一种酶水解结合超声波处理辅助机械解离制备纤维素微纤丝的方法与流程

本发明涉及纤维素微纤丝制备领域，具体涉及一种酶水解结合超声波处理辅助机械解离制备纤维素微纤丝的方法。

背景技术：

纤维素微纤丝(cellulose microfibril，简称MFC)是一种在高速高压剪切与冲击力作用下将植物纤维剥离成直径小于100nm，长度为几百个纳米甚至达到微米级别的微细纤维。纤维素微纤丝作为一种新型的纳米级纤维素功能材料，可作为增稠剂、分散剂、乳化剂和凝胶剂等广泛应用于食品、医药、化妆品和涂料等领域，同时由于其强度高、刚度大、重量轻、可生物降解和可再生性，因此在先进复合材料中的应用前景极为广阔。

现有技术单纯机械解离制备纤维素微纤丝所需能耗过大，酸、碱或氧化预处理可以制备得到的纤维素微纤丝存在粒径分布不均匀、产生大量化工废水等缺陷，单一的酶预处理结合机械解离也能制备出纤维素微纤丝，但由于纤维素酶会优先和纤维当中可及比表面积较大的细小组分反应，导致细小组分被完全水解成单糖或多糖，一方面，不利于纤维细胞壁整体结构的破坏，另一方面，造成纤维不必要的水解，浪费资源。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种酶水解结合超声波处理辅助机械解离制备纤维素微纤丝的方法，制得的纤维素微纤丝粒径分布均匀，水解效率高。

为了达到上述目的，本发明方法采用如下技术方案：

包括如下步骤：

(1)将纤维配制成浆浓为1％～3％的浆料A，向浆料A中加入纤维素酶进行第一段酶水解；

(2)收集第一段酶水解后的纤维进行超声波处理，然后再用筛分仪筛分成长纤维和细小组分纤维；

(3)将步骤(2)得到的长纤维配制成浆浓为1％～3％的浆料B，向浆料B中加入纤维素酶进行第二段酶水解；

(4)收集步骤(3)中第二段酶水解后的纤维，并与步骤(2)得到的细小组分纤维混合，得到混合纤维；将混合纤维配成纤维悬浮液进行高压均质处理，最后从高压均质处理后的纤维悬浮液中分离出固形物，经冷冻干燥得到纤维素微纤丝。

进一步地，步骤(1)中纤维采用漂白针叶木浆绝干浆粕或漂白针叶木纤维绝干浆粕；步骤(1)和步骤(3)中的纤维素酶均为复合纤维素酶、外切纤维素酶或内切纤维素酶；其中，步骤(1)中复合纤维素酶和外切纤维素酶的酶用量在5FPU/g～10FPU/g绝干纤维，内切纤维素酶的酶用量在20CMCU/g～60CMCU/g绝干纤维；步骤(3)中复合纤维素酶和外切纤维素酶的酶用量在5FPU/g～20FPU/g绝干长纤维，内切纤维素酶的酶用量在20CMCU/g～60CMCU/g绝干长纤维。

进一步地，步骤(1)和步骤(3)中是将纤维或长纤维加入pH值为4～5的柠檬酸钠缓冲溶液中，配制成浆料A或浆料B的；步骤(1)和步骤(3)中酶水解反应结束后均用沸水浴灭活10min。

进一步地，步骤(1)中第一段酶水解是在水浴振荡器中进行的，反应温度为45℃～50℃，反应时间为30min～120min，振荡速度为70r/min～120r/min。

进一步地，步骤(3)中第二段酶水解是在水浴振荡器中进行的，反应温度为45℃～50℃，反应时间为30min～180min，振荡速度为70r/min～120r/min。

进一步地，步骤(2)中超声波处理的时间为30～120min，超声波频率为20～50KHz，温度为25～80℃。

进一步地，步骤(2)中筛分仪的筛网孔径为80～200目；步骤(2)和步骤(4)中均是对酶水解后的纤维进行抽滤，并用蒸馏水洗涤2～5次，收集纤维。

进一步地，步骤(4)中纤维悬浮液的浓度为1％～1.5％。

进一步地，步骤(4)中的高压均质处理是将纤维悬浮液通过高压均质机，循环5～30次，压力为100MPa～150MPa。

进一步地，步骤(4)中在-10℃～-50℃冷冻干燥12h～24h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

