本发明属于生物质纳米材料领域，具体涉及一种以麦草纤维素微纤丝为原料制备纳米微晶纤维素的方法。
背景技术：
纤维素是自然界中来源最丰富、分布最广泛、可再生的有机高分子材料，广泛存在于棉花，木材，亚麻，草类等植物细胞壁中。纤维素大分子的结构分为若干个密度较大、分子链取向良好的结晶区和密度较小、对强度贡献较小的无定形区，一个结晶区可以被看作微晶体。纤维素微纤丝是由天然纤维素在极大的机械作用下，或是预处理结合机械作用剥离出来的，直径达到纳米水平的纤维素功能材料。
纳米微晶纤维素也被称作纳米纤维素晶体，是从天然纤维素中分离出来，并且选择性保留纤维素中的结晶区所得到的生物质纳米材料。纳米微晶纤维素相对于天然纤维素来说具有特殊的物理和化学性质，并且保留了天然纤维素的特点，近年来已经得到了广泛的研究。
我国的麦草秸秆资源非常丰富，每年大量秸秆如果直接焚烧，将会对环境造成污染，不利于可持续发展，并且麦草秸秆中含有丰富的纤维素，因此也会造成资源的浪费。若能将这些纤维素资源进行加工得到纤维素纳米晶体，从而高值化利用，将会对环境，工业发展以及资源的有效利用起到积极的作用。
目前生产纳米微晶纤维素的方法主要有机械法、化学法和生物法，也有预处理结合机械的方法。机械法是对天然纤维素进行高强度的物理机械处理得到纳米微晶纤维素，无化学品的参加，但是处理过程能耗过高，同时制备出的纳米微晶纤维素粒径分布宽。化学法直接酸、碱处理或氧化降解天然纤维素可以得到纳米微晶纤维素，但是得率较低、且作用分布不均，造成纤维素聚合度和纤维分子质量下降，以及原料、酶和化学药品的浪费。生物法制备的纳米微晶纤维素通常被称为细菌纤维素，但存在制备过程复杂、得率低、耗时长和成本高等问题。
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，提供一种以麦草纤维素微纤丝为原料制备纳米微晶纤维素的方法，制备过程简单，纳米微晶纤维素的得率高，粒径分布均匀，作用效果好，且能实现麦草秸秆的高值化利用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
包括以下步骤：
(1)将麦草纤维依次经过酶水解处理和高压均质处理，得到麦草纤维素微纤丝悬浮液，经过分离干燥得到麦草纤维素微纤丝；
(2)向麦草纤维素微纤丝中加入酸溶液，反应5～10h，然后加入去离子水停止反应，超声振荡后静置分层，取下层沉淀进行洗涤透析，得到纳米微晶纤维素；
或者将麦草纤维素微纤丝和复合纤维素酶均加入柠檬酸钠缓冲液中，水浴振荡反应5～10h，再经过灭活和洗涤得到纳米微晶纤维素。
进一步地，步骤(1)中酶水解处理的具体步骤是：先将麦草纤维配制成悬浮液a，然后向悬浮液a中加入5～10fpu/g绝干麦草纤维的复合纤维素酶，在45～50℃恒温振荡水浴反应30～120min，反应结束后经灭活、洗涤、过滤和干燥，完成酶水解处理。
进一步地，悬浮液a的质量分数为1％～3％。
进一步地，悬浮液a是向绝干麦草纤维中加入柠檬酸钠缓冲液，浸泡润胀4～24h得到的；振荡速度为50～140r/min。
进一步地，步骤(1)中高压均质处理的具体步骤是：将酶水解处理的麦草纤维配成悬浮液b，均质25～40次，均质压力在60～120mpa，完成高压均质处理。
进一步地，悬浮液b的质量分数为0.2％～1.5％。
进一步地，步骤(2)中酸溶液是质量浓度40～50％的硫酸溶液，麦草纤维素微纤丝和硫酸溶液的比例是1g：(10～15)ml。
进一步地，步骤(2)中超声30～150min。
进一步地，步骤(2)中柠檬酸钠缓冲液的ph值为4～5，麦草纤维素微纤丝和柠檬酸钠缓冲液的比例是1g：(10～13)ml。
进一步地，步骤(2)中，麦草纤维素微纤丝和复合纤维素酶的比例是1g：(2～5)ml。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一是以麦草纤维素微纤丝为原料制备纳米微晶纤维素，利用废弃麦草秸秆中丰富的纤维素制备纳米微晶纤维素，可以减少资源的浪费，实现麦草秸秆的高值化利用。二是以麦草纤维素微纤丝为原料制备的纳米微晶纤维素，是将麦草纤维原料经酶水解，高压均质处理得到的麦草纤维素微纤丝进行酸水解或酶水解得到纳米微晶纤维素，较传统的直接水解纤维原料得到的纳米微晶纤维素得率高，得率达到45.6～53.3％，化学品消耗少，处理效果更好，得到纳米微晶纤维素粒径小、分布也更均匀，平均粒径在40～120nm。
附图说明
图1是酸水解纤维素微纤丝制备得到的纳米微晶纤维素的扫描电镜图。
图2是酸水解漂白麦草纤维得到的纳米微晶纤维素的扫描电镜图。
