶纤维素的原料来源局限，早日 实现纳米微晶纤维素商业化产品出炉；同时采用纤维素酶替代化学试剂水解毛竹 纤维，缓解了传统纳米微晶纤维素制备过程产生的环境污染问题，符合国家生态 文明建设要求，具有重要的经济和社会效益。

附图说明

附图是制备的毛竹纳米微晶纤维素产品的场发射扫描电镜照片。其中，图1 （a1）是毛竹纳米微晶纤维放大4万倍照片，图2（a2）是毛竹纳米微晶纤维放 大1万倍照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1:

1）将毛竹去叶、洗净、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经60目筛网过滤，得 到粒径小于等于0.25mm的毛竹粉末；

2）将步骤1）中得到的毛竹粉末在机械搅拌作用下，于85℃8.0wt%KOH 溶液中反应120min，毛竹粉末与KOH溶液的质量比为1:15，重复2次，其间 用蒸馏水洗净残碱，获得毛竹纤维；

3）采用5.0wt%NaClO溶液在机械搅拌作用下，70℃漂白处理步骤2）中 得到的毛竹纤维90min，毛竹纤维与NaClO溶液的质量比为1:10，重复4次， 其间用蒸馏水洗净残氯，获得高纯度毛竹纤维；

4）将步骤3）中得到的高纯度毛竹纤维在机械搅拌作用下，置于pH3、50℃、 2.0wt%的里氏木霉所产胞外纤维素酶溶液中反应120min，毛竹纤维与纤维素酶 的质量比为1:0.02，采用5倍上述纤维素酶溶液体积的室温蒸馏水终止反应，洗 净残留纤维素酶，获得毛竹纳米微晶纤维素悬浮液；

5）将步骤4）中得到的毛竹纳米微晶纤维素悬浮液在8000rpm下离心分离 20min，除去1μm以上的固体颗粒，取出离心液经200kDa聚氯乙稀超滤膜过 滤，用蒸馏水收集膜面截留的固体组分，最终得到毛竹纳米微晶纤维素(a)。

实施例2:

1）将毛竹去叶、洗净、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经60目筛网过滤，得 到粒径小于等于0.25mm的毛竹粉末；

2）将步骤1）中得到的毛竹粉末在机械搅拌作用下，于90℃7.0wt%KOH 溶液中反应150min，毛竹粉末与KOH溶液的质量比为1:12，重复2次，其间 用蒸馏水洗净残碱，获得毛竹纤维；

3）采用4.0wt%NaClO溶液在机械搅拌作用下，80℃漂白处理步骤2）中 得到的毛竹纤维120min，毛竹纤维与NaClO溶液的质量比为1:8，重复4次， 其间用蒸馏水洗净残氯，获得高纯度毛竹纤维；

4）将步骤3）中得到的高纯度毛竹纤维在机械搅拌作用下，置于pH3、60℃、 2.0wt%的里氏木霉所产胞外纤维素酶溶液中反应150min，毛竹纤维与纤维素酶 的质量比为1:0.015，采用5倍上述纤维素酶溶液体积的室温蒸馏水终止反应， 洗净残留纤维素酶，获得毛竹纳米微晶纤维素悬浮液；

5）将步骤4）中得到的毛竹纳米微晶纤维素悬浮液在8000rpm下离心分离 15min，除去1μm以上的固体颗粒，取出离心液经100kDa聚丙稀腈超滤膜过 滤，用蒸馏水收集膜面截留的固体组分，最终得到毛竹纳米微晶纤维素(b)。

实施例3:

1）将毛竹去叶、洗净、干燥，采用植物粉碎机粉碎，经60目筛网过滤，得 到粒径小于等于0.25mm的毛竹粉末；

2）将步骤1）中得到的毛竹粉末在机械搅拌作用下，于95℃6.0wt%KOH 溶液中反应180min，毛竹粉末与KOH溶液的质量比为1:10，重复2次，其间 用蒸馏水洗净残碱，获得毛竹纤维；

3）采用3.0wt%NaClO溶液在机械搅拌作用下，90℃漂白处理步骤2）中 得到的毛竹纤维150min，毛竹纤维与NaClO溶液的质量比为1:5，重复4次， 其间用蒸馏水洗净残氯，获得高纯度毛竹纤维；

4）将步骤3）中得到的高纯度毛竹纤维在机械搅拌作用下，置于pH3、70℃、 2.0wt%的里氏木霉所产胞外纤维素酶溶液中反应180min，毛竹纤维与纤维素酶 的质量比为1:0.0.1，采用5倍上述纤维素酶溶液体积的室温蒸馏水终止反应，洗 净残留纤维素酶，获得毛竹纳米微晶纤维素悬浮液；

5）将步骤4）中得到的毛竹纳米微晶纤维素悬浮液在8000rpm下离心分离 10min，除去1μm以上的固体颗粒，取出离心液经100kDa醋酸纤维素超滤膜 过滤，用蒸馏水收集膜面截留固体组分，最终得到毛竹纳米微晶纤维素(c)。

测定实施例1、2、3制备得到的三种毛竹纳米微晶纤维素的形貌尺寸。表1 为由实施例1、2、3所制备的毛竹纳米微晶纤维素形貌尺寸的表征结果。由表1 中数据可知，采用本发明所述的制备方法获得的毛竹纳米微晶纤维素(a)、(b)、 (c)长度分布在228～310nm，宽度分布在20～25nm，长径比在11～13之间，均为 纳米尺寸范围，符合纳米微晶纤维素尺寸规格特征。

如图1，从制备的毛竹纳米微晶纤维素产品的场发射扫描电镜照片可看出， 其形貌接近于丝状，由于具有较高的比表面积和丰富的表面羟基，制备的毛竹纳 米微晶纤维素出现了轻微的相互吸引和团聚现象。