纤维素的生态友好分离桉树lenceolata:一种新颖的方法

摘要

本研究报告了纤维素的提取，采用环保的多步骤碱法处理和完全无氯漂白。这个多步骤的过程首先要去除果胶、角质、蜡和其他提取物桉树lenceolata草,其次是去除半纤维素和木质素使用碱性处理,最后通过一个两步进一步去木质素纤维素纸浆漂白过程中,首先使用过氧化氢/ tetraacetylethylenediamine (ta),然后使用醋酸和硝酸的混合物。的桉树lenceolata样本是从巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省马拉坎地区的山区采集的，并被磨成更小的颗粒。通过红外光谱(ATR-FTIR)对各步骤生成的纸浆进行表征，以检测其结构变化。通过傅里叶转移红外光谱(FTIR)、x射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)和扫描电镜(SEM)等分析技术对纯化后的纤维素进行了表征。分离得到的纤维素纯度高，结晶度高(73%)，热稳定性好。利用扫描电镜(SEM)对纤维素的表面形貌进行了研究，结果表明，化学处理后，纤维素表面无木质素和半纤维素的存在。结果表明，采用多步法提取纤维素是可行的。

1.介绍

纤维素的生物聚合物在宇宙中大量存在。纤维素组分含有d -葡萄糖的直链，由β-1,4-糖苷键采用高质量的1 × 10^3.在原生森林。d -无水吡喃葡萄糖实体在碳2、3和6的位置上提供羟基，可以进行伯醇和仲醇的经典反应[1］．纤维素的晶体结构是一个紧密排列的链，具有范德华相互作用和多种形式的分子内和分子间氢键。纤维素分子结构表现出降解性、亲水性、手性和广泛的化学不一致性。由于它的长链和更大的分子质量，纤维素不溶于水[2，3.].从一开始，它就主要用作纸张来源。此外，纤维素在不同领域有着广泛的用途。纤维素及其衍生物是当前研究工作的重点，因为对它的需求不断增长，并且对生物乙醇生产非常重要[4］．目前的研究工作旨在了解从木材中获得的纤维素的重要用途，特别是合成生物燃料，这将对我们的能源需求和我们对绿色环境的需求有很大的好处。纤维素纤维是植物细胞壁的主要成分，是生产乙醇的丰富来源[5]纤维素通常用作生物乙醇的来源。2008年，全球生物乙醇产量保持在410多亿升。世界主要生产国是巴西（37%）、美国（33%）和亚洲（14%）。巴西用甘蔗生产生物乙醇。2008年，巴西将其产量扩大到164多亿升，以促进该国近18%的机车石油需求的财政投资[6］．

近年来，从生物质中分离纤维素的研究越来越多，这在绿色化学中有很大的应用。文献表明，纤维素可以从不同的来源分离出来，包括小麦和甘蔗的秸秆、甘蔗渣、大麻和亚麻的秸秆、水稻秸秆、稻壳、大豆外壳、黄麻、香蕉茎和菠萝叶纤维，以及棕榈油残渣[7，8］．

纤维素衍生物有甲基纤维素、乙基纤维素、丙基纤维素等。主要目的是分离所有的生化物质并找出它们的应用。在医学方面，它可以通过消化道，但不能被人体肠道吸收。结肠会积聚大量的水，产生体积更大、更软的物质。纤维素也适用于医学，用于治疗不同的疾病，如痔疮、憩室病、腹泻和肠易激综合征。由于纤维素具有很强的吸水性，所以摄取足够量的纤维素可以防止脱水[9，10］．甲基纤维素在本质上是粘性的，用作润滑剂;它是果冻的主要成分。润滑形式的甲基纤维素用于干眼症治疗。泪腺和副结膜腺分泌的泪液较少，这就是使用泪液治疗的原因[11］．

