Изучение надмолекулярной структуры нативной и изолированной целлюлозы Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Том (А) 33

1991

№ 8

УДК 541.64 : 539.2 : 547.458.81

© 1991 г. М. Я. Иоелович

ИЗУЧЕНИЕ НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ НАТИВНОЙ И ИЗОЛИРОВАННОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Методом рентгенографии определены степень кристалличности, размеры и дефектность кристаллитов нативных и изолированных целлюлоз. Степень кристалличности и длина кристаллитов нативной целлюлозы травянистых растений меньше, чем нативной целлюлозы древесины, льна и хлопка. Поперечные размеры кристаллитов нативной целлюлозы травянистых растений и древесины составляют 3,5-4,0 нм, а нативной целлюлозы льна и хлопкового линта 5-7 нм. При выделении целлюлозы из растительного сырья разными способами делигнификации осуществляется процесс сокристаллизации кристаллитов в поперечном направлении, что приводит к агрегации элементарных фибрилл и утрате их индивидуальности. Кристаллиты целлюлозы малодефектны.

Надмолекулярную структуру целлюлозы можно характеризовать степенью кристалличности, кристаллографическими параметрами, размерами и дефектностью кристаллитов, структурными показателями аморфных областей, размерами фибриллярных образований и некоