CN112411235B - 一种豆渣纳米纤维素的清洁高效尺寸可控制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种豆渣纳米纤维素的清洁高效尺寸可控制备工艺，豆渣过筛，筛分出20‑100目的豆渣粉；加入1%‑10%蛋白酶，处理得到纯豆渣；将氯化胆碱与草酸以摩尔比1：1‑1：3混合，加入木糖酸，直至悬浮液变成均相透明液，成为三元低共熔溶剂DES；按照固液比1:10‑1：40将豆渣加入DES，并加入催化剂，40‑100℃磁力搅拌加热处理20‑60min，得到豆渣纤维素溶液；微波处理1‑5min，加水直至纤维素全部反析出来，离心分离得到纯豆渣纤维素；将豆渣纤维素配置成质量分数为8%‑12%的悬浮液，可按照产品要求超声波处理，得到直径在10nm‑100nm之间的窄分子量、性能稳定的豆渣纳米纤维素产品。
Description
技术领域
本发明属于植物纤维高值化利用领域，具体涉及一种农业废弃物豆渣纳米纤维素的清洁高浓尺寸可控制备工艺。
背景技术
虽然国内外已经有诸多关于利用农业废弃物制备纳米纤维素的研究，但大多数是需要化学预处理及高能耗的机械处理等工艺，不仅工艺复杂，且生产成本过高，制备的纳米纤维素浓度在3%以下，限制了纳米纤维素的工业化进程。
而且目前生产的纳米纤维素尺寸分布不均一，其直径在10-100nm之间，很难得到窄直径分布的纳米纤维素产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、清洁、高效，尺寸可控的高浓度豆渣纳米纤维素的制备工艺，通过对豆渣蛋白质酶处理、甘露糖酶催化的DES处理、微波处理和超声波处理，得到性能稳定直径在10-100nm可控调节的10%左右高浓度纳米纤维素，有利于纳米纤维素的存贮、运输和应用，且从豆渣原料到制备出纳米纤维素得率高达28%，制备工艺简单高效、绿色环保。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
步骤一，豆渣预处理：
豆渣过筛，筛分出20-100目的豆渣粉；加入1%-10%（相对于绝干豆渣质量百分比）蛋白酶，再加入生物缓冲液控制pH值在6-8，在恒温30℃-60℃条件下油浴加热30-60 min，等到反应结束之后，在沸水中灭活5-15min，洗涤至中性得到纯豆渣；
步骤二，三元低共熔溶剂（DES）合成：
将称量好的氯化胆碱与草酸以摩尔比为1：1-1：3混合，油浴加热至40-100℃，磁力搅拌10-20min后，加入一定量的木糖酸继续搅拌10-20min，直至悬浮液变成均相透明液，成为三元低共熔溶剂（DES）（所合成三元低共熔溶剂具有更强的溶解纤维素的特性）；
步骤三，低共熔溶剂处理豆渣：
按照固液比1:10-1：40的含量将步骤一豆渣加入步骤二合成的三元低共熔溶剂（DES）中，并加入催化剂，控制反应温度为40-100℃、磁力搅拌加热处理20-60min后，得到的豆渣纤维素溶液；
步骤四：微波处理；
将步骤三得到的豆渣纤维素溶液，在微波中处理1-5min后，加水直至纤维素全部反析出来，离心分离后得到纯豆渣纤维素；
步骤五：超声波处理；
将步骤四中的豆渣纤维素配置而成质量分数为8%-12%的悬浮液，超声频率设定为5 -20KHz，处理时间为2-6 min，可按照所需产品要求，得到直径在10nm-100nm之间的窄分子量，性能稳定的豆渣纳米纤维素产品。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤一中生物缓冲剂为1,4-哌嗪二乙磺酸。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤二中所述草酸和木糖酸的摩尔比为 1:1.5。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤三中的催化剂为相对于绝干豆渣质量百分比0.05%-0.1%的甘露糖酶，酶活含量为300000-500000U/g。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤四中微波处理条件为毫米波30-300GHz，缓慢搅拌并加水反析时，控制加水速度为20-50ml/min。
