一种基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法

本发明涉及一种基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，属于纳米纤维素制备。

背景技术：

1、天然纤维素是地球上含量最丰富的天然有机高分子化合物，在自然界中广泛分布，全球每年由植物光合作用产生的纤维素以数百亿吨计，是一种珍贵的天然可再生资源。随着全球各国对可持续发展和环境保护的日益重视，利用天然可再生资源开发生物降解材料越来越受国内外研究人员和生产企业的重视。

2、纳米纤维素是指某一维尺寸在1-100纳米的高分子纳米材料。它既具有纳米材料的纳米尺寸效应，又有纤维素独特的生物特性，具备质轻、高比表面积、高强度、高模量、低热膨胀系数、可生物降解、可生物相容、可物理、化学改性等诸多优异的性能。因此，纳米纤维素在食品添加剂、复合材料增强相、医药材料、包装材料和光电子材料等方面具有很好的应用价值。

3、目前，纳米纤维素的制备方法主要有化学法、机械法、生物法。机械法需要用到高压设备或高速研磨设备等特殊设备，能耗高，耗时长。生物法是通过自下而上的方式由细菌合成，耗时长，产率低，需要严格控制反应条件。传统的化学制备方法主要有酸水解法和tempo氧化法，酸水解法主要是利用硫酸、盐酸、磷酸等无机酸，氢离子进入纤维素内部，使β-1,4-糖苷键断裂，其对设备腐蚀大，回收利用反应残余物困难，对环境危害严重。tempo氧化法在制备过程中需用到含卤素的化合物，对环境产生不利影响。比如专利cn104047198a公开了一种制备纳米纤维素的方法，其包括如下步骤：提供植物纤维浆料；对植物纤维浆料进行疏解使植物纤维分离成单根的纤维；对疏解后的植物纤维浆料进行预解纤处理，预解纤的同时加入tempo催化氧化体系对纤维进行氧化；当植物纤维浆料游离度达到150-450ml时，分离氧化后的纤维和废水；对氧化后的纤维再次进行解纤处理至游离度达到50ml及以下得到解纤后的氧化纤维；对解纤后的氧化纤维进行纳米化处理，得到纳米纤维素溶液。该方法用到tempo催化氧化体系，对环境有不良影响。纤维素酶是微生物产生的一种胞外酶，由c1酶、cx酶和葡萄糖苷酶组成。在纤维素酶的作用下，纤维素的无定形区水解，结晶区由于结构紧密得以保留，从而产生纳米纤维素，但随着纤维素水解产物的增加，酶的水解受到抑制，不利于纳米纤维素的制备。此外，木素和半纤维素等杂质紧紧包裹在天然纤维素的表面，形成了一道天然的屏障，不利于化学药剂进入纤维素的内部反应。因此，有必要开发一种低碳环保、简单有效的方法来获取纳米纤维素。

技术实现思路

1、针对现有纳米纤维素制备技术领域的不足，本发明的目的是提供一种基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法。以竹浆纤维为原料，纤维素酶水解处理和过硫酸盐氧化处理相结合的方式制备纳米纤维素。该方法绿色低碳、成本低、操作简便，且制备的纳米纤维素分散和再分散性良好，稳定性好。

2、为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)竹浆粉碎：将竹浆纤维原料剪成小条，然后使用粉碎机将竹浆纤维原料粉碎后过筛，留下过筛后的竹浆纤维原料备用；

5、(2)纤维素酶水解处理：称取步骤(1)所得的过筛后的竹浆纤维原料加入水中，搅拌均匀，再向所得的纤维素悬浮液中加入纤维素酶，搅拌均匀，搅拌反应，反应结束后进行过滤处理，再用清水对滤饼洗涤；

