通过谷氨酸/柠檬酸双酶水解（DES）实现纳米纤维素的表面功能化，控制摩尔比：从羧基化吸附剂到氨基化生物纳米材料

《Journal of Molecular Liquids》：Molar ratio-controlled surface functionalization of nanocellulose via glutamic/citric acid DES: From Carboxylated adsorbents to Aminated bio-nanomaterials

　　艾哈迈德·阿卜杜勒-哈基姆（Ahmed Abdel-Hakim）| 内门·穆罕默德·巴赫格（Nermen Mohamed Baheg）| 阿卜杜勒-阿齐兹·阿拉法·埃尔-瓦基尔（Abd El-Aziz Arafa El-Wakil）| 穆罕默德·梅克维（Mohamed Mekewi）| 萨桑·哈利姆（Sawsan Halim）

材料测试与表面化学分析实验室，埃及吉萨国家标准研究所（National Institute of Standards, Giza 12211）

摘要：本研究介绍了一种基于摩尔比控制的策略，使用谷氨酸/柠檬酸深度共晶溶剂（DESs）对从橙皮废弃物中提取的纳米纤维素进行功能化处理。这种基于生物的DES系统消除了传统胆碱基DESs通常产生的有害氯副产物的风险。重要的是，详细的质子核磁共振（1H NMR）和衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析首次提供了DES形成机制的理解，揭示了溶剂在应用于纤维素之前的化学结构变化。这一全面的表征揭示了两个关键转化过程：谷氨酸部分环化为焦谷氨酸，以及柠檬酸形成反应性中间体，包括3-羟基戊二酸和柠檬酸酐。此外，ATR-FTIR和X射线光电子能谱（XPS）证实了功能化机制依赖于摩尔比。具体而言，当谷氨酸含量超过2:1的比例时，氨基和酰胺基团能够成功结合到纤维素表面。由此产生的纤维素纳米纤维（CNFs）形成了直径为13.7–20.9纳米的网络结构，并获得了65.8%的高产率。所得纳米纤维素具有最高的羧基含量（2.40 mmol/g），作为吸附剂表现出优异的性能，在最佳条件下（pH 12，吸附剂剂量0.05 g）能够有效去除亚甲蓝染料，最大吸附容量达到18.49 mg/g。因此，这些发现表明DES的摩尔比是定制纳米纤维素功能性的关键参数，可以从单一可持续来源有针对性地生产富含羧基的吸附剂或氨基功能化结构。