它在建筑领域有许多应用。用于建筑材料的添加剂性能。通过向脱水砂浆混合物中添加纤维素，可提高其和易性、保水性、粘度和附着力。它也用于以水泥和石膏为基础的工业[12］．甲基纤维素用于绝缘抹灰、自流平地板、水泥板、瓷砖粘合剂、接缝和裂缝填充物以及瓷砖灌浆[13］．纤维素被用作胶水和粘合剂，用于固定艺术品的精致部分，也用于清除书本和墙纸上的旧胶水。甲基纤维素是专门用于培养细胞病毒学，以观察病毒相关复制。正常情况下，细胞是在溶解于同一营养物质的培养基中生长的。只有那些细胞生长在表面，只有一层。而且，细胞被感染的时间很短。由甲基纤维素制备的培养基与普通液体培养基交换后加入细胞。只有被感染的病毒才能在被感染的细胞中传播，而细胞的细胞膜彼此接触。靠近彼此的细胞被感染并死亡[14，15］．

乙基纤维素是纤维素的一种衍生形式，其中重复葡萄糖组分上的一些羟基变成了乙醚基。乙基的数量根据生产条件的不同而不同。它主要用作覆盖物质的薄膜。为了保存食物，乙基纤维素被用作乳化剂[16］．乙酸酯是从纤维素中提取的，通过对木浆的分析，提炼出纯化的蓬松的白色纤维素。它在摄影中被用作胶片基底，作为一些胶水的组成部分，以及作为眼镜的边框物质。它还被进一步用作一种人造纤维，并用于香烟和扑克牌的生产。表明了对低水平有机化学物质的选择性吸收和吸附性能。增塑剂的热和压力使它们能够简单地与纤维素的醋酸酯结合。一般可溶于丙酮等多种溶剂，并可进一步改进，使之溶于水等其他溶剂。它是亲水性的，具有良好的液体通道和优异的吸收。在纺织应用中，它提供舒适和透气性，但它的强度也会在潮湿时失效。醋酸纤维用于过敏性治疗。 It can simply be composted or incinerated. It can be dyed; however, unusual dyes and pigments are essential since acetate does not accept ordinary dyes used for rayon and cotton. Acetate fibers are resistant to mold and mildew. It is definitely destabilized by strong alkaline solutions and strong oxidizing agents [17］．

硝化纤维素膜是一种用于固定核酸的粘性膜。由于其对氨基酸的非特异性亲和力，它也被用于蛋白质的western blot和原子力显微镜的控制。硝基纤维素通常用于发生抗原-抗体结合的诊断试验，如妊娠试验和u -白蛋白试验。硝基漆也用作飞机涂料，涂在织物覆盖的飞机上，以收紧和保护材料[18］．

在造纸、纸板和纺织工业中，它被用来吸水或吸油。在毛细管电泳中，它作为缓冲添加剂克服电渗透流动以改进分离[19，20.］．在家庭应用中，它被用于制造太阳镜、衬衫、纽扣、连衣裙、衬里、家居用品、窗帘、婚礼和派对服装、牙膏、泻药、减压药、洗涤剂和水性涂料。它也适用于作为润滑剂的非挥发性滴眼液[10，21］．

桉树是一个多样的开花树属，是地球表面最高的开花植物之一。从1970年到1985年，种植桉树的动机是把它用作燃料。在澳大利亚发现了700多种桉树，但在印度尼西亚、菲律宾、美洲、欧洲、非洲、中东、中国和印度次大陆也有少量的桉树。此外，许多桉树可以种植在温带。在澳大利亚，约有92,000,000公顷的面积被桉树林所覆盖。在巴基斯坦，约有1万公顷的土地被覆盖[22］．

2.材料和方法

桉树lenceolata从巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省马拉坎地区的山区采集。正己烷（96%）和乙醇从沙罗购买。氢氧化钠、过氧化氢（99%）、乙二胺四乙酸、乙酸（99.8–100%）和硝酸（65%）从Sigma Aldrich购买。所有化学品均为高纯度，未经进一步纯化即可使用。