在本发明的一个优选实施例中，所述的一种豆渣纳米纤维素的清洁高效形态可控制备工艺，其特征在于：所述步骤5中，控制进入超声处理的豆渣纤维素尺寸在1-20微米，且分子量分布尽量均一，并且最终得到的纳米纤维素尺寸比进入超声处理前的豆渣纤维素尺寸可缩小100-1000倍。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
豆渣通过本发明工艺后，可制得豆渣纳米纤维素，制备工艺绿色、环保、节能降耗，比传统的机械法生产，能耗降低50%，且可得到尺寸分布在10-100nm可控的，浓度为10%左右的豆渣纳米纤维素产品，且性能稳定，达到了纳米纤维素的质量要求。
本发明制备的豆渣纳米纤维素，不仅为豆渣制备纳米纤维素提供了更清洁、环保、节能的方法，得到了稳定的高浓度纳米纤维素产品，且达到了产品性能稳定，尺寸可控的技术要求。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，进一步阐述本发明。
一种豆渣纳米纤维素的清洁高效尺寸可控制备工艺，包括以下步骤：
步骤一，豆渣预处理，采用蛋白酶在特定缓冲剂作用下可有效除豆渣中95%以上的蛋白质，有利于后续DES处理时纤维素的溶解。
首先将豆渣过筛，筛分出20-100目的豆渣粉；加入相对于绝干豆渣质量百分比1%-10%的蛋白酶，再加入生物缓冲剂控制pH值在6-8，在恒温30℃-60℃条件下油浴加热30-60min，等到反应结束之后，在沸水中灭活5-15min，洗涤至中性得到纯豆渣；
步骤二，三元低共熔溶剂（DES）合成：
将称量好的氯化胆碱与草酸以摩尔比为1：1-1：3混合，油浴加热至40-100℃，磁力搅拌10-20min后，加入一定量的木糖酸继续搅拌10-20min，直至悬浮液变成均相透明液，成为三元低共熔溶剂（DES）（所合成三元低共熔溶剂具有更强的溶解纤维素的特性）；
步骤三，低共熔溶剂处理豆渣：
按照固液比1:10-1：40的含量将步骤一豆渣加入步骤二合成的三元低共熔溶剂（DES）中，并加入催化剂，控制反应温度为40-100℃、磁力搅拌加热处理10-40min后，得到的豆渣纤维素溶液；
为比较各类低共熔溶剂在处理豆渣组分时的实际效果，对氯化胆碱-甘油（ChCl-G）、氯化胆碱-尿素（ChCl-U）、氯化胆碱-草酸（ChCl-O）、氯化胆碱-柠檬酸（ChCl-C）、氨基磺酸-尿素（Sula-U）及本申请所述三元低共熔溶剂进行比较，各类低共熔溶剂处理豆渣组分的得率，处理后产品组分等如表1所示。
注：氯化胆碱-甘油（ChCl-G）、氯化胆碱-尿素（ChCl-U）、氯化胆碱-草酸（ChCl-O）、氯化胆碱-柠檬酸（ChCl-C）、氨基磺酸-尿素（Sula-U），得率=预处理后豆渣绝干质量/豆渣原料绝干质量，半纤维素含量=综纤维素-α-纤维素
结合表1结果可知，氯化胆碱-草酸-木糖酸三元低共熔溶剂对于豆渣中综纤维素的提取效率最高，且产品中蛋白质、脂肪、灰分等含量均为最低，氯化胆碱-草酸-木糖酸三元低共熔溶剂在提取豆渣中纤维素时具有显著优势。
步骤四：微波处理；
将步骤三得到的豆渣纤维素溶液，在微波中（30-300GHz），处理1-5min后，缓慢搅拌并加水反析，控制加水速度为20-50ml/min，加水直至纤维素全部反析出来，离心分离后得到纯豆渣纤维素，并且微波条件下有利于破坏纤维素的结晶区，有利于后续在高浓度下制备纳米纤维素；
步骤五：超声波处理；
将步骤四中的豆渣纤维素配置而成质量分数为8%-12%的悬浮液，超声频率设定为5 -20KHz，处理时间为2-6 min，可按照所需产品要求，得到直径在10nm-100nm之间的窄分子量，性能稳定的豆渣纳米纤维素产品。
进一步地，步骤一中的加入的生物缓冲剂为1,4-哌嗪二乙磺酸。
进一步地，步骤二中所述草酸和木糖酸的摩尔比为 1:1.5。