图3是酶水解纤维素微纤丝制备得到的纳米微晶纤维素的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明包括如下步骤：
(1)溶液
ph值4.0～5.0的柠檬酸钠缓冲液配制方法：称量9.6克无水柠檬酸和2.7克氢氧化钠，在搅拌的同时加入到900ml的蒸馏水中，最后加蒸馏水定容至1l。测试ph，用柠檬酸或氢氧化钠稀释溶液调整到ph＝4～5)。
复合纤维素酶(商品名celluclast1.5l，购自sigma公司，最适温度50℃)。
(2)酶预处理麦草纤维原料
称取一定质量的绝干漂白麦草纤维置于锥形瓶中，用上述配好的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为1.0％～3.0％的悬浮液，充分浸泡润胀(4～24h)后，加入一定量复合纤维素酶(5～10fpu/g绝干麦草纤维)然后放置到恒温振荡水浴锅中水解30～120min，保持水浴锅温度45～50℃，振荡速度为50～140r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次洗涤，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
(3)麦草纤维素微纤丝的制备
称取少量酶预处理过的麦草纤维，配制成浓度为0.2％～1.5％的纤维悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质25～40次，控制压力约60～120mpa，制备出纤维素微纤丝悬浮液。将悬浮液离心15～30min，转速为2500～5000r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
(4)制备纳米微晶纤维素
(401)酸水解麦草纤维素微纤丝制备纳米微晶纤维素
称取一定质量绝干麦草纤维素微纤丝，放入水浴振荡器中，缓慢滴入适量(10～15ml)质量浓度40～50％的硫酸溶液。反应5～10h后，加入去离子水(大约200ml)停止反应。用超声振荡仪超声30～150min后静置分层，去除上层清液，对下层沉淀离心洗涤，离心机转速为3500～5000r/min，反复洗涤直至悬浮液不再发生沉降。将悬浮液移入透析袋内，然后放入去离子水中透析直至ph接近于7，透析完后的悬浮液放入冰箱中(3.0～5.0℃)保存。
(402)酶水解麦草纤维素微纤丝制备纳米微晶纤维素
称取一定质量绝干麦草纤维素微纤丝，加入10～13ml上述配好的柠檬酸钠缓冲液(可以采用与步骤(2)相同的柠檬酸钠缓冲液)放入水浴振荡器中。再缓慢适量加入复合纤维素酶2～5ml，反应5～10h后，取出在沸水中灭活5min，进行离心洗涤，离心机转速为3500～5000r/min，反复洗涤直至悬浮液不再发生沉降，收集纳米微晶纤维素悬浮液。
本发明以麦草纤维素微纤丝为原料，制备纳米微晶纤维素，扩大了麦草纤维素微纤丝的应用范围，实现麦草秸秆的高质化利用，为纳米微晶纤维素的制备提供了新的思路。
以麦草纤维素微纤丝为原料较传统的酸水解纤维原料制备出的纳米微晶纤维素得率高，处理效果更好，得到纳米微晶纤维素粒径小、分布也更均匀。
下面结合本发明中纳米微晶纤维素的制备条件以及纳米微晶纤维素的聚合度、粒径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
称取3g绝干漂白麦草纤维置于250ml的锥形瓶中，用ph＝5.0的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为3.0％的浆料悬浮液，浸泡润胀4h后，按照相对于绝干麦草纤维10fpu/g加入复合纤维素酶，然后将锥形瓶放置到恒温振荡水浴锅中水解30min，保持水浴振荡器温度45℃，振荡速度为80r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次涤洗，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
称取3g酶预处理过的麦草纤维配制成浓度为0.2％的悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质40次，控制压力约60mpa，制备出麦草纤维素微纤丝。将悬浮液离心15min，转速为5000r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
