一种裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰纤维素纳米纤丝及其制备方法与在复合水凝胶中的应用

本发明属于纳米纤维素，具体涉及一种裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰纤维素纳米纤丝及其制备方法与在复合水凝胶中的应用。

背景技术：

1、纤维素是自然界中最为丰富的可再生的高分子化合物，广泛存在于棉花，木材和其他农副产品以及藻类和细菌纤维素中，是未来替代化石资源的主要生产材料。与其它工农业废弃物相比，广西特色生物质资源蔗渣的纤维细胞壁结构疏松，蔗渣含有较高的纤维素和较低的灰分，是制备纤维素纳米纤丝优质、低廉原料。纤维素具备来源广泛，可生物降解，成本低等优异特性，已被广泛应用于传统工业领域，如造纸业。但是随着生态资源的匮乏，如何高效地综合利用可再生纤维素，将其转化为高附加值产品，对人类的发展具有重大的意义。

2、纳米纤维素是指利用化学、物理或者生物方法处理纤维原料，制备具有至少一维为纳米尺寸(1～100nm)，长径比大于10的纤维材料。纳米纤维素不仅具有纤维素的基本性能，如：低密度，可再生性和生物降解性等，而且具有纳米颗粒的优异性能，如比表面积大，表面活性好，透明度高，亲水性好，也因具有生产成本低，环保性好、产率较高的优点而受到关注。纤维素以微细纤维的形式存在于纤维细胞中，一般微细纤维的大小不均一，大部分cnfs的制备和研究中，具有均一尺寸结构的原细纤维是最理想的产品，而纤维素具有强大的网络结构使其有望成为复合材料的增强剂。此外，机械法制备的纳米纤维素存在直径分布范围广、分散稳定性较差，且结构紧密极易缠绕的天然纤维在研磨过程中容易造成机器的堵塞、磨损。

3、通常，蔗渣纤维素生物质的加工需经过预处理，预处理可以破坏其致密的层级结构，提高纤维可及性，并且天然纤维素是半结晶的聚合物，包括有序排列的结晶区和无序排列的无定型区，根据缨状微束模型理论，每个纤维素分子链可以含有若干个不同的结晶区和无定型区。由于纤维原料和提取方法的不同，天然纤维素的结晶度通常为40％～70％。一般无定型区的结构比较疏松，所以，酶制剂和化学试剂的可及度较大。专利公开号：cn105369663a中首先对纤维素材料预处理，然后洗涤、压滤浓缩至6％以上浓度，用立式螺杆泵泵送高浓度的浆料至研磨粉碎机中，在一定的泵送压力和研磨工艺条件下，循环研磨纤维素材料数遍，即得到纳米纤维素。专利公开号：cn 107446055a在高压均质制备纳米纤维素过程中先将部分浆料加水稀释后再高压均质成纳米纤维素，然后将剩余浓浆料分多次加入到已均质好的纳米纤维素悬浮液中，每次都重新均质为纳米纤维素，获得高浓度纳米纤维素悬浮液。虽然能耗得以降低，但对设备操作要求较高，设备投入较大，且以较高浓度磨解处理容易造成纤维素纤维纳米化程度不均一，产品性能难以保证质量要求。当前，内切葡聚糖酶已被证明是一种绿色、温和的纤维素纳米纤丝规模化生产途径，但是其制备体系仍存在纤维素纳米纤丝解离效率低、结构均一性和分散稳定性差等瓶颈问题，限制了产品在前沿领域的高值化应用。因此，需要寻找制备工艺操作简便、条件温和、绿色环保、能耗低、尺寸结构可调，均一性高，分散稳定性好的纤维素纳米纤丝制备方法。

4、在众多预处理技术中，具有高度底物选择性和环境友好性的生物酶被认为是一种绿色制备纤维素纳米纤丝的关键技术。糖苷水解酶，通过打断糖苷键的方式作用于木质纤维素，使纤维结构发生由表及里的分丝帚化、横向切断和纵向撕裂，是制备纤维素纳米纤丝应用较为广泛的生物酶。裂解多糖单加氧酶是一种新型纤维素氧化降解酶，不仅能够有效调节纤维素纳米纤丝形态尺寸和还具有可调控纤维素表面官能团的巨大潜力。

5、裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰纤维素纳米纤丝具有以下优点：(1)裂解多糖单加氧酶对原纤维表面产生负电荷静电斥力作用能够极大地促进了纤维素定向解离出来。(2)由于有限的原纤维聚集和絮凝，得到的悬浮液尺寸结构均一和分散稳定性强。(3)与传统tempo氧化预处理相比，酶预处理具有高度选择性和环境友好型。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰纤维素纳米纤丝及其制备方法与在复合水凝胶中的应用，该材料尺寸结构可调控，直径分布范围窄，可作为聚乙烯醇复合水凝胶的增强剂。且该材料的反应条件温和、绿色无毒、机械耗能低，羧基含量不同，均一性强，分散稳定性好。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰纤维素纳米纤丝的方法，通过调节机械微纤化程度，利用裂解多糖单加氧酶处理工艺对微纤化纤维表面官能团进行调控，裂解多糖单加氧酶对原纤维表面产生负电荷静电斥力作用能够极大地促进了纤维素定向解离出来，尺寸结构可调控，均一性强，分散稳定性好。

