一种酶预处理辅助制备麦草纤维素微纤丝的方法与流程

本发明属于植物纤维素生物质精炼领域，尤其是涉及一种酶预处理辅助制备麦草纤维素微纤丝的方法。
背景技术：
：纤维素是自然界中含量最丰富的可再生性天然高分子聚合物，广泛存在于木材、禾本科、棉麻类等天然植物中。由于纤维素在性能上存在某些缺点，如热解性能差、不耐化学腐蚀、强度有限等，这就限制了它的应用范围。研究发现，当纤维直径达到纳米水平时，将会具备许多新的性质，其结晶度、亲水性、杨氏模量、强度和透明度等性能都有很大的提高，使其具有更广阔的应用范围。从天然纤维素中制备出来的纤维素微纤丝(cellulosemicrofibril，简称CMF)现在已经广泛的应用于纳米器件、包装材料、食品添加剂、太阳能电池和纳米纸等领域。我国是农作物秸秆资源丰富的国家，每年产生的农作物秸秆产量可达7亿吨左右，其中22％是麦草秸秆。农作物秸秆中蕴含着大量的纤维素成分、工业原料成分和热值。合理利用秸秆，有利于工业、农业和农村经济的合理发展，否则直接焚烧秸秆，不仅释放的大量气体严重污染环境，而且造成能源资源的重大浪费。若能将这部分纤维素成分加以精制，获得高纯度的纳米纤维素，则是实现麦草秸秆资源高附加值利用的重点。麦草浆中细杂组份(通过100目，其中大部分是杂细胞，如薄壁细胞、表皮细胞等)的化学组分、物理形态和表面性质与纤维细胞有很大的差异，比表面积较大且结晶程度较低，对酶的吸附作用和水解作用较强，在酶水解过程中部分细杂组分容易首先被溶解，消耗更多的酶用量，因此，研究以筛分细杂组分后的麦草浆为原料制备纤维素微纤丝对改善制备方法，提高产品性质具有重要的现实意义。现有技术主要以木浆为原料制备纤维素微纤丝，单纯利用机械高压均质化处理制备纤维素微纤丝能耗较高，长时间强烈的机械作用损坏纤维的晶体结构，而且原料纤维较长，容易堵塞高压均质机而使制备过程难以实现连续化；现有预处理结合机械法制备也具有一定的缺陷和局限性，酸、碱预处理对设备的抗腐蚀性要求高，分离得到纯CMF需消耗大量的水资源及动力资源，增加了成本和环境负荷；虽然TEMPO氧化预处理反应速度迅速，制备的CMF宽度较均匀，稳定性好，但是至今为止工业上还没有办法回收TEMPO催化剂，而且该法的制备原料主要为脱除木质素后的硫酸盐木浆等。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，提供一种酶预处理辅助制备麦草纤维素微纤丝的方法，浆料中纤维分散均匀，利于低能耗、无污染的连续化加工，实现农作物麦草的高值化利用。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)将麦草浆进行筛分处理，收集截留在筛网上的纤维组分；(2)将步骤(1)得到的纤维组分用缓冲液配制成质量浓度为1％～5％的纤维悬浮液，再向纤维悬浮液中加入纤维素酶进行水解，得到酶预处理后的纤维浆料；其中纤维素酶的加入量是纤维组分绝干质量的0.5％～25％；(3)将步骤(2)中得到的酶预处理后的纤维浆料经过机械搅拌剪切；(4)将步骤(3)中机械搅拌剪切后的纤维浆料配制成质量浓度为0.5～1.5％的纤维悬浮液，进行循环均质处理，制备出纤维素微纤丝乳状液；(5)将纤维素微纤丝乳状液依次进行离心分离和过滤，得到麦草纤维素微纤丝。进一步地，步骤(1)中的筛网为100目。进一步地，步骤(2)中纤维组分先用水浸泡润胀6～18h，经疏解机疏解10～30min，挤干水分再配制成纤维悬浮液。