称取1g绝干麦草纤维素微纤丝于250ml锥形瓶中，放入水浴振荡器中，缓慢滴入50％硫酸溶液10ml，反应5h后，加入去离子水(大约200ml)停止反应。用超声振荡仪超声150min后静置1h，去除上层清液，对下层沉淀离心洗涤，离心机转速为3500r/min，反复洗涤至悬浮液在此转速下不再发生沉降。将悬浮液移入透析袋内，然后放入去离子水中透析直至ph接近于7，透析完后的悬浮液放入冰箱中(3.0℃)保存。透析后得到的纳米微晶纤维素胶体悬浮液泛蓝光。
得到的纳米微晶纤维素如图1所示，呈棒状结构，且粒径分布范围小。经过检测，纳米微晶纤维素得率为49％，平均聚合度为143，阳离子需求量为42.6，粒径主要分布在50～110nm之间(大于100nm的是棒状纳米微晶纤维素的长度方向上的尺寸)，对比麦草纤维素和麦草纤维素微纤丝的红外谱图，没有新的官能团产生，x-射线衍射也测得产物的晶型未发生变化，结晶度为70.33％，分子质量为23166。
对比例1：
称取1g绝干漂白麦草纤维于250ml锥形瓶中，缓慢滴入50％硫酸溶液10ml，放入水浴振荡器中，保持水浴振荡器温度50℃，振荡速度为80r/min。反应5.5h后，加入去离子水(大约200ml)停止反应。用超声振荡仪超声150min后静置1h后，去除上层清液，对下层沉淀离心洗涤，离心机转速为3500r/min，反复洗涤直至悬浮液在此转速下不再发生沉降。将悬浮液移入透析袋内，然后放入去离子水中透析直至ph接近于7，透析完后的悬浮液放入冰箱中(3.0℃)保存。透析后得到的纳米微晶纤维素胶体悬浮液泛蓝光。
得到的纳米微晶纤维素如图2所示，可以看出纳米微晶纤维素多呈棒状结构，粒径分布分布范围较大。经过检测，纳米微晶纤维素得率为28.4％，平均聚合度为118，阳离子需求量为48.3，粒径主要分布在45-300nm之间，对比麦草纤维素的红外谱图，没有新的官能团产生，x-射线衍射也测得产物的晶型未发生变化，结晶度为69.44％，分子质量为19116。
由以上实施例1和对比例1可以看出，酸水解麦草纤维素微纤丝和酸水解麦草纤维原料所得到的产物均未有官能团的变化，晶型也未发生改变，但是得率高出将近一倍，并且粒径分布范围更小。因此可以说明，本发明通过酸水解纤维素微纤丝所得到的纳米微晶纤维素得率更高，粒径分布更加均匀。
实施例2：
称取3g绝干漂白麦草纤维置于250ml的锥形瓶中，用ph＝5.0的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为3.0％的浆料悬浮液，浸泡润胀4h后，按照相对于绝干麦草纤维10fpu/g加入复合纤维素酶，然后将锥形瓶放置到恒温振荡水浴锅中水解30min，保持水浴振荡器温度45℃，振荡速度为80r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次涤洗，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
称取3g酶预处理过的麦草纤维配制成浓度为0.2％的悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质40次，控制压力约60mpa，制备出麦草纤维素微纤丝。将悬浮液离心15min，转速为5000r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
称取1g绝干麦草纤维素微纤丝于250ml锥形瓶中，加入12ml柠檬酸钠缓冲液放入水浴振荡器中。再缓慢加入0.05mol/l复合纤维素酶溶液3ml，反应5h后，取出在沸水中灭活5min，进行离心洗涤，离心机转速为3500r/min，反复洗涤直至悬浮液在此转速下不再发生沉降，收集纳米微晶纤维素悬浮液。
得到的纳米微晶纤维素如图3所示，呈球状结构，尺寸较小。经过检测，纳米微晶纤维素得率为53.3％，平均聚合度为175，阳离子需求量为37.2，粒径主要分布在80～120nm之间，对比麦草纤维素和麦草纤维素微纤丝的红外谱图，没有新的官能团产生，x-射线衍射也测得产物的晶型未发生变化，结晶度为74.23％，分子质量为28350。
实施例3：
称取3g绝干漂白麦草纤维置于250ml的锥形瓶中，用ph＝4.8的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为2.0％的浆料悬浮液，浸泡润胀10h后，按照相对于绝干麦草纤维8fpu/g加入复合纤维素酶，然后将锥形瓶放置到恒温振荡水浴锅中水解60min，保持水浴振荡器温度46℃，振荡速度为100r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次涤洗，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