4、所述酶后处理采用的酶为裂解多糖单加氧酶，纤维二糖氧化酶和ctec3酶中的一种。

5、所述酶后处理的条件为：ph＝7.0，温度为50℃～60℃，酶用量为100～300u/g，反应时间2～12h，纤维素纳米纤丝的质量浓度为1～2wt％。

6、一种如上所述的裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰纤维素纳米纤丝的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)预处理：将甘蔗渣漂白干浆板浸泡，遇水疏解，撕成片状，放4℃冰箱平衡水分；

8、(2)机械微纤化：将步骤(1)中经过预处理后的甘蔗渣漂白浆分散于去离子水中，配制成纤维悬浮液，进行了不同程度的超微粒研磨处理，即可制得微纳米纤维；

9、(3)后处理：将步骤(2)微纳米纤维用磷酸盐缓冲液(ph＝7)配置浓度为2％的纤维悬浮液，加入1～2mol/l抗坏血酸，通入氧气，并分别将裂解多糖单加氧酶，纤维二糖氧化酶，ctec3酶添加进去，50℃磁力搅拌2h。酶处理结束后，将浆料置于100℃水浴锅中30min，灭酶活。

10、(4)超声处理：将步骤(3)中经过酶处理的纤维素纳米纤维进行最后的超声破碎，功率800w，破碎时间0.5小时，得到纤维素纳米纤丝。

11、在本发明的步骤(3)中，纤维素纳米纤丝与裂解多糖单加氧酶发生反应的反应式为：

12、

13、作为技术方案的优选，步骤(3)中，所述酶包括：裂解多糖单加氧酶，加入量50mg/g甘蔗渣漂白浆干重；纤维二糖氧化酶，加入量100～300u/g甘蔗渣漂白浆干重；ctec3，加入量100～300u/g甘蔗渣漂白浆干重

14、作为技术方案的优选，步骤(2)中，所述抗坏血酸为1～2mm/l。

15、作为技术方案的优选，步骤(2)中，所述反应为在温度45～55℃、转速250～350rpm的机械搅拌下反应2～12h。

16、作为技术方案的优选，步骤(2)中，高温灭活温度在95～100℃，灭活的时间为20～30min。

17、作为技术方案的优选，步骤(3)中，所述超微粒研磨的磨盘间隙为100～250nm，循环次数为30～35次。

18、作为技术方案的优选，其特征在于，步骤(3)中，所述悬浮液的浓度为1～3wt％。

19、一种如上所述的裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰纤维素纳米纤丝为增强剂在复合水凝胶中的应用。

20、本发明的反应原理：

21、在本发明的纳米纤维素的制备过程中，调节机械微纤化程度以及利用lpmo酶处理工艺，lpmo酶主要作用于纤维素结晶区，将纤维素链c1位羟基氧化为醛糖酸或c4位羟基氧化为酮醛，进而破坏高度有序的纤维素结晶结构，而且可以在纤维素表面引入羧基，这有利于微细纤维素在酶处理过程产生静电排斥作用。利用lpmo酶处理工艺对微纳米纤维进行后处现可以有效调节纤维素表面官能团，控制纳米纤维素的尺寸，高效制备均一性高，分散稳定性强的纤维素纳米纤丝。

22、与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：

23、1、本发明通过裂解多糖单加氧酶协同处理在纤维素表面上引入羧基使得纤维间产生静电排斥作用，有效促进纤维素的定向解离。经过裂解多糖单加氧酶协同预处理的蔗渣纤维素能够轻易通过超微粒研磨得到凝胶状，并且制得的裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰纤维素纳米纤丝尺寸结构可调，羧基含量不同，分散稳定性好，均一性高，绿色无毒，可降解。

24、2、本发明采用酶处理是绿色和环境友好的过程，通过酶处理大幅度降低机械能耗，从而得到一个绿色、节能和高效的工业化生产高性能纳米纤维材料的途径。

25、3、本发明使用的酶是裂解多糖单加氧酶，纤维二糖氧化酶、ctec3酶中的一种。该裂解多糖单加氧酶具有绿色无毒，对环境友好，其主要作用纤维素结晶区，产生新的纤维素链末端以及醛糖酸等官能团，对纤维素表面官能团起到调控作用。

26、4、本发明的工艺反应条件温和、绿色环保、机械耗能低，利用裂解多糖单加氧酶协效解离和定向修饰的纤维素纳米纤丝绿色无毒、可降解、可再生，可作为复合水凝胶的增强剂，能潜在调节水凝胶的机械性能和药物缓释性能。