进一步地，步骤(2)中缓冲液采用的是浓度为0.05mol/L的磷酸缓冲液。进一步地，步骤(2)中纤维素酶采用的是活性为50000u/g的固态内切葡聚糖酶。进一步地，步骤(2)中水解是在45～65℃的恒温水浴振荡锅中进行的，振荡频率为80～120r/min，水解时间为30～180min。进一步地，步骤(3)中搅拌转速在5000～10000r/min，搅拌时间在5～15min。进一步地，步骤(4)的循环均质处理中，压力在50～100MPa，循环次数为10～30次。进一步地，步骤(5)中纤维素微纤丝乳状液在转速4000～8000r/min下离心分离10～30min。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：(1)在本发明方法中，以麦草浆为原料，实现了对农作物废弃物的高值化再利用，扩大了制备纤维素微纤丝的原料来源。(2)制备过程中没有使用酸、碱、TEMPO催化剂等化学药剂，减少环境污染，而且可以降低机械解离能耗，具有良好的经济效益和环保效益。(3)在酶预处理前对麦草浆进行筛分，有利于减少浆中杂细胞对酶的消耗，然后进行合适的酶预处理和搅拌剪切处理，使浆料中的纤维分散均匀，以顺利通过高压均质机分离出微纤丝，便于连续化加工。(4)所制备的麦草纤维素微纤丝呈现乳白色凝胶状，微纤丝间相互交织成网状结构，直径为25～100nm，长度达到微米级，长径比较大且性能稳定，达到了纤维素微纤丝的质量要求。【附图说明】图1是实施例1制备的麦草纤维素微纤丝的扫描电镜图(加酶量5％，均质10次)；图2是对比例1制备的麦草纤维素微纤丝的扫描电镜图(不加内切葡聚糖酶，均质10次)；图3是实施例2制备的麦草纤维素微纤丝的扫描电镜图(加酶量25％，均质10次)；图4是实施例3制备后的纤维扫描电镜图(加酶量25％，均质5次)；图5是实施例3制备的麦草纤维素微纤丝的扫描电镜图(加酶量25％，均质30次)；图6是本发明制得的纤维素微纤丝的外观形貌图。【具体实施方式】下面结合附图对本发明做进一步详细说明。本发明包括以下步骤：(1)所用原料为麦草浆，属于禾本科纤维原料，纤维较短，宽度较小，含有较多的薄壁细胞和表皮细胞等杂细胞，在预处理前对麦草浆进行筛分处理，筛出细杂组分，收集截留在100目筛网上的纤维组分，以备后续处理。(2)将步骤(1)得到的纤维组分用水浸泡润胀6～18h后，经疏解机疏解10～30min，使麦草浆分散均匀，使后来加入的酶能与麦草纤维充分混合；挤干水分，用浓度为0.05mol/L的缓冲液配制成质量浓度为1％～5％的纤维悬浮液，然后加入相对纤维组分绝干质量0.5％～25％的纤维素酶进行水解，在恒温水浴振荡锅中保持温度45～65℃，振荡频率为80～120r/min，反应时间为30～180min。水解结束后放在沸水浴中煮沸灭活5min，然后经过蒸馏水充分洗涤，得到酶预处理后的纤维浆料。其中步骤(2)中的缓冲液是磷酸缓冲液，所述的纤维素酶为市售的固态内切葡聚糖酶，来源于苏柯汉(潍坊)生物工程有限公司，品牌为SUKACell，活性为50000u/g。(3)将步骤(2)中得到的酶预处理后的纤维浆料经过适当的机械搅拌剪切，搅拌转速控制在5000～10000r/min，搅拌时间在5～15min，使浆料中较长纤维变短，纤维分散均匀，有利于顺利通过均质机。(4)将步骤(3)中得到的纤维用蒸馏水配制成100mL、质量浓度为0.5～1.5％纤维悬浮液，经过高压均质机的循环均质处理，控制高压均质机的操作压力在50～100MPa，循环次数为10～30次，制备出纤维素微纤丝乳状液。