一、与现有的酸、碱和有机溶剂预处理制备MFC的过程中会产生大量的杂质相比，本发明采用生物酶辅助机械解离，不会产生化工废水，因此不需要废水处理装置，降低了生产成本和环境负荷；

二、本发明酶水解致使纤维细胞壁被破坏，采用两段酶水解处理，大幅度提高酶水解破坏纤维细胞壁的效率，有利于后面高压均质处理，节省能耗；

三、本发明先利用纤维素酶对原料纤维进行第一段酶水解预处理，再利用超声波处理使细胞壁外层分离，然后进行第二段酶水解处理，可以很大程度提高酶水解效率和大幅降低机械解离过程当中的能耗，从而达到节能环保的目的；另外本发明两段酶水解之间还有筛分处理，第一段酶水解破坏纤维细胞壁，超声处理后，细胞壁外层脱落，生成大量细小纤维，通过筛分将细小纤维分离出来后，再对长纤维部分进行第二段酶水解，这样做一方面有助于酶水解破坏细胞壁，水解效率高；另一方面还能减少纤维被酶完全水解成糖，提高得率；

四、本发明在不改变纤维素本身特性的前提下，通过酶水解结合超声波处理辅助机械解离制备均匀的纤维素微纤丝，制备工艺简单。

【附图说明】

图1是本发明的工艺方法生产流程图。

图2是本发明的纤维素微纤丝的TEM图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明具体是按以下步骤完成的：

一、溶液的配制

首先将柠檬酸溶于去离子水中，得到柠檬酸溶液，用氢氧化钠调节柠檬酸溶液的pH值至4.3，然后将溶液进行稀释，直至其pH值达到要求，且在4～5范围内，得到柠檬酸钠缓冲溶液。

二、第一段酶水解

将原料纤维加入pH＝4～5的柠檬酸钠缓冲溶液中，配置成浆浓为1％～3％的浆料A，向浆料A中加入纤维素酶后，在水浴振荡器中进行第一段酶水解反应。其中，纤维采用漂白针叶木浆绝干浆粕或漂白针叶木纤维绝干浆粕；纤维素酶为复合纤维素酶、外切纤维素酶或内切纤维素酶，且复合纤维素酶和外切纤维素酶的酶用量控制在5FPU/g～10FPU/g绝干原料纤维，内切纤维素酶的酶用量控制在20CMCU/g～60CMCU/g绝干原料纤维，复合纤维素酶的型号为Celluclast1.5L(SIGMA公司生产)，内切纤维素酶的型号为LPK-RZ011-SX(绿微康公司生产)，外切纤维素酶的型号为LPK-RZ012-SX(绿微康公司生产)；反应温度控制在45℃～50℃，反应时间控制在30min～120min，振荡速度控制在70r/min～120r/min。反应结束后立即用沸水浴灭活10min；再对酶水解后的纤维进行抽滤，并用蒸馏水洗涤2～5次，收集第一段酶水解后的纤维。

三、超声波处理

将第一段酶水解后的纤维放到超声波处理机中进行超声波处理30～120min，超声波频率控制在20～50KHz，温度控制在25～80℃。然后用筛分仪将纤维筛分成长纤维和细小组分纤维两部分，筛分仪的筛网孔径控制在80～200目。

四、第二段酶水理

对超声波处理得到的长纤维部分加入pH＝4～5的柠檬酸钠缓冲溶液中，配置成浆浓为1％～3％的浆料B，向浆料B中加入纤维素酶后，在水浴振荡器中进行第二段酶水解反应。纤维素酶为复合纤维素酶、外切纤维素酶或内切纤维素酶，且复合纤维素酶和外切纤维素酶的酶用量控制在5FPU/g～20FPU/g绝干长纤维部分，内切纤维素酶的酶用量控制在20CMCU/g～60CMCU/g绝干长纤维部分，反应温度控制在45℃～50℃，反应时间控制在30min～180min，振荡速度控制在70r/min～120r/min。反应结束后立即用沸水浴灭活10min，对水解后的纤维进行抽滤，并用蒸馏水反复洗涤2～5次，收集第二段酶水解后的全部纤维。