引言：对化石资源基材料需求的增长导致了多个问题，包括资源逐渐枯竭、温室气体排放、气候变化以及价格上涨[1]。作为一种可持续的替代品，纤维素废弃物——一种丰富、低成本且可再生的植物残渣原料——提供了一个有前景的解决方案。纳米纤维素被认为是从纤维素废弃物中提取的最有用的成分[2]。本研究选择橙皮作为纤维素来源，因为它是农业废弃物中含量丰富的材料，尤其是在埃及，橙子产量很大。橙皮约占橙子重量的四分之一。橙汁加工会产生大量的橙皮废弃物，如果这些废弃物没有得到适当处理或处置，可能会导致严重的环境污染[3]。此外，与其他木质纤维素废弃物相比，橙皮的木质素含量相对较低[4]。这一特性有助于简化脱木质素过程，从而减少了对强烈化学处理的需求。将这种经济型生物质转化为纳米纤维素可以生产出用于高级应用的高价值生物纳米材料。作为纳米材料，纳米纤维素具有高强度和较大的比表面积。由于其可生物降解性、环保性和低成本，它也是一种可持续的选择[5]。纳米纤维素上的众多羟基使其能够进行各种表面改性，使其在医疗、包装、建筑、传感行业以及电子领域都有应用潜力[6]、[7]、[8]。然而，传统的纤维素纳米纤维（CNFs）或纳米晶体（CNCs）的生产方法涉及能耗高的机械纺丝或有毒的化学预处理[9]。通过使用低成本、无毒、环保且可重复使用的化学试剂（如高浓度羧酸、氧化剂TEMPO、离子液体和DESs）[7]、[10]，可以实现绿色化学预处理的发展。科学界认为，在各种处理中使用DESs完全符合Anastas和Warner提出的十二项绿色化学原则[11]。DESs是一类现代的环保复合溶剂[12]，其特点是具有可调的物理化学性质、高生物降解性、低挥发性和低易燃性。这些特性使它们成为传统挥发性有机溶剂的优秀替代品[13]。DESs由容易获得、成本效益高且毒性低的成分组成[14]。天然深度共晶溶剂（NADESs）特别来源于环保的天然成分，例如本研究中使用的柠檬酸和谷氨酸。因此，它们是生物医学和环境应用的理想溶剂选择[13]。这些物质由两种或更多种成分组成，既可作为氢键受体（HBAs），也可作为氢键供体（HBDs）。季铵盐、膦盐和氨基酸常被用作HBAs，而HBDs通常包括羧酸、醇、酰胺和碳水化合物[15]。最常用的纤维素纳米纤维纺丝DESs包括以氯化胆碱（ChCl）作为HBA与羧酸作为HBDs的组合[7]。尽管ChCl具有低毒性、高生物降解性和广泛可用性，但其工业生产目前依赖于不可再生的化石资源[16]。这种依赖性限制了基于胆碱的DESs的大规模应用[17]。此外，一些研究表明，ChCl基DESs在合成或使用过程中可能会形成有害副产物，包括潜在的有毒氯化化合物[18]。例如，Yang等人制备了一种2:1摩尔比的乙二醇（HBD）和ChCl（HBA）DES，发现DES在室温下的部分分解会产生有毒副产物，如氯甲烷和二甲氨基乙醇[19]。另一方面，某些氢键供体成分在DES形成过程中可能会发生副反应，包括热降解、脱羧和缩合反应[20]、[21]、[22]。Marchel等人[23]研究了三种以氯化胆碱（ChCl）为基础的DESs的热稳定性，使用尿素、葡萄糖和马来酸作为HBDs。他们的发现表明，由于马来酸分解为乙酸和二氧化碳，ChCl–马来酸DES的热稳定性较差。Jung等人[24]对ChCl-尿素DES进行了毒代代谢组学分析，体内研究表明溶剂的毒性是由尿素的热分解产生的氨引起的。因此，即使由单独安全的成分组成，也不能假设DESs是完全无毒、纯净或安全的混合物——除非进行彻底的表征。

关键的是，深度共晶溶剂的可调性源于它们的非理想行为，这使得它们能够在广泛的摩尔比范围内有效形成共晶混合物。这一特性为设计定制的深度共晶溶剂系统提供了平台，以满足特定的功能化和反应要求[25]。DESs在纳米纤维素生产中的应用面临几个关键挑战。首先，氢键受体（HBAs）的范围仍然有限，主要使用传统的氯化胆碱（ChCl）。其次，对DES合成机制的理解明显不足；组分相互作用和副产物形成的化学途径尚未明确阐明。最重要的是，DES摩尔比在控制溶剂化学结构及其与纤维素后续反应机制中的基本作用被大大忽视了。为了解决这些问题，我们设计了以谷氨酸（作为HBA）和柠檬酸（作为HBD）在不同摩尔比下的DESs。这两种成分都是无毒的、可生物降解的，并且来源于可再生的糖类原料。

从木质纤维素生物质生产纳米纤维素通常需要两个主要阶段：纤维素分离[26]，然后是纳米纤维化。在本研究中，我们全程使用了环保试剂：最初使用温和的NaHCO?和H?O?[27]、[28]、[29]进行分离，随后结合DES处理（高速搅拌和超声波处理）以实现表面功能化和纳米纤维化。深度共晶溶剂（DESs）破坏了纤维素链的氢键网络，导致膨胀，从而促进纳米纤维化。这种策略减少了毒性并消除了高性能纳米纤维素生产中的有害氯副产物。我们假设DES中谷氨酸与柠檬酸的摩尔比是影响纤维素纳米纤维化机制的关键设计参数。本研究展示了DES组成、其变化的化学结构与最终CNF功能之间的直接联系。这种创新方法允许我们通过调整摩尔比来选择性地控制反应路径，从而从橙皮废弃物中生产出羧基化或氨基功能化的纳米纤维素。DES的形成通过1H NMR和ATR-FTIR进行了表征，而溶剂的纳米纤维化效果和机制则通过ATR-FTIR、XPS、XRD和TEM进行了评估。

