一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法，利用机械研磨+酶后处理、酶预处理+机械研磨+酶后处理或复配酶预处理+机械研磨的方法低能耗制备得率高、尺寸更小更均一的纤维素纳米微纤丝。本发明专利技术的优点是(1)较大幅度地提高了纤维素纳米微纤丝的得率；(2)制得的纤维素纳米微纤丝具有更小的尺寸和更好的尺寸均一性；(3)同时大幅降低了机械研磨过程的能耗。从而实现工业化高效绿色无污染生产尺寸更均一的纳米纤维素。

A method of preparing cellulose nanofibers with high yield by enzyme-assisted mechanical grinding with low energy consumption

The invention discloses a method for preparing cellulose nanofibers with high yield by enzyme-assisted mechanical grinding with low energy consumption. Cellulose nanofibers with high yield and smaller size are prepared by mechanical grinding + enzyme post-treatment, enzyme pre-treatment + mechanical grinding + enzyme post-treatment or compound enzyme pre-treatment + mechanical grinding with low energy consumption. Silk. The advantages of the present invention are: (1) the yield of cellulose nanofibers is greatly improved; (2) the prepared cellulose nanofibers have smaller size and better size uniformity; (3) the energy consumption in the mechanical grinding process is greatly reduced. In order to achieve industrialized, efficient, green and pollution-free production of more uniform size of nanocellulose.

