微晶纤维素复合酶解制备球形纳米纤维素

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纳米纤维素由于其独特的物理化学性能而被研究和应用。目前,国内外主要采用酸水解、氧化-机械均质方法来制备纤维素纳米晶体(Cellulose Nanocrystals,CNCs)和纤维素纳米纤丝(Cellulose Nanofiber,CNF),这些方法存在污染大或耗能高等缺点。酶解法制备纳米纤维素,因其绿色环保、专一性高与反应条件温和等优势,受到越来越多的关注。球形CNCs作为纳米纤维素的一种,具有更大的比表面积、更高的表面活性,在稳定剂、药物输送、透明薄膜、光学电子器材等方面有非常大的优势。本文采用复合酶解微晶纤维素(Microcrystalline Cellulose,MCC)制备CNCs,通过p H值调节体系稳定性,结合离心分离实现目标产物的分离和提纯,利用SEM、TEM、XRD、红外分析、热重分析、马尔文激光粒度仪、Zeta电位分析仪等对球形CNCs的尺寸、微观形貌、化学结构、稳定性等性能进行了表征与分析。研究了复合酶种类、复合酶配比、预处理方法、温度、酶浓度和反应时间等因素对MCC酶解过程的影响。主要结果和结论如下:(1)采用总酶活为200μ/m L的复合酶对MCC水解6 h,然后将酶解液p H调为9,在3000 rpm的分离转速所得直径约为40 nm的球形CNCs,1000 rpm的转速可以得到长度约为670 nm的棒状CNCs。酸洗(p H=4)可以有效去除还原糖和酶蛋白等小分子杂质。(2)木聚糖酶可以有效提高纤维素酶对MCC的酶解效率。纤维素酶和木聚糖酶复合使用时,最优酶配比为8:2。此时球形CNCs的得率最高为2.56%,还原糖释放量为3.1%,两者比值为1.21。马尔文粒度检测显示,β-葡聚糖酶和木聚糖酶复合酶解所得CNCs颗粒的尺寸约为78.5 nm,大于纤维素酶与木聚糖酶复合酶解所得CNCs颗粒的40 nm。(3)超声预处理会使纤维素表面产生裂纹,增加纤维素与酶蛋白的接触位点。复合酶最适反应温度为50℃。在酶浓度为300μ/m L、反应时间为5 h时,CNCs的综合产率最高为12.37%,其中棒状CNCs的产率最高为10.43%;当酶浓度为400μ/m L,反应时间为5 h时球形CNCs的得率最高为2.72%。
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