(5)将步骤(4)得到的纤维素微纤丝乳状液在转速4000～8000r/min下离心分离10～30min，取离心液经过纤维素超滤膜过滤，收集膜面截留的固体组分，得到麦草纤维素微纤丝。本发明以麦草浆为原料，扩大了制备纤维素微纤丝的原料限制，在高压均质化处理前对麦草纤维进行筛分，然后进行合适的酶预处理和搅拌剪切处理，有利于减少酶用量，使浆料顺利通过高压均质机分离出微纤丝，而且制备过程不使用化学试剂，可以降低能耗，改善产品性能，降低污染负荷，有助于纤维素微纤丝的工业化生产。下面通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明。实施例1将麦草浆进行筛分，收集截留在100目筛网上的纤维组分，用水浸泡润胀12h后，经疏解机疏解30min，挤干水分，用浓度为0.05mol/L的磷酸缓冲液配制成浓度为3％的纤维悬浮液；然后加入相对纤维组分绝干质量5％的国产固态内切葡聚糖酶进行水解，在恒温水浴振荡锅中保持温度45℃，振荡频率为100r/min，反应时间为120min。水解结束后放在沸水浴中煮沸灭活5min，然后经过蒸馏水充分洗涤，得到酶预处理后的纤维浆料；再将纤维浆料经过适当的机械搅拌，搅拌转速控制在8000r/min，搅拌时间10min，然后配制成质量分数为0.5％纤维悬浮液100mL，经过高压均质机的循环均质处理，控制高压均质机的操作压力在80MPa，循环次数为10次，制备出纤维素微纤丝乳状液；将得到的纤维素微纤丝乳状液在转速8000r/min下离心分离30min，取离心液经过纤维素超滤膜过滤，收集膜面截留的固体组分，得到麦草纤维素微纤丝，扫描电镜图片(×100k)如图1所示。制备的麦草纤维素微纤丝宽度40～100nm，长度微米级，结晶度(CrI％)74.53，聚合度(DP)235，而且均质能耗为865.9W·h。。对比例1：不用酶预处理，直接高压均质处理，其他条件同实施例1将麦草浆进行筛分，收集截留在100目筛网上的纤维组分，用水浸泡润胀12h后，再将纤维浆料经过适当的机械搅拌，搅拌转速控制在8000r/min，搅拌时间10min，然后配制成质量分数为0.5％纤维悬浮液100mL，经过高压均质机的循环均质处理，控制高压均质机的操作压力在80MPa，循环次数为10次，制备出纤维素微纤丝乳状液；将得到的纤维素微纤丝乳状液在转速8000r/min下离心分离30min，取离心液经过纤维素超滤膜过滤，收集膜面截留的固体组分，得到麦草纤维素微纤丝，扫描电镜图片(×100k)如附图2所示。制备的纤维素微纤丝：结晶度(CrI％)63.28，聚合度(DP)318，纤维宽度50～140nm，分布不均匀，长度微米级，能耗1.03kW·h。在实施例1中，添加了相对纤维组分绝干质量5％的内切葡聚糖酶预处理，制备麦草纤维素微纤丝；对比例1与实施例1对比结果可知，从能耗测定上看，1.03kW·h大于865.9W·h，表明酶预处理后解离纤维能耗会降低，而且酶预处理后产品纤维素微纤丝的宽度范围变窄，尺寸更均匀，结晶度有所提高，性能得到改善。实施例2其它条件同实施例1，仅内切葡聚糖酶的添加量相对纤维组分绝干质量为0.5％、2％、...25％和45％，制备麦草纤维素微纤丝，其性能测试结果如下表1所示；其中加酶量25％、均质10次得到的麦草纤维素微纤丝的扫描电镜图片(×100k)如附图3所示。