进一步地，步骤三中的催化剂为相对于绝干豆渣质量百分比0.05%-0.1%的甘露糖酶，加入的甘露糖酶活含量为300000-500000U/g。
进一步地，步骤5中，控制进入超声处理的豆渣纤维素尺寸在1-20微米，且分子量分布均一，并且最终得到的纳米纤维素尺寸比进入超声处理前的豆渣纤维素尺寸可缩小100-1000倍。
实施例1：
一种豆渣纳米纤维素的清洁高效尺寸可控制备工艺，包括以下步骤：
步骤一，豆渣过筛，筛分出30目的豆渣粉；加入相对于绝干豆渣质量百分比1%的蛋白酶，再加入生物缓冲剂控制pH值在6.5，在恒温35℃条件下油浴加热60 min，等到反应结束之后，在沸水中灭活6min，洗涤至中性得到纯豆渣；
加入的生物缓冲剂为1,4-哌嗪二乙磺酸。
步骤二，将称量好的氯化胆碱与草酸以摩尔比为1：1混合，油浴加热至45℃，磁力搅拌20min后，加入一定量的木糖酸继续搅拌10min，直至悬浮液变成均相透明液，成为三元低共熔溶剂（DES）（所合成三元低共熔溶剂具有更强的溶解纤维素的特性）；
草酸和木糖酸的摩尔比为 1:1.5。
步骤三，按照固液比1:15的含量将步骤一豆渣加入步骤二合成的三元低共熔溶剂（DES）中，并加入催化剂，控制反应温度为40℃、磁力搅拌加热处理90min后，得到的豆渣纤维素溶液；
催化剂为相对于绝干豆渣质量百分比0.05%的甘露糖酶，加入的甘露糖酶酶活含量为450000U/g。
步骤四：将步骤三得到的豆渣纤维素溶液，在微波中（100GHz），处理2min后，缓慢搅拌并加水反析，控制加水速度为30ml/min，加水直至纤维素全部反析出来，离心分离后得到纯豆渣纤维素，并且微波条件下有利于破坏纤维素的结晶区，有利于后续在高浓度下制备纳米纤维素；
步骤五：将步骤四中的豆渣纤维素配置而成质量分数为8%的悬浮液，超声频率设定为15KHz，处理时间为5 min，可按照所需产品要求，得到直径在10nm-30nm之间的窄分子量，性能稳定的豆渣纳米纤维素产品。
实施例2：
一种豆渣纳米纤维素的清洁高效尺寸可控制备工艺，包括以下步骤：
步骤一，豆渣过筛，筛分出60目的豆渣粉；加入相对于绝干豆渣质量百分比5%的蛋白酶，再加入生物缓冲剂控制pH值在7.0，在恒温50℃条件下油浴加热50 min，等到反应结束之后，在沸水中灭活4min，洗涤至中性得到纯豆渣；
加入的生物缓冲剂为1,4-哌嗪二乙磺酸。
步骤二，将称量好的氯化胆碱与草酸以摩尔比为1：1.5混合，油浴加热至80℃，磁力搅拌10min后，加入一定量的木糖酸继续搅拌15min，直至悬浮液变成均相透明液，成为三元低共熔溶剂（DES）；
草酸和木糖酸的摩尔比为 1:1.5。
步骤三，按照固液比1:30的含量将步骤一豆渣加入步骤二合成的三元低共熔溶剂（DES）中，并加入催化剂，控制反应温度为80℃、磁力搅拌加热处理12min后，得到的豆渣纤维素溶液；
催化剂为相对于绝干豆渣质量百分比0.07%的甘露糖酶，加入的甘露糖酶酶活含量为330000U/g。
步骤四：将步骤三得到的豆渣纤维素溶液，在微波中（150GHz），处理4min后，缓慢搅拌并加水反析，控制加水速度为40ml/min，加水直至纤维素全部反析出来，离心分离后得到纯豆渣纤维素，并且微波条件下有利于破坏纤维素的结晶区，有利于后续在高浓度下制备纳米纤维素；
步骤五：将步骤四中的豆渣纤维素配置而成质量分数为11%的悬浮液，超声频率设定为18KHz，处理时间为3min，可按照所需产品要求，得到直径在30nm-50nm之间的窄分子量，性能稳定的豆渣纳米纤维素产品。
实施例3：
一种豆渣纳米纤维素的清洁高效尺寸可控制备工艺，包括以下步骤：步骤一，首先将豆渣过筛，筛分出80目的豆渣粉；加入相对于绝干豆渣质量百分比8%的蛋白酶，再加入生物缓冲剂控制pH值在7.5，在恒温55℃条件下油浴加热35 min，等到反应结束之后，在沸水中灭活10min，洗涤至中性得到纯豆渣；
步骤二，将称量好的氯化胆碱与草酸以摩尔比为1：2混合，油浴加热至90℃，磁力搅拌20min后，加入一定量的木糖酸继续搅拌10min，直至悬浮液变成均相透明液，成为三元低共熔溶剂（DES）；
