近日，山東大學微生物技術國家重點實驗室趙建教授團隊在木質纖維素基奈米纖維素的酶法制備方面取得了良好進展，相關研究論文“Microwave-associated ZnCl2 pretreatment followed by enzymatic hydrolysis for high-efficiency production of nanocellulose from Eucalyptus Dissolving Pulp”在期刊Chemical Engineering Journal上發表。
微生物技術國家重點實驗室碩士研究生李慧雯為論文第一作者，趙建教授和副研究員盧憲芹為共同通訊作者，山東大學微生物技術國家重點實驗室為第一完成單位和通訊作者單位。
纖維素是木質纖維素的主要組成部分，是地球上儲量最豐富的生物聚合物。纖維素的基本結構單元為葡萄糖，葡萄糖透過β-1,4-糖苷鍵連線為糖鏈，糖鏈平行排布組成原纖維（寬度約 2-5 nm），原纖維成束排布並被和半纖維素包裹形成微纖維（寬度約15-50 nm），進而構築成細胞壁結構。透過酶法、化學法或機械法破壞纖維素天然結構，可製備得到具有廣泛用途的奈米級纖維素（NC），是木質纖維素高值化利用的重要途徑之一。相對於化學法和機械法制備NC，酶法具有環境友好、操作條件溫和、選擇性高、能耗低等優點。但是，酶法制備NC的產量低，制約了該方法在工業上的應用。
針對這一問題，論文開發了一種微波輔助金屬鹽ZnCl2預處理協同酶水解制備NC的新工藝，即首先利用低濃度氯化鋅在微波輔助下預處理纖維素底物，隨後進行酶水解。在預處理過程中，ZnCl2可滲入纖維底物內部，與纖維素鏈上的C2和C6結合，減弱纖維素鏈間的氫鍵，破壞纖維素的結晶結構，膨脹纖維底物結構，然後再利用纖維素酶水解，可高效率製得NC。微波輔助可有效縮短金屬鹽預處理時間至1 min，再經過酶水解36 h，奈米纖維素的總產率可有單獨酶水解時的11.2 wt%提高至87.99 %。
論文還系統表徵了製備獲得的NC的形貌、穩定性、組分、表面官能團、結晶度、熱穩定性等特徵，發現製備的NC表面具有豐富的官能團（例如-COOH和遊離-OH），同時由於部分Zn2+保留在奈米纖維素結構內，賦予了納米纖維素導電的能力，由該NC製備的奈米發電機（TENG）具有高的輸出電壓（40 V）和輸出電流（-400 nA），顯示其在導電材料領域具有較好應用前景。
論文還進一步對預處理條件進行了最佳化，最終在成功高效得到奈米纖維素晶（CNC，寬度約5.03 nm）和纖維素奈米纖維（CNF，寬度約9.84 nm、長度達到微米級）兩類NC的同時，還實現了ZnCl2溶液的原位回收和重複利用，ZnCl2溶液經過五個迴圈的重複利用後製備的NC總產率仍大於90%。該研究為實現工業化規模的奈米纖維素法制備和應用提供了可行性。
圖1 製備得到的奈米纖維素的性質表徵
圖2 最佳化的預處理條件下製備的NC的形態和尺寸分佈
近年來，生物質資源轉化團隊在木質纖維素基奈米纖維素的酶法制備方面取得了良好進展，採用的纖維素原料從組成簡單的MCC（微晶纖維素）逐步過渡到商品溶解漿、商品硫酸鹽漿等原料，有效降低了奈米纖維素的原料成本，同時透過改造水解酶系降低了用酶成本。研究成果先後發表在Carbohydrate Polymers (2020, 234:115862；2023, 301: 120291)、Industrial Crops and Products（2020, 155:112755）、International Journal of Molecular Sciences（2023, 24：10676）、Bioresources and Bioprocessing (2023, 10: 42)等期刊，並獲得了國家發明專利（ZL 202010026664.0）。這篇論文是在這一方向上取得的又一進展。
研究得到了國家重點專案研發計劃、山東省自然科學基金、微生物技術國家重點實驗室揭榜掛帥專案等的支援。
來源：山東大學