表1不同酶添加量制备的麦草纤维素微纤丝性能测试结果酶添加量0.5％2％15％25％30％45％得率(％)938768524842宽度(nm)40～12040～11035～8530～8030～6525～60结晶度71.6873.5375.7676.8676.3275.13聚合度287245221210189177能耗值(W·h)955.0794.3813.5672.9634.3624.6分析数据可知，其他条件不变，随着酶用量的增加，虽然产品麦草纤维素微纤丝的性能得到改善，宽度变得更加均匀，结晶度有所提高，聚合度下降，解离能耗有所降低，但是当酶用量增加到一定程度后，酶的成本提高，纤维素微纤丝的得率降低，过量的酶在有限的水解时间内并没有发挥出最佳效果，因此综合考虑，选择内切葡聚糖的添加量在0.5％～25％间。实施例3其它条件同实施例1，仅加酶量改为加入相对纤维组分绝干质量的25％，循环均质次数依次采用5、10、20、30和40次，制备麦草纤维素微纤丝，其中加酶量25％、均质5次得到的麦草纤维素的扫描电镜图片(×10k)如附图4所示，加酶量25％、均质30次得到的麦草纤维素微纤丝的扫描电镜图片(×100k)如附图5所示。结果表明：当均质次数为5次时，麦草纤维表面明显分丝起毛，纤维变短，暴露出微纤丝结构，但是微纤丝并没有完全被解离开；随着均质次数的增加，当均质次数为10次时，麦草纤维素微纤丝的宽度为30～80nm，结晶度(CrI％)76.86，聚合度(DP)210，能耗672.9W·h，当均质均质次数为30次时，制备的麦草纤维素微纤丝的宽度为25～40nm，分布均匀，结晶度(CrI％)69.87，聚合度(DP)165，能耗1.449kW·h。分析数据可知，其他条件不变，随着均质次数的增加，麦草纤维逐渐被解离成麦草纤维素微纤丝，而且纤维素微纤丝的宽度逐渐变得更窄，分布更加均匀，产品性能得到提高，但是解离能耗会逐渐增加，造成生产成本提高。综合考虑，选择均质次数在10～30次。由实施例1至3制备得到的实验结果可知，本发明所述的制备方法能够降低能耗，提高产品性能，获得的麦草纤维素微纤丝呈现乳白色凝胶状，如图6所示；微纤丝间相互交织成网状结构，直径为25～100nm，长度达到微米级，长径比较大且性能稳定，达到了纤维素微纤丝的质量要求。实施例4将麦草浆进行筛分，收集截留在100目筛网上的纤维组分，用水浸泡润胀6h后，经疏解机疏解25min，挤干水分，用浓度为0.05mol/L的磷酸缓冲液配制成浓度为2％的纤维悬浮液；然后加入相对纤维组分绝干质量10％的国产固态内切葡聚糖酶进行水解，在恒温水浴振荡锅中保持温度50℃，振荡频率为120r/min，反应时间为60min。水解结束后放在沸水浴中煮沸灭活5min，然后经过蒸馏水充分洗涤，得到酶预处理后的纤维浆料；再将纤维浆料经过适当的机械搅拌，搅拌转速控制在6000r/min，搅拌时间5min，然后配制成质量分数为1％纤维悬浮液100mL，经过高压均质机的循环均质处理，控制高压均质机的操作压力在50MPa，循环次数为15次，制备出纤维素微纤丝乳状液；将得到的纤维素微纤丝乳状液在转速7000r/min下离心分离20min，取离心液经过纤维素超滤膜过滤，收集膜面截留的固体组分，得到麦草纤维素微纤丝。实施例5将麦草浆进行筛分，收集截留在100目筛网上的纤维组分，用水浸泡润胀18h后，经疏解机疏解10min，挤干水分，用浓度为0.05mol/L的磷酸缓冲液配制成浓度为4％的纤维悬浮液；然后加入相对纤维组分绝干质量15％的国产固态内切葡聚糖酶进行水解，在恒温水浴振荡锅中保持温度55℃，振荡频率为110r/min，反应时间为90min。