一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法与流程

1.本发明属于纤维素酶水解技术领域，具体为一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法。


背景技术：

2.纤维素是一种天然存在的碳水化合物聚合物，分子式为(c6h10o5)n，由成千上万个β(1
→
4)连接的d-葡萄糖糖元的线性链构成。这种多糖是最重要的天然高分子聚合物之一，因为它几乎取之不尽，可以成为工业化规模生产的关键可持续材料。近年来纤维素材料的纳米纤维受到广泛关注。纤维素纳米纤维(cnf)的宽度为1-100nm，其长度是宽度的一百倍。cnf具有高强度、大比表面积和优异的物理性能，因此纤维素纳米纤维被广泛应用于复合材料领域。此外纤维素作为植物细胞外壁的主要组成材料，无化学改性的分解纤维素可有效释放提取天然植物细胞内部活性因子利用于食品、中医药等行业。为了制备纳米纤维素纤维目前主流有物理制备法和化学制备法，其代表性的有京都大学矢野浩之教授的机械研磨法、九州大学近藤哲男教授的acc(水相对撞法)、东京大学磯贝明教授的tempo(四甲基六氢吡啶氧化物)氧化电离法等。为了分解微米级纤维素纤维，已知许多微生物会产生一组不同的纤维素酶。纤维二糖水解酶(cbh)是一组纤维素酶，可以水解晶体表面的糖苷键。里氏木霉cel7a(正式名称为cbh i)是被研究最多的纤维二糖水解酶之一，它包含由属于碳水化合物结合模块的纤维素结合域(cbd)和糖苷水解酶催化结构域(cd)组成的双结构域结构。
3.但是现有主流的纳米纤维素纤维的制取方法，物理法方面研磨机研磨利用高速旋转的两个摩擦面产生较大的横向剪切力，从而将预先搅碎预制的微米纤维素制取纳米纤维素纤维，该技术需要的研磨机两个摩擦面转速较高，机械作用力部件损耗较快且电能耗能较高(机械方式从植物纤维素制备微米纤维素或纳米纤维素通常需消耗20000—30000kwh/t，甚至曾有报告过高达70000kwh/t的能耗[中国纸业第34卷第6期，2013])在工业化实施层面成本较大，且因为摩擦面挤压作用制备的纳米纤维素提取率较低。化学法方面tempo氧化电离氧化阶段即对原有的天然高分子进行了化学改性，虽然纳米纤维素的提取率较高但在应用层面，因为毒理性质限制了其在食品、天然植物细胞壁裂解、生物、药品等行业的应用。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法。
[0005]
本发明采用的技术方案如下：一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，所述无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法包括以下步骤：
[0006]
s1：先进行纤维素结合域的制备，取木瓜蛋白酶和cbhi在50mm磷酸盐缓冲液中分别在进行催化反应；
[0007]
s2：将一部分活化的木瓜蛋白酶溶液倒入150ml的cbhi纤维素酶溶液中，加入纤维
素酶300～～600份、木瓜蛋白酶10～～20份，并将混合物在酶中进行催化反应；
[0008]
s3：步骤s2中得到的富含cbd、cm的酶促反应溶液混合液体和底物在0℃下冰浴反应1小时，然后通过3000rpm离心15分钟得到沉淀物，将沉淀物稀释至0.1％(wt)提供用于后续机械处理；
[0009]
s4：选用acc水相对撞法来将第一步处理后的原料进行机械力作用，从而以更低的能量高效的制备无化学修饰改性的天然纤维素纳米纤维。
[0010]
在一优选的实施方式中，所述步骤s1中，50mm磷酸盐缓冲液的ph值调整为6.5，在缓冲液中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟。
[0011]
在一优选的实施方式中，所述步骤s2中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟，木瓜蛋白酶溶液的浓度为lmg/ml，cbhi纤维素酶溶液的浓度为10mg/ml。
[0012]
在一优选的实施方式中，所述步骤s3中，底物为600mg原料纤维素、也可是天然植物微米级原料。
[0013]
在一优选的实施方式中，所述步骤s4中，60—144mg底物在acc处理中循环数40pass时得到的纳米纤维素纤维宽幅最窄，另一方面40pass循环之后纳米纤维素纤维的宽度随着cbd量的增加而迅速增加。