五、高压均质处理

把超声波处理得到的细小组分纤维和第二段酶水解后的纤维混合，得到混合纤维；将混合纤维配成浓度为1％～1.5％的纤维悬浮液，然后将纤维悬浮液通过高压均质机，循环5～30次，压力为100MPa～150MPa。最后从高压均质处理后的纤维悬浮液中分离出固形物，在-10℃～-50℃冷冻干燥12h～24h，得到纤维素微纤丝。

本发明中浆浓均是指质量浓度；本发明中所使用的纤维素酶均为液体酶，添加的体积很小，对溶液pH值的影响也很小，pH值认为是缓冲溶液的pH值，即本发明酶水解反应溶液pH值始终可以控制在4～5之间。

下面结合本发明中纤维素微纤丝的制备条件以及纤维素微纤丝的聚合度、直径和长度的分布范围等对本发明作进一步说明，下述非限制性实例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

①将3g漂白针叶木浆绝干浆粕撕成小块，利于平衡水分，一般水分含量在60％～70％，视原料具体情况而定，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用外切纤维素酶溶液和pH＝4.8的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至3﹪，酶用量控制为5FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应120min，温度为50℃，振荡速度为80r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min。将第一段酶水解后的纤维进行超声波处理50min，超声波频率控制在20KHz，温度控制在25℃。然后用配置有100目筛网的筛分仪筛分成长纤维和细小组分两部分，然后将长纤维部分(同时另取试样测定水分含量)再次装入锥形瓶内，用外切纤维素酶溶液和pH＝4.8的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至3﹪，酶用量控制为5FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应120min，温度为50℃，振荡速度为80r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min，用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取两段酶水解(第一段酶水解筛分出来的细小组分和第二段酶水解全部纤维)后的纤维1g(绝干)，配制成浓度为1％的纤维悬浮液，通过高压均质机20次，压力控制在100MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经-20℃冷冻干燥12h得到MFC。

②所得纤维素微纤丝：聚合度272，直径范围60～120nm，得率86％；机械能耗：855Wh。

对比例1：无分段酶水解和筛分处理，其它条件同实施例1

①将3g绝干浆粕撕成小块，利于平衡水分，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用外切纤维素酶溶液和pH＝4.8的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至3﹪，酶用量控制在10FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应240min，温度为50℃，振荡速度为80r/min。反应结束后立即用沸水浴灭活10min，将水解后的纤维用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取酶水解后的纤维1g(绝干)，配制成浓度为1％的纤维悬浮液，通过高压均质机20次，压力控制在100MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经冷冻干燥得到MFC。

②所得纤维素微纤丝：聚合度235，直径范围100～200nm，得率89％；机械能耗：888Wh。

由以上实施例1和对比例1可以看出，在相同均质次数下，即同等能耗下，对比例1中制备出的MFC的直径分布为100～200nm，实施例1中制备的MFC的直径分布为60～120nm，前者要远远大于后者。通过增加对比例1的均质次数可以制备出直径范围和实施例1相当的MFC，因此可以说明，本发明通过分段酶水解以及筛分处理，有效提高粒径分布均匀性，同时能够降低能耗。

实施例2

①将3g绝干浆粕撕成小块，平衡水分，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用的复合纤维素酶溶液和pH＝4.8的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至3﹪，酶用量为5FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应120min，温度为50℃，振荡速度为80r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min。将第一段酶水解后的纤维进行超声波处理50min，超声波频率控制在20KHz，温度控制在25℃。然后用配置有100目筛网的筛分仪筛分成长纤维和细小组分两部分，然后将长纤维部分(同时另取试样测定水分含量)再次装入锥形瓶内，用复合纤维素酶溶液和pH＝4.8的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至3﹪，酶用量控制为10FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应120min，温度为50℃，振荡速度为80r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min，用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取两段酶水解后的纤维1g(绝干)，配制成浓度为1％的纤维悬浮液，通过高压均质机20次，压力控制在100MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经-20℃冷冻干燥12h得到MFC。