水解结束后放在沸水浴中煮沸灭活5min，然后经过蒸馏水充分洗涤，得到酶预处理后的纤维浆料；再将纤维浆料经过适当的机械搅拌，搅拌转速控制在5000r/min，搅拌时间8min，然后配制成质量分数为1.5％纤维悬浮液100mL，经过高压均质机的循环均质处理，控制高压均质机的操作压力在100MPa，循环次数为25次，制备出纤维素微纤丝乳状液；将得到的纤维素微纤丝乳状液在转速6000r/min下离心分离25min，取离心液经过纤维素超滤膜过滤，收集膜面截留的固体组分，得到麦草纤维素微纤丝。实施例6将麦草浆进行筛分，收集截留在100目筛网上的纤维组分，用水浸泡润胀10h后，经疏解机疏解15min，挤干水分，用浓度为0.05mol/L的磷酸缓冲液配制成浓度为5％的纤维悬浮液；然后加入相对纤维组分绝干质量20％的国产固态内切葡聚糖酶进行水解，在恒温水浴振荡锅中保持温度60℃，振荡频率为90r/min，反应时间为30min。水解结束后放在沸水浴中煮沸灭活5min，然后经过蒸馏水充分洗涤，得到酶预处理后的纤维浆料；再将纤维浆料经过适当的机械搅拌，搅拌转速控制在10000r/min，搅拌时间12min，然后配制成质量分数为1.2％纤维悬浮液100mL，经过高压均质机的循环均质处理，控制高压均质机的操作压力在90MPa，循环次数为18次，制备出纤维素微纤丝乳状液；将得到的纤维素微纤丝乳状液在转速5000r/min下离心分离15min，取离心液经过纤维素超滤膜过滤，收集膜面截留的固体组分，得到麦草纤维素微纤丝。实施例7将麦草浆进行筛分，收集截留在100目筛网上的纤维组分，用水浸泡润胀15h后，经疏解机疏解20min，挤干水分，用浓度为0.05mol/L的磷酸缓冲液配制成浓度为1％的纤维悬浮液；然后加入相对纤维组分绝干质量8％的国产固态内切葡聚糖酶进行水解，在恒温水浴振荡锅中保持温度65℃，振荡频率为80r/min，反应时间为180min。水解结束后放在沸水浴中煮沸灭活5min，然后经过蒸馏水充分洗涤，得到酶预处理后的纤维浆料；再将纤维浆料经过适当的机械搅拌，搅拌转速控制在9000r/min，搅拌时间15min，然后配制成质量分数为0.8％纤维悬浮液100mL，经过高压均质机的循环均质处理，控制高压均质机的操作压力在60MPa，循环次数为20次，制备出纤维素微纤丝乳状液；将得到的纤维素微纤丝乳状液在转速4000r/min下离心分离10min，取离心液经过纤维素超滤膜过滤，收集膜面截留的固体组分，得到麦草纤维素微纤丝。本发明公开了一种酶预处理辅助制备麦草纤维素微纤丝的方法，是选取麦草浆为原料，筛出细杂组分后将得到的纤维组分经过水浸泡，然后加入相对纤维组分绝干质量0.5％～25％的纤维素酶进行水解，在45～65℃水浴振荡水浴锅中处理30～180min，得到酶预处理后的纤维浆料；适当搅拌剪切后经过高压均质机的机械解离作用，均质循环次数为10～30次，得到麦草纤维素微纤丝乳状液，经由纤维素超滤膜过滤收集得到乳白色凝胶状的麦草纤维素微纤丝产品。麦草纤维经过本发明方法后制备出了纤维素微纤丝，有利于扩大纤维原料来源，缓解直接焚烧麦草秸秆带来的资源浪费和环境污染，实现了对农作物废弃物的高值化再利用，而且可以降低机械解离能耗，减少环境污染，提高产品性能，具有良好的经济效益和环保效益。同时，本发明在高压均质化处理前对麦草纤维进行合适的预处理，克服现有技术存在的部分缺陷，有利于纤维素微纤丝制备技术的进一步优化和节能环保。当前第1页1 2 3