称取3g酶预处理过的麦草纤维配制成浓度为0.6％的悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质32次，控制压力约80mpa，制备出麦草纤维素微纤丝。将悬浮液离心20min，转速为4000r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
称取1g绝干麦草纤维素微纤丝于250ml锥形瓶中，放入水浴振荡器中，缓慢滴入47％硫酸溶液12ml，反应7h后，加入去离子水(大约200ml)停止反应。用超声振荡仪超声100min后静置1h，去除上层清液，对下层沉淀离心洗涤，离心机转速为4000r/min，反复洗涤直至悬浮液在此转速下不再发生沉降。将悬浮液移入透析袋内，然后放入去离子水中透析直至ph接近于7，透析完后的悬浮液放入冰箱中(3.0℃)保存。
得到的纳米微晶纤维素呈棒状结构，且粒径分布范围小。经过检测，纳米微晶纤维素得率为45.6％，平均聚合度为131，阳离子需求量为49.5，粒径主要分布在60～110nm之间(大于100nm的是棒状纳米微晶纤维素的长度方向上的尺寸)，对比麦草纤维素和麦草纤维素微纤丝的红外谱图，没有新的官能团产生，x-射线衍射也测得产物的晶型未发生变化，结晶度为75.60％，分子质量为24903。
实施例4：
称取3g绝干漂白麦草纤维置于250ml的锥形瓶中，用ph＝4.8的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为2.0％的浆料悬浮液，浸泡润胀10h后，按照相对于绝干麦草纤维8fpu/g加入复合纤维素酶，然后将锥形瓶放置到恒温振荡水浴锅中水解60min，保持水浴振荡器温度46℃，振荡速度为100r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次涤洗，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
称取3g酶预处理过的麦草纤维配制成浓度为0.6％的悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质32次，控制压力约80mpa，制备出麦草纤维素微纤丝。将悬浮液离心20min，转速为4000r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
称取1g绝干麦草纤维素微纤丝于250ml锥形瓶中，加入10ml柠檬酸钠缓冲液放入水浴振荡器中。再缓慢加入0.05mol/l复合纤维素酶溶液5ml，反应5h后，取出在沸水中灭活5min，进行离心洗涤，离心机转速为4000r/min，反复洗涤直至悬浮液在此转速下不再发生沉降，收集纳米微晶纤维素悬浮液。
得到的纳米微晶纤维素呈球状结构，尺寸较小。经过检测，纳米微晶纤维素得率为49.9％，平均聚合度为142，阳离子需求量为41.8，粒径主要分布在40～100nm之间，对比麦草纤维素和麦草纤维素微纤丝的红外谱图，没有新的官能团产生，x-射线衍射也测得产物的晶型未发生变化，结晶度为79.48％，分子质量为33142。
实施例5：
称取3g绝干漂白麦草纤维置于250ml的锥形瓶中，用ph＝4.5的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为1.5％的浆料悬浮液，浸泡润胀18h后，按照相对于绝干麦草纤维6fpu/g加入复合纤维素酶，然后将锥形瓶放置到恒温振荡水浴锅中水解90min，保持水浴振荡器温度48℃，振荡速度为140r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次涤洗，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
称取3g酶预处理过的麦草纤维配制成浓度为1.0％的悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质28次，控制压力约100mpa，制备出麦草纤维素微纤丝。将悬浮液离心25min，转速为3200r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
称取1g绝干麦草纤维素微纤丝于250ml锥形瓶中，放入水浴振荡器中，缓慢滴入45％硫酸溶液13ml，反应8h后，加入去离子水(大约200ml)停止反应。用超声振荡仪超声60min后静置1h，去除上层清液，对下层沉淀离心洗涤，离心机转速为4500r/min，反复洗涤直至悬浮液在此转速下不再发生沉降。将悬浮液移入透析袋内，然后放入去离子水中透析直至ph接近于7，透析完后的悬浮液放入冰箱中(3.0℃)保存。