②所得纤维素微纤丝：聚合度177，直径范围30～90nm，得率81％；机械能耗：836Wh。

实施例3

①将3g绝干浆粕撕成小块，平衡水分，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用外切纤维素酶溶液和pH＝4.8的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至3﹪，酶用量控制为5FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应120min，温度为50℃，振荡速度为80r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min。将第一段酶水解后的纤维进行超声波处理50min，超声波频率控制在20KHz，温度控制在25℃。然后用配置有100目筛网的筛分仪筛分成长纤维和细小组分两部分，然后将长纤维部分(同时另取试样测定水分含量)再次装入锥形瓶内，用复合纤维素酶溶液和pH＝4.8的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至3﹪，酶用量控制为10FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应120min，温度为50℃，振荡速度为80r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min，用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取两段酶水解后的纤维1g(绝干)，配制成浓度为1％的纤维悬浮液，通过高压均质机30次，压力控制在100MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经-20℃冷冻干燥12h得到MFC。

②所得纤维素微纤丝：聚合度149，得率77％；机械能耗：1198Wh。

图2是本发明实施例3制备出的纤维素微纤丝的TEM图，从图中可以测量出该MFC的直径在15～30nm之间。

实施例4

①将3g漂白针叶木纤维绝干浆粕撕成小块，利于平衡水分，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用内切纤维素酶溶液和pH＝4.0的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至1﹪，酶用量控制为20CMCU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应40min，温度为45℃，振荡速度为120r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min。将第一段酶水解后的纤维进行超声波处理80min，超声波频率控制在30KHz，温度控制在40℃。然后用配置有170目筛网的筛分仪筛分成长纤维和细小组分两部分，然后将长纤维部分(同时另取试样测定水分含量)再次装入锥形瓶内，用内切纤维素酶溶液和pH＝4.0的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至1﹪，酶用量控制为20CMCU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应40min，温度为45℃，振荡速度为120r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min，用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取两段酶水解后的纤维1.2g(绝干)，配制成浓度为1.2％的纤维悬浮液，通过高压均质机25次，压力控制在110MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经-10℃冷冻干燥24h得到MFC。

②所得纤维素微纤丝：聚合度192，直径范围40～100nm，得率85％；机械能耗：1011Wh。

实施例5

①将3g漂白针叶木纤维绝干浆粕撕成小块，利于平衡水分，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用内切纤维素酶溶液和pH＝4.2的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至1.5﹪，酶用量控制为60CMCU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应60min，温度为48℃，振荡速度为110r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min。将第一段酶水解后的纤维进行超声波处理60min，超声波频率控制在40KHz，温度控制在50℃。然后用配置有80目筛网的筛分仪筛分成长纤维和细小组分两部分，然后将长纤维部分(同时另取试样测定水分含量)再次装入锥形瓶内，用内切纤维素酶溶液和pH＝4.2的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至1.5﹪，酶用量控制为60CMCU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应60min，温度为48℃，振荡速度为110r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min，用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取两段酶水解后的纤维1.3g(绝干)，配制成浓度为1.3％的纤维悬浮液，通过高压均质机15次，压力控制在120MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经-30℃冷冻干燥18h得到MFC。

②所得纤维素微纤丝：聚合度91，直径范围15～30nm，得率80％；机械能耗：863Wh。

实施例6

将3g漂白针叶木纤维绝干浆粕撕成小块，利于平衡水分，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用内切纤维素酶溶液和pH＝4.6的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至2﹪，酶用量控制为40CMCU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应80min，温度为49℃，振荡速度为100r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min。将第一段酶水解后的纤维进行超声波处理30min，超声波频率控制在50KHz，温度控制在80℃。然后用配置有120目筛网的筛分仪筛分成长纤维和细小组分两部分，然后将长纤维部分(同时另取试样测定水分含量)再次装入锥形瓶内，用内切纤维素酶溶液和pH＝4.6的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至2﹪，酶用量控制为40CMCU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应80min，温度为49℃，振荡速度为100r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min，用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取第二段酶水解后的纤维1.4g(绝干)，配制成浓度为1.4％的纤维悬浮液，通过高压均质机10次，压力控制在140MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经-40℃冷冻干燥20h得到MFC。