2.1.纤维素的提取

纤维素是一种含有微晶的线性聚合物，因此具有近晶形态。线状纤维素分子通过氢键横向连接在一起，形成线状束，形成晶体结构。在提取纤维素的过程中，在通过制浆处理各种化学物质的过程中，其结构发生了一些变化[23，24］．

2．1．1．索格利特仪器

用锤子将收集的样品研磨成更小的颗粒，并通过80目筛网。根据极性的增加，用不同的溶剂在索氏仪器中按顺序清洗获得的颗粒，例如，用正己烷处理3小时以去除低极性物质，然后用乙烷处理用去离子水处理3小时以去除极性物质，最后用去离子水处理以去除覆盖在木材颗粒表面的最极性可溶萃取物和蜡状物质。然后在800°C的烘箱中干燥颗粒。纤维素提取的整个过程如图所示1．

2．1．2．高压灭菌器

用5% (w/v)氢氧化钠(NaOH)水溶液处理无浸提的秸秆，以分离纤维和断开连接，采用预测大豆外壳的方法[25但适应了这里桉树lenceolata．在121°C和2 atm压力下，在1:100吸管与液比(g/ml)下，在高压釜(Stermax模型20 EHD)中处理秸秆悬浮液。反应时间为30 min。最后的纸浆过滤，用去离子水洗涤，直到pH为中性。

2.1.3.漂白-I

更多的极性物质和剩余的半纤维素和木质素通过基于前面描述的小麦秸秆漂白过程被去除[26］．用2% (v/v)的过氧化氢(H₂O₂)溶液和0.2% (w/v)乙二胺四乙酸酯(EDTA)溶液，pH = 12, 48℃，搅拌12 h，稻草液比(g/ml)为1:25。纸浆过滤后用去离子水洗涤至pH变为中性。这一步叫做漂白- i。

2.1.4。Bleaching-II

在漂白ii中，用80% (v/v) CH对原纤维素进行纯化_3.以1:1 . 33吸管液比(g/ml)和65% (v/v)的HNO为溶剂_3.在120°C的条件下，机械搅拌30分钟[10］．固体用乙醇和双蒸馏水过滤和洗涤，直到pH为中性。提取过程中每一步得到的样本如图所示2．

原油的各种名称桉树lenceolata表中列出了每一步提取过程中获得的稻草和纤维素样品1．

2．2.描述

采用扫描电子显微镜(SEM) (JSM 5910，日本JEOL)对纤维素进行表征。x射线衍射仪(Rigaku D/Max-II, Cu Tube, Japan)，

2.2.1。傅里叶转移红外光谱法

ATR-FTIR光谱采用64次扫描，分辨率为2 cm⁻¹在FTIR-8201 PC岛津傅里叶分光光度计中。利用ATR-FTIR对干燥的玉米秸秆、中间样品和纯化的纤维素进行分析，以明确纤维素提取的各个步骤的结构变化。光谱范围在800 ~ 2000 cm⁻¹．

2.2.2.热重分析（TGA）

在10°C的加热速率下进行TGA测量 闵⁻¹在N₂(50 ml敏⁻¹)，采用TA仪器TGA Q5000 IR模型。样品重量通常保持在7毫克。TGA微天平的精度为±0.1 lg。

2.2.3。x射线衍射测量

采用西门子D500衍射仪进行XRD实验。用CuK入射x射线在反射模式下扫描纤维素α波长为1.54 Å，步长为0.05°min⁻¹从2θ= 0–40°.