6、(3)过硫酸盐氧化处理：将步骤(2)所得的滤饼加入过硫酸盐溶液中，搅拌反应，反应结束后，将所得的纤维素悬浮液超声处理，获得纳米纤维素悬浮液；

7、(4)离心分离：将步骤(3)所得的纳米纤维素悬浮液高速离心分离，除去上清液，然后用清洗液洗涤沉淀物；

8、(5)烘箱干燥：将步骤(4)洗涤后的沉淀物放入烘箱，干燥后研磨即可获得纳米纤维素粉末。

9、进一步地，步骤(1)中，将竹浆纤维原料粉碎后过100-120目筛。

10、进一步地，步骤(2)中，所述纤维素酶为木霉属纤维素酶或青霉属纤维素酶中的一种。

11、进一步地，步骤(2)中，加入纤维素酶水解处理时的反应液ph控制在4-8。

12、进一步地，步骤(2)中，按照重量份数计，过筛后的竹浆纤维原料：水：纤维素酶＝1份：40-60份：0.01-0.1份。

13、进一步地，步骤(2)中，所述搅拌反应的温度为40-55℃，搅拌反应的时间为2-6h。

14、进一步地，步骤(3)中，所述过硫酸盐溶液为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾溶液中的一种。

15、进一步地，步骤(3)中，所述过硫酸盐溶液的浓度为1.2-1.5mol/l。

16、进一步地，步骤(3)中，按照重量份数计，滤饼：过硫酸盐溶液＝1份：50-200份。

17、进一步地，步骤(3)中，所述搅拌反应的温度为50-70℃，搅拌反应的时间为2-8h。

18、进一步地，步骤(3)中，所述超声处理的时间为15-30min。

19、进一步地，步骤(4)中，所述离心的转速为9000-12000r/min，离心时间为15-30min。

20、进一步地，步骤(5)中，所述干燥的温度为40-60℃，干燥的时间为24-48h。

21、本发明提供一种纳米纤维素的制备方法，先使用纤维素酶水解纤维素的部分无定形区，提高纤维素的可及度，有利于过硫酸盐与纤维素的反应部位结合进一步降解纤维素的无定形区，从而获得纳米纤维素。本发明方案采用纤维素酶将碳水化合物降解，该方法克服了酸水解对纤维素的损伤的问题。

22、本发明的有益效果是：与现有的利用无机酸(硫酸、盐酸等)制备纳米纤维素相比，本发明采用纤维素酶水解和过硫酸盐相结合的方式以竹浆为原料制备纳米纤维素，纤维素酶能将纤维素分子链的无定形区水解，提高纤维素的可及度，且其产物为还原糖，可以用于其他工业原料的制备。竹浆纤维原料经纤维素酶水解后，使得过硫酸盐更容易浸入纤维内部到达反应部位，从而加快反应的进行。本发明方法不仅避免了酸的大量使用，且所用的纤维素酶和过硫酸盐均属绿色试剂，对环境影响较小，是一种绿色环保的制备方式。

技术特征：

1.一种基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将竹浆纤维原料粉碎后过100-120目筛。

3.根据权利要求1所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纤维素酶为木霉属纤维素酶或青霉属纤维素酶中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，加入纤维素酶水解处理时的反应液ph控制在4-8。

5.根据权利要求1所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，按照重量份数计，过筛后的竹浆纤维原料：水：纤维素酶＝1份：40-60份：0.01-0.1份。

6.根据权利要求1所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述搅拌反应的温度为40-55℃，搅拌反应的时间为2-6h。

7.根据权利要求1所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述过硫酸盐溶液为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾溶液中的一种；过硫酸盐溶液的浓度为1.2-1.5mol/l。

8.根据权利要求1所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，按照重量份数计，滤饼：过硫酸盐溶液＝1份：50-200份。

9.根据权利要求1所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述离心的转速为9000-12000r/min，离心时间为15-30min。

10.根据权利要求1-9任一项所述的基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述干燥的温度为40-60℃，干燥的时间为24-48h。

技术总结本发明公开了一种基于纤维素酶水解的竹浆纳米纤维素的制备方法。本发明采用纤维素酶水解和过硫酸盐相结合的方式以竹浆为原料制备纳米纤维素，纤维素酶能将纤维素分子链的无定形区水解，提高纤维素的可及度，且其产物为还原糖，可以用于其他工业原料的制备。竹浆纤维原料经纤维素酶水解后，使得过硫酸盐更容易浸入纤维内部到达反应部位，从而加快反应的进行。本发明方法不仅避免了酸的大量使用，且所用的纤维素酶和过流酸盐均属绿色试剂，对环境影响较小，是一种绿色环保的制备方式。技术研发人员：马邕文,付皓,詹炜亮,黄泽波,蒋忠军受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13