实施例6：
称取3g绝干漂白麦草纤维置于250ml的锥形瓶中，用ph＝4.5的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为1.5％的浆料悬浮液，浸泡润胀18h后，按照相对于绝干麦草纤维6fpu/g加入复合纤维素酶，然后将锥形瓶放置到恒温振荡水浴锅中水解90min，保持水浴振荡器温度48℃，振荡速度为140r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次涤洗，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
称取3g酶预处理过的麦草纤维配制成浓度为1.0％的悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质28次，控制压力约100mpa，制备出麦草纤维素微纤丝。将悬浮液离心25min，转速为3200r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
称取1g绝干麦草纤维素微纤丝于250ml锥形瓶中，加入11ml柠檬酸钠缓冲液放入水浴振荡器中。再缓慢加入0.05mol/l复合纤维素酶溶液4ml，反应7h后，取出在沸水中灭活5min，进行离心洗涤，离心机转速为4500r/min，反复洗涤直至悬浮液在此转速下不再发生沉降，收集纳米微晶纤维素悬浮液。
实施例7：
称取3g绝干漂白麦草纤维置于250ml的锥形瓶中，用ph＝4.0的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为1.0％的浆料悬浮液，浸泡润胀24h后，按照相对于绝干麦草纤维5fpu/g加入复合纤维素酶，然后将锥形瓶放置到恒温振荡水浴锅中水解120min，保持水浴振荡器温度50℃，振荡速度为50r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次涤洗，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
称取3g酶预处理过的麦草纤维配制成浓度为1.5％的悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质25次，控制压力约120mpa，制备出麦草纤维素微纤丝。将悬浮液离心30min，转速为2500r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
称取1g绝干麦草纤维素微纤丝于250ml锥形瓶中，放入水浴振荡器中，缓慢滴入40％硫酸溶液15ml，反应10h后，加入去离子水(大约200ml)停止反应。用超声振荡仪超声30min后静置1h，去除上层清液，对下层沉淀离心洗涤，离心机转速为5000r/min，反复洗涤直至悬浮液在此转速下不再发生沉降。将悬浮液移入透析袋内，然后放入去离子水中透析直至ph接近于7，透析完后的悬浮液放入冰箱中(3.0℃)保存。
实施例8：
称取3g绝干漂白麦草纤维置于250ml的锥形瓶中，用ph＝4.0的柠檬酸钠缓冲液配制成质量分数为1.0％的浆料悬浮液，浸泡润胀24h后，按照相对于绝干麦草纤维5fpu/g加入复合纤维素酶，然后将锥形瓶放置到恒温振荡水浴锅中水解120min，保持水浴振荡器温度50℃，振荡速度为50r/min。待达到反应时间后，立刻煮沸灭活5min，用蒸馏水反复多次涤洗，随后使用布氏漏斗真空过滤，收集酶水解后的纤维，冷冻干燥后以备后用。
称取3g酶预处理过的麦草纤维配制成浓度为1.5％的悬浮液，进行适当的搅拌分散。随后，将悬浮液经过高压均质处理，反复均质25次，控制压力约120mpa，制备出麦草纤维素微纤丝。将悬浮液离心30min，转速为2500r/min，取下层沉淀冷冻干燥，以备用。
称取1g绝干麦草纤维素微纤丝于250ml锥形瓶中，加入13ml柠檬酸钠缓冲液放入水浴振荡器中。再缓慢加入0.05mol/l复合纤维素酶溶液2ml，反应10h后，取出在沸水中灭活5min，进行离心洗涤，离心机转速为3500r/min，反复洗涤直至悬浮液在此转速下不再发生沉降，收集纳米微晶纤维素悬浮液。
本发明提供了一种由麦草纤维素微纤丝制备纳米微晶纤维素的方法，先将麦草纤维原料用酶预处理加高压均质的方法得到纤维素微纤丝，再进行酸或酶水解处理，为纳米微晶纤维素的制备提供了新的思路，并且有利于扩大纤维素微纤丝的应用和麦草秸秆的高值化利用。