【技术实现步骤摘要】
一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法
本专利技术属于纳米纤维素制备
，具体涉及一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法。
技术介绍
纳米纤维素因具有生物可降解性、比表面积大、长径比高、密度小、强度高、热稳定性好、来源广泛等优异的性能，从而得到了广泛的应用，包括阻隔包装材料、聚合物复合材料、导电薄膜、电子基板等领域。机械法制备纳米纤维素，因其过程中不需要化学试剂，绿色无污染，且对纤维的尺寸控制性强，而被认为是最有潜力大规模生产纳米纤维素的方法。但是，当纤维尺寸较大时，机械研磨比较高效，尺寸下降比较明显；而当纤维尺寸逐渐变小时，经相同的时间段内的机械研磨，纤维尺寸降低的效果越来越小。此外，由于植物纤维有着多层细胞壁结构，分子间与分子内都存在着大量的氢键，在机械研磨过程中，能耗很大，故而一味地通过延长研磨时间来增加纤维素纳米微纤丝的得率是不可取的。为了解决这一问题，国内外许多学者也探索出了多种方案，如化学结合机械法、生物酶结合机械法等。其中，化学结合机械这一方法在制备过程中因为使用了一定的化学药品，不利于应用在生物医学及食品工业等领域，故而生物酶结合机械法因其绿色环保的性能而得到了广泛地关注。生物酶法的作用机理是利用生物酶水解纤维中的部分物质(如纤维素，半纤维素和木素)，降低纤维之间的结合力，从而促进纤维的微纤维化程度，故而生物酶法结合机械法协同处理纤维素，能降低制备纤维素纳米微纤丝的能耗。生物酶结合机械法的传统方式是在机械研磨前对纤维进行单种酶预处理，但如果酶的用量较低时，对降低能耗的作用较小，而增加酶的用量势必使得纤维水解更加严重。
技术实现思路
为克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供一种利用酶辅助机械研磨制备纤维素纳米微纤丝的方法，以降低机械研磨能耗，提高纤维素纳米微纤丝的得率，使制得的纤维素纳米微纤丝具有更小的尺寸和更好的尺寸均一性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法，经过机械研磨后，进行酶后处理。所述酶后处理采用的酶为内切葡聚糖酶、半纤维素酶和漆酶中的一种。所述酶后处理的条件为：pH＝5.0～7.0，温度为50～65℃，酶用量为20～60U/g，反应时间为8h，纤维素微纤丝悬浮液的质量浓度为0.05～0.1wt％。上述方法还包括在机械研磨之前，先进行酶预处理。所述酶预处理采用的酶为内切葡聚糖酶、半纤维素酶和漆酶中的一种或两种。所述酶预处理的条件为：pH＝5.0～7.5，温度为50～60℃，酶用量为30～70U/g，反应时间为100～120min，纤维素悬浮液的质量浓度为4～5wt％；所述酶为两种时，两种酶之间的用量比例是1:1～1.5。所述机械研磨的具体操作为：采用去离子水将纤维浆料稀释至浓度为1～2wt％的纤维悬浮液，然后室温常压下静置7～10h，再用标准浆料疏解器疏解20～40min，最后在超细研磨机上对疏解后的纤维悬浮液进行研磨，研磨时间1.5～2.5h，磨盘转速1000～2000rpm，磨盘间距﹣120～﹣100μm。一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法，经过复配酶预处理后，进行机械研磨。所述复配酶为内切葡聚糖酶、半纤维素酶和漆酶中的两种。所述复配酶预处理的条件为：pH＝5.0～6.5，温度为50～55℃，酶用量为30～70U/g，反应时间为100～120min，纤维素悬浮液质量浓度为4～5wt％；所述两种酶之间的用量比例是1：1～1.5。本专利技术利用机械研磨+酶后处理、酶预处理+机械研磨+酶后处理或复配酶预处理+机械研磨的方法低能耗制备高得率的纤维素纳米微纤丝。酶预处理是利用植物本身的纹孔结构，使得酶分子渗透到细胞壁内部，对纤维结晶结构进行破坏。而酶后处理除了纹孔结构外，机械研磨过程中破坏了植物纤维的多层细胞壁结构，引起纤维素形态和微细结构的改变，使得纤维素表面出现了微纤丝剥离以及分丝帚化的现象，导致纤维素的结晶区被破坏，使其结晶度下降，其结构中孔隙度和可及表面积增加，更加有利于发挥酶的“腐蚀”作用，此时再进行酶后处理，可促进酶与纤维素相互接触并反应，提高其可及度和反应性，从而有利于纤维长径比的均一。此外，在相同酶用量的条件下，酶预处理+机械研磨+酶后处理的制备方法，更能节省研磨过程中的能耗，纤维素纳米微纤丝得率更高，长径比更均一。而传统的在机械研磨前对纤维进行单种酶预处理，如果酶的用量较低时，对降低能耗的作用较小，而增加酶的用量势必使得纤维水解更加严重。本专利技术在预处理时使用复配酶，可使得酶与酶之间产生协同作用，增加更多的纤维素分子与酶分子的结合位点，加大酶与纤维素分子的结合机会，从而更加有利于促进酶水解，使得纤维素分丝帚化现象更明显，从而减少研磨时间降低研磨能耗。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用机械研磨+酶后处理、酶预处理+机械研磨+酶后处理或复配酶预处理+机械研磨的方法低能耗制备得率高、尺寸更小更均一的纤维素纳米微纤丝，与现有技术相比具有以下优点：(1)较大幅度地提高了纤维素纳米微纤丝的得率；(2)制得的纤维素纳米微纤丝具有更小的尺寸和更好的尺寸均一性；(3)大幅降低了机械研磨过程的能耗。具体实施方式以下结合实例进一步说明本专利技术，但不应理解为对本专利技术的限制。除非特殊说明，本专利技术所采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。除非特殊说明，以下实施例所用的试剂和材料均为市购。实施例1本专利技术的利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法，具体步骤如下：1)制备纤维浆料以漂白针叶木浆板为原料，称取浆板600g，然后将浆板撕至长1～6cm，宽1～6cm的大小后放于干净的桶中，用去离子水调节浓度为0.4wt％，常温常压下浸泡8h后，用标准浆料疏解器疏解直到浆料不絮聚，最后用去离子水洗涤3次，制得纤维浆料。2)机械研磨用去离子水将纤维浆料稀释至浓度为2wt％的纤维悬浮液，然后室温常压下静置7h，再用标准浆料疏解器疏解30min，最后在超细研磨机上对疏解后的纤维悬浮液进行研磨，研磨时间2.5h，磨盘转速1500rpm，磨盘间距﹣100μm，得到纤维素微纤丝。3)酶后处理取绝干量为1g的纤维素微纤丝悬浮液置于锥形瓶中，再分别量取61.0mL浓度为0.2mol/L的Na2HPO4·12H2O溶液和39.0mL浓度为0.3mol/L的NaH2PO4·2H2O溶液混合均匀后作为缓冲溶液加入到盛有纤维素微纤丝的锥形瓶中，调节pH＝7.0后用蒸馏水稀释纤维素微纤丝悬浮液浓度至0.1wt％，然后将锥形瓶在50℃条件下恒温水浴并磁力搅拌，磁力搅拌10min后，均匀加入60U/(g绝干纤维素微纤丝)的内切葡聚糖酶反应8h，并继续搅拌，反应结束后放入100℃沸水中灭酶活15min。采用上述方法，研磨2.5h制得的纤维素微纤丝经内切葡聚糖酶处理后直径由80～130nm减小到50～70nm，得到的纤维素纳米微纤丝的尺寸更小和更均一；并且相同能耗时，纤维素纳米微纤丝的得率增加了30％。实施例2本专利技术的利用酶辅助机械研磨制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法，具体步骤如下：1)制备纤维浆料以漂白针叶木浆板为原料，称取浆板600g，然后将浆板撕至长1～6cm，宽1～6c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法，其特征在于，经过机械研磨后，进行酶后处理。

【技术特征摘要】
1.一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法，其特征在于，经过机械研磨后，进行酶后处理。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酶后处理采用的酶为内切葡聚糖酶、半纤维素酶和漆酶中的一种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酶后处理的条件为：pH＝5.0～7.0，温度为50～65℃，酶用量为20～60U/g，反应时间为8h，纤维素微纤丝悬浮液的质量浓度为0.05～0.1wt％。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在机械研磨之前，先进行酶预处理。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述酶预处理采用的酶为内切葡聚糖酶、半纤维素酶和漆酶中的一种或两种。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述酶预处理的条件为：pH＝5.0～7.5，温度为50～60℃，酶用量为30～70U/g，反应时间为100～120min，纤维素悬浮液的质量浓度为4～5wt％；所述酶为两种时，两种...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋雪萍，张彩红，吴敏，徐荧，杨爽，何辉，聂双喜，王双飞，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45