上述加入的草酸和木糖酸的摩尔比为 1:1.5。
步骤三，按照固液比1:20的含量将步骤一豆渣加入步骤二合成的三元低共熔溶剂（DES）中，并加入催化剂，控制反应温度为70℃、磁力搅拌加热处理40min后，得到的豆渣纤维素溶液；
催化剂为相对于绝干豆渣质量百分比0.08%的甘露糖酶，加入的甘露糖酶酶活含量为330000U/g。
步骤四：将步骤三得到的豆渣纤维素溶液，在微波中（200GHz），处理3min后，缓慢搅拌并加水反析，控制加水速度为40ml/min，加水直至纤维素全部反析出来，离心分离后得到纯豆渣纤维素，并且微波条件下有利于破坏纤维素的结晶区，有利于后续在高浓度下制备纳米纤维素；
步骤五：将步骤四中的豆渣纤维素配置而成质量分数为10%的悬浮液，超声频率设定为12KHz，处理时间为3min，可按照所需产品要求，得到直径在80-100nm之间的窄分子量，性能稳定的豆渣纳米纤维素产品。
利用农业废弃物豆渣制备纳米纤维素，不仅符合低碳经济发展要求，并对拓展纳米纤维素的研究也具有一定的现实意义。
根据豆渣特有的组分性能（纤维素含量高达70%左右），采用低共熔溶剂溶解纤维素，并采用微波和超声波处理直接制备出纳米纤维素，缩短了制备工艺，大大降低了生产能耗，且所用化学助剂均为绿色环保助剂，无环境污染。
因而开发由废弃物豆渣（豆渣是生产豆制品的副产物，目前主要用作饲料或肥料）作为原料研制纳米纤维素，并且达到了精准控制纳米纤维素尺寸，可实现豆渣纳米纤维素的工业化生产。
Claims (6)
1.一种豆渣纳米纤维素的清洁高效尺寸可控的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按固液比1：（10-40）将纯豆渣粉加入氯化胆碱-草酸-木糖酸三元低共熔溶剂中，加入催化剂，在40-100℃充分搅拌，得豆渣纤维素溶液；对前述豆渣纤维素溶液进行微波处理，加水使纤维素反析得豆渣纤维素；将前述豆渣纤维素配制成质量分数为8%-12%的悬浮液，5-20KHz超声波处理，得到尺寸可控的豆渣纳米纤维素；
所述氯化胆碱-草酸-木糖酸三元低共熔溶剂中氯化胆碱与草酸的摩尔比为1：（1-3），草酸与木糖酸的摩尔比为 1：1.5；
所述催化剂为相对于绝干豆渣质量的0.05%-0.1%的甘露糖酶，酶活含量为300000-500000U/g。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氯化胆碱-草酸-木糖酸三元低共熔溶剂由包括以下步骤的方法得到：将氯化胆碱与草酸混合后，在40-100℃搅拌10-20min，然后加入木糖酸，继续搅拌至悬浮液变成均相透明液，得三元低共熔溶剂。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，微波处理豆渣纤维素溶液时，采用30-300GHz的毫米波处理1-5min；处理完成后，按20-50ml/min加水并不断搅拌，至纤维素全部反析出来，离心分离后得到纯豆渣纤维素。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，超声波处理豆渣纤维素悬浮液时，采用5 -20KHz的超声波处理2-6 min，未处理的豆渣纤维素尺寸为1-20微米，处理得到的豆渣纤维素的尺寸为10-100纳米。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纯豆渣粉由包括如下步骤的方法得到：豆渣过筛筛分出20-100目的豆渣粉；加入相对于绝干豆渣质量的1%-10%的蛋白酶，再加入生物缓冲液控制pH值在6-8，在恒温30℃-60℃条件下油浴加热30-60min，等到反应结束之后，在沸水中灭活5-15min，洗涤至中性得到纯豆渣。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述生物缓冲剂为1,4-哌嗪二乙磺酸。
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