表面化学改性使得获得的CNFs能够适应多种应用，特别是在环境修复中去除带电污染物方面。亚甲蓝（MB）由于其化学稳定性和良好的吸附行为，常被用作模型阳离子污染物。吸附机制受多种因素影响，包括环境条件、吸附剂上的活性结合位点可用性、系统的物理化学性质以及污染物的分子结构[30]。多项研究表明，富含羧基的吸附剂表现出更好的阳离子染料吸附性能。Qiao等人[31]报告称，通过将马来酸酐接枝到纤维素纳米晶体上制备的羧基化纤维素纳米晶体显示出比未改性纤维素更高的吸附能力。Silva等人[32]用邻苯二甲酸酐修饰纤维素，显著增加了羧基含量并提高了MB的吸附能力。Tang等人[33]使用无溶剂酯化方法与马来酸酐结合，生产出富含羧基的农林废弃物，显著提高了MB的吸附能力。在我们的系统中，MB染料分子的阳离子季铵基团与CNF表面的负电荷羧基团之间的静电相互作用在吸附过程中起着关键作用。高含量的羧基增加了染料吸附的活性位点，从而增强了CNFs与MB染料分子之间的相互作用[34]。因此，选择了羧基密度最高的DES改性CNF（OGC?）来评估其吸附效率并优化控制过程的参数。

**材料部分：**
橙皮被切成小块，用蒸馏水清洗，然后晾干。干燥过程包括在阳光下晒48小时，最后在50°C下过夜干燥。干燥后，将橙皮研磨并筛分以获得大约2毫米的均匀粒径。橙皮的化学组成确定为28.89±2.1%的纤维素、13.81±0.8%的半纤维素、5.78±0.3%的木质素、22.44±1.5%的果胶、3.11±0.06%的灰分和25.97±1.3%的其他成分（糖类）。

**结果与讨论：**
橙皮（OP）被用作可持续的纤维素来源。CNFs通过两个连续阶段制备：
(i) 纤维素分离：通过碱性处理（NaHCO?）和H?O?[38]、[49]去除非纤维素成分。
(ii) 纳米纤维化：用不同摩尔比的谷氨酸（HBA）和柠檬酸（HBD）新DESs预处理分离出的纤维素，随后进行节能的机械处理（高速搅拌和超声波处理）。

**结论：**
我们报告了一种新策略，其中谷氨酸/柠檬酸深度共晶溶剂（DES）的摩尔比被用作控制处理后纳米纤维素表面化学的关键设计参数。通过用四种不同摩尔比（1:1、1:2、2:1和3:1）制备的谷氨酸/柠檬酸DES处理橙皮纤维素，研究了DES组成的作用。重要的是，我们展示了在研究过程中表征DES组分化学变化的重要性。

**作者贡献声明：**
艾哈迈德·阿卜杜勒-哈基姆（Ahmed Abdel-Hakim）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督。
内门·穆罕默德·巴赫格（Nermen Mohamed Baheg）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法学、数据分析、概念化。
阿卜杜勒-阿齐兹·阿拉法·埃尔-瓦基尔（Abd El-Aziz Arafa El-Wakil）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、研究。
穆罕默德·梅克维（Mohamed Mekewi）：可视化、监督。
萨桑·哈利姆（Sawsan Halim）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、研究。

**资助：**
作者声明本研究未接受任何外部资助。该研究完全由国家标准研究所支持。

**利益冲突声明：**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**作者贡献：**
所有作者都对研究构思和整体概念的开发做出了贡献。N. M. Baheg进行了文献综述并进行了实验工作。N. M. Baheg、A. Abdel-Hakim、A. Arafa和S. Halim撰写了手稿并参与了解释工作。