2.2.4。扫描电子显微镜

使用JSM-6060在20 kV下工作的JEOL®显微镜获得了提取纤维素的扫描电子显微图。将试样粘在铝根上，并喷金以消除电子充电效应。

3.结果和讨论

3.1.FTIR分析

FTIR分析用于鉴定原料和分离各阶段收集的纯纤维素表面的不同官能团[24］．

主要成分桉树lenceolata稻草有纤维素、半纤维素和木质素。这些成分通常表现出不同的含氧官能团，如文献报道的OH、C=O、C - O - C、C - O - (H) [26，27］．各组分的特征官能团和符合谱带见表2．

在光谱中，吸附在1316 cm处⁻¹与芳香环振动有关，这符合木质素在这些样品中的外观。吸附峰在1109 ~ 1161 cm之间⁻¹显示了C-O-C不对称桥拉伸的存在[23，28］．纯纤维素经漂白后，在1032-1055处出现了一个强带- ii，表明在A-4中存在一个C-O伸缩键。在1639厘米处光谱的上升⁻¹可以归结为H-O-H弯曲。它也存在于可销售的纤维素中。根据文献，该光谱的存在表明吸附水的弯曲模式。如文献所述，将所有样品完全烘干，进行傅氏红外光谱分析。要从纤维素中除去所有的水分是非常困难的，因为水与纤维素有很强的相互作用[29，30.]如图所示3.．

３.２．x射线衍射测量

XRD是测定样品结晶度的重要表征技术。x射线被用来收集有关样品性质的信息。当x射线束击中目标样品表面时，x射线发生散射。在散射中，在晶体样品中有建设性或破坏性干涉的可能性。用x射线衍射法研究了纤维素的结晶度。根据文献，西格尔方程是找到纤维素结晶度的最好方法，因为它给出了峰值高度，而且不需要任何背景[30.，31］．西格尔方程如下: 在哪里最高的峰是指非晶态和晶态材料，而表示介于200和110之间的无定形部分。

在我们的研究工作中，纤维素是从木材中制备的桉树lenceolata．最高峰为1006，最低点为269，如图所示4．结晶度为73%，接近文献报道的最高结晶度。

3．3.热重量分析

热重分析是一种分析方法，在这种分析方法中，样品的质量是温度或时间的函数，因为样品样品在受控的气氛中受到受控的温度程序的控制。

热重分析是分析有机化合物的一种有价值的方法。它是测定大分子（如纤维素）物理和化学性质的一种特别有用的方法。TGA图显示了质量损失随时间和温度的变化。我分析数据中的最高温度为600°C。图5显示了由木材制备的纤维素的TGA图桉树lenceolata表明样品在100°C下水分流失。木质素和半纤维素在35°C温度下失去。380℃下的TGA曲线显示了可溶有机萃取物的去除。热重分析的结果表明，根据文献调查的数据拟合得最好[32，33］．

3．4．扫描电子显微镜

扫描电子显微镜用于研究从纤维素中提取的纤维素的表面形态桉树lenceolata．不同放大倍数下的扫描电镜图像清楚地显示了果胶、木质素和半纤维素颗粒从表面的去除[34］．扫描电镜显示，表面有不同形状和尺寸的气孔，如图所示6．随着工艺的深入，从SEM图像中可以看出，由于漂白ii的化学处理，游离木质素和半纤维素的表面暴露更多。

4.结论

桉树lenceolata是一种低成本、可支持和可再生的纤维素来源，对现代社会日益增长的环境关注和能源需求至关重要。纤维素是用一种环保的方法从这种来源提取的，这意味着对环境没有有害影响。通过热重分析等不同的分析技术对提取的纤维素进行分析，并在不同的温度下对非纤维素材料进行降解。红外光谱测定了纤维素中不同官能团的脱除。通过x射线衍射可以观察到样品具有较高的结晶度。SEM分析显示了样品表面的形貌行为。从所有的表征结果来看，结果与文献调查最吻合。

数据可用性

所有支持结果的数据都显示在本文中，可以向通讯作者索取。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者对Shaheed Benazir Bhutto大学化学系，Sheringal, Upper Dir, Malakand大学化学系和白沙瓦大学中央资源实验室提供的研究设施表示感谢。

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