[0014]
在一优选的实施方式中，所述步骤s4中，也可以选用研磨机来处理底物从而获得无化学改性的天然纤维素纳米纤维。
[0015]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0016]
1、本发明中，首次将cbhi的cbd部分裂解纤维素的能效利用于制备纤维素纳米纤维环节，利用cbd的裂解作用可大大降低机械制备纳米纤维素纤维的能耗及复杂程度；量化了cbd裂解作用底物纤维素最佳的量、温度、时间、浓度等步骤节点。
[0017]
2、本发明中，将acc(水相对撞法)和本技术有机的整合成系统，以更低的能耗制备了仅acc物理方法从未达到宽幅的纳米纤维素纤维；与tempo化学法制备纳米纤维素纤维相比较，具有制备物无毒理性质，生物、食品等应用领域更加广泛等优点。与研磨机物理法制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗低、制取率高、制备的纳米纤维宽幅更低、精细化程度更高等优点。与acc(水相对撞法)制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗更低、制备的纳米纤维宽幅更低的优点。
附图说明
[0018]
图1为本发明的水相对撞系统示意图。
具体实施方式
[0019]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020]
参照图1，
[0021]
实施例一：
[0022]
一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，所述无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法包括以下步骤：
[0023]
s1：先进行纤维素结合域的制备，取木瓜蛋白酶和cbhi在50mm磷酸盐缓冲液中分别在进行催化反应；步骤s1中，50mm磷酸盐缓冲液的ph值调整为6.5，在缓冲液中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟；
[0024]
s2：将一部分活化的木瓜蛋白酶溶液倒入150ml的cbhi纤维素酶溶液中，加入纤维素酶300份、木瓜蛋白酶10份，并将混合物在酶中进行催化反应；步骤s2中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟，木瓜蛋白酶溶液的浓度为lmg/ml，cbhi纤维素酶溶液的浓度为10mg/ml；
[0025]
s3：步骤s2中得到的富含cbd、cm的酶促反应溶液混合液体和底物在0℃下冰浴反应1小时，然后通过3000rpm离心15分钟得到沉淀物，将沉淀物稀释至0.1％(wt)提供用于后续机械处理；步骤s3中，底物为600mg原料纤维素、也可是天然植物微米级原料；
[0026]
s4：选用acc水相对撞法来将第一步处理后的原料进行机械力作用，从而以更低的能量高效的制备无化学修饰改性的天然纤维素纳米纤维；步骤s4中，60—144mg底物在acc处理中循环数40pass时得到的纳米纤维素纤维宽幅最窄，另一方面40pass循环之后纳米纤维素纤维的宽度随着cbd量的增加而迅速增加；所述步骤s4中，也可以选用研磨机来处理底物从而获得无化学改性的天然纤维素纳米纤维；首次将cbhi的cbd部分裂解纤维素的能效利用于制备纤维素纳米纤维环节，利用cbd的裂解作用可大大降低机械制备纳米纤维素纤维的能耗及复杂程度；量化了cbd裂解作用底物纤维素最佳的量、温度、时间、浓度等步骤节点，将acc(水相对撞法)和本技术有机的整合成系统，以更低的能耗制备了仅acc物理方法从未达到宽幅的纳米纤维素纤维；与tempo化学法制备纳米纤维素纤维相比较，具有制备物无毒理性质，生物、食品等应用领域更加广泛等优点。与研磨机物理法制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗低、制取率高、制备的纳米纤维宽幅更低、精细化程度更高等优点。与acc(水相对撞法)制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗更低、制备的纳米纤维宽幅更低的优点。
[0027]
实施例二：
[0028]
一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，所述无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法包括以下步骤：