实施例7

将3g漂白针叶木纤维绝干浆粕撕成小块，利于平衡水分，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用复合纤维素酶溶液和pH＝5.0的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至2.5﹪，酶用量控制为10FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应100min，温度为46℃，振荡速度为90r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min。将第一段酶水解后的纤维进行超声波处理120min，超声波频率控制在33KHz，温度控制在60℃。然后用配置有140目筛网的筛分仪筛分成长纤维和细小组分两部分，然后将长纤维部分(同时另取试样测定水分含量)再次装入锥形瓶内，用复合纤维素酶溶液和pH＝5.0的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至2.5﹪，酶用量控制为20FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应100min，温度为46℃，振荡速度为90r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min，用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取第二段酶水解后的纤维1.5g(绝干)，配制成浓度为1.5％的纤维悬浮液，通过高压均质机5次，压力控制在130MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经-50℃冷冻干燥16h得到MFC。

实施例8

将3g漂白针叶木纤维绝干浆粕撕成小块，利于平衡水分，取处理后的浆粕(同时另取试样测定水分含量)装入锥形瓶内，用复合纤维素酶溶液和pH＝4.5的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至1.8﹪，酶用量控制为8FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应30min，温度为47℃，振荡速度为70r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min。将第一段酶水解后的纤维进行超声波处理100min，超声波频率控制在40KHz，温度控制在10℃。然后用配置有200目筛网的筛分仪筛分成长纤维和细小组分两部分，然后将长纤维部分(同时另取试样测定水分含量)再次装入锥形瓶内，用复合纤维素酶溶液和pH＝4.5的柠檬酸钠缓冲液调节浆浓至1.8﹪，酶用量控制为15FPU/g，然后在恒温水浴振荡器中反应30min，温度为47℃，振荡速度为70r/min，反应结束后立即用沸水浴灭活10min，用布氏漏斗抽滤，蒸馏水反复洗涤，收集纤维并平衡水分。取第二段酶水解后的纤维1.1g(绝干)，配制成浓度为1.1％的纤维悬浮液，通过高压均质机8次，压力控制在150MPa，然后离心悬浮液，分离出固形物，经-25℃冷冻干燥15h得到MFC。

由实施例1至5的试验结果可知：所制取的纤维素微纤丝，其分布较为均匀，聚合度在90～300，直径为15～120nm，得率在75％～86％。本发明制得的长度均在微米级，可达1～6um；本发明采用两段酶水解处理，大幅度提高酶水解破坏纤维细胞壁的效率，可以节省能耗，制备的纤维素微纤丝聚合度及粒径均在理论制备纤维素微纤丝得到的范围之内。本发明所提供的数据论证了纤维素酶水解辅助高压均质处理可以高效生产纤维素微纤丝。

本发明提供了一种高效率、环保、较低能耗的纤维素微纤丝的制备方法，对纤维原料进行两次或两次以上的酶水解处理，包括连续的两次或两次以上的酶水解处理，以及多次酶水解处理过程当中加入其他处理方式，其他处理方式包括超声波处理，打浆处理，匀浆处理；解决现有技术制备MFC方法中存在的不足之处，先利用纤维素酶对原料纤维进行第一段酶水解预处理，再利用超声波处理使细胞壁外层分离，然后用筛分仪将纤维筛分成不同尺寸的组分，然后长纤维进行第二段酶水解处理，再与筛分出来的细小组分直接混合进行下一步处理，可以很大程度提高酶水解效率和大幅降低机械解离过程当中的能耗，从而达到节能环保的目的。