[0029]
s1：先进行纤维素结合域的制备，取木瓜蛋白酶和cbhi在50mm磷酸盐缓冲液中分别在进行催化反应；步骤s1中，50mm磷酸盐缓冲液的ph值调整为6.5，在缓冲液中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟；
[0030]
s2：将一部分活化的木瓜蛋白酶溶液倒入150ml的cbhi纤维素酶溶液中，加入纤维素酶600份、木瓜蛋白酶20份，并将混合物在酶中进行催化反应；步骤s2中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟，木瓜蛋白酶溶液的浓度为lmg/ml，cbhi纤维素酶溶液的浓度为10mg/ml；
[0031]
s3：步骤s2中得到的富含cbd、cm的酶促反应溶液混合液体和底物在0℃下冰浴反应1小时，然后通过3000rpm离心15分钟得到沉淀物，将沉淀物稀释至0.1％(wt)提供用于后续机械处理；步骤s3中，底物为600mg原料纤维素、也可是天然植物微米级原料；
[0032]
s4：选用acc水相对撞法来将第一步处理后的原料进行机械力作用，从而以更低的能量高效的制备无化学修饰改性的天然纤维素纳米纤维；步骤s4中，60—144mg底物在acc处理中循环数40pass时得到的纳米纤维素纤维宽幅最窄，另一方面40pass循环之后纳米纤
维素纤维的宽度随着cbd量的增加而迅速增加；所述步骤s4中，也可以选用研磨机来处理底物从而获得无化学改性的天然纤维素纳米纤维；首次将cbhi的cbd部分裂解纤维素的能效利用于制备纤维素纳米纤维环节，利用cbd的裂解作用可大大降低机械制备纳米纤维素纤维的能耗及复杂程度；量化了cbd裂解作用底物纤维素最佳的量、温度、时间、浓度等步骤节点，将acc(水相对撞法)和本技术有机的整合成系统，以更低的能耗制备了仅acc物理方法从未达到宽幅的纳米纤维素纤维；与tempo化学法制备纳米纤维素纤维相比较，具有制备物无毒理性质，生物、食品等应用领域更加广泛等优点。与研磨机物理法制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗低、制取率高、制备的纳米纤维宽幅更低、精细化程度更高等优点。与acc(水相对撞法)制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗更低、制备的纳米纤维宽幅更低的优点。
[0033]
实施例三：
[0034]
一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，所述无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法包括以下步骤：
[0035]
s1：先进行纤维素结合域的制备，取木瓜蛋白酶和cbhi在50mm磷酸盐缓冲液中分别在进行催化反应；步骤s1中，50mm磷酸盐缓冲液的ph值调整为6.5，在缓冲液中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟；
[0036]
s2：将一部分活化的木瓜蛋白酶溶液倒入150ml的cbhi纤维素酶溶液中，加入纤维素酶450份、木瓜蛋白酶15份，并将混合物在酶中进行催化反应；步骤s2中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟，木瓜蛋白酶溶液的浓度为lmg/ml，cbhi纤维素酶溶液的浓度为10mg/ml；
[0037]
s3：步骤s2中得到的富含cbd、cm的酶促反应溶液混合液体和底物在0℃下冰浴反应1小时，然后通过3000rpm离心15分钟得到沉淀物，将沉淀物稀释至0.1％(wt)提供用于后续机械处理；步骤s3中，底物为600mg原料纤维素、也可是天然植物微米级原料；
[0038]
s4：选用acc水相对撞法来将第一步处理后的原料进行机械力作用，从而以更低的能量高效的制备无化学修饰改性的天然纤维素纳米纤维；步骤s4中，60—144mg底物在acc处理中循环数40pass时得到的纳米纤维素纤维宽幅最窄，另一方面40pass循环之后纳米纤维素纤维的宽度随着cbd量的增加而迅速增加；所述步骤s4中，也可以选用研磨机来处理底物从而获得无化学改性的天然纤维素纳米纤维；首次将cbhi的cbd部分裂解纤维素的能效利用于制备纤维素纳米纤维环节，利用cbd的裂解作用可大大降低机械制备纳米纤维素纤维的能耗及复杂程度；量化了cbd裂解作用底物纤维素最佳的量、温度、时间、浓度等步骤节点，将acc(水相对撞法)和本技术有机的整合成系统，以更低的能耗制备了仅acc物理方法从未达到宽幅的纳米纤维素纤维；与tempo化学法制备纳米纤维素纤维相比较，具有制备物无毒理性质，生物、食品等应用领域更加广泛等优点。与研磨机物理法制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗低、制取率高、制备的纳米纤维宽幅更低、精细化程度更高等优点。与acc(水相对撞法)制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗更低、制备的纳米纤维宽幅更低的优点。
[0039]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0040]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，其特征在于：所述无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法包括以下步骤：s1：先进行纤维素结合域的制备，取木瓜蛋白酶和cbhi在50mm磷酸盐缓冲液中分别在进行催化反应；s2：将一部分活化的木瓜蛋白酶溶液倒入150ml的cbhi纤维素酶溶液中，加入纤维素酶300～～600份、木瓜蛋白酶10～～20份，并将混合物在酶中进行催化反应；s3：步骤s2中得到的富含cbd、cm的酶促反应溶液混合液体和底物在0℃下冰浴反应1小时，然后通过3000rpm离心15分钟得到沉淀物，将沉淀物稀释至0.1％(wt)提供用于后续机械处理；s4：选用acc水相对撞法来将第一步处理后的原料进行机械力作用，从而以更低的能量高效的制备无化学修饰改性的天然纤维素纳米纤维。2.如权利要求1所述的一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，其特征在于：所述步骤s1中，50mm磷酸盐缓冲液的ph值调整为6.5，在缓冲液中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟。3.如权利要求1所述的一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，其特征在于：所述步骤s2中，调整温度为37℃下，控制酶催化反应30分钟，木瓜蛋白酶溶液的浓度为lmg/ml，cbhi纤维素酶溶液的浓度为10mg/ml。4.如权利要求1所述的一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，其特征在于：所述步骤s3中，底物为600mg原料纤维素、也可是天然植物微米级原料。5.如权利要求1所述的一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，其特征在于：所述步骤s4中，60—144mg底物在acc处理中循环数40pass时得到的纳米纤维素纤维宽幅最窄，另一方面40pass循环之后纳米纤维素纤维的宽度随着cbd量的增加而迅速增加。6.如权利要求1所述的一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法，其特征在于：所述步骤s4中，也可以选用研磨机来处理底物从而获得无化学改性的天然纤维素纳米纤维。

技术总结
本发明公开了一种无化学改性天然纤维素的新型纳米化方法。本发明中，首次将CBHI的CBD部分裂解纤维素的能效利用于制备纤维素纳米纤维环节，利用CBD的裂解作用可大大降低机械制备纳米纤维素纤维的能耗及复杂程度；ACC(水相对撞法)和本技术有机的整合成系统，以更低的能耗制备了仅ACC物理方法从未达到宽幅的纳米纤维素纤维；与TEMPO化学法制备纳米纤维素纤维相比较，具有制备物无毒理性质，生物、食品等应用领域更加广泛等优点。与研磨机物理法制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗低、制取率高、制备的纳米纤维宽幅更低、精细化程度更高等优点。与ACC(水相对撞法)制备纳米纤维素纤维相比较，具有能耗更低、制备的纳米纤维宽幅更低的优点。更低的优点。更低的优点。


技术研发人员：杨兴
受保护的技术使用者：杨兴
技术研发日：2022.03.10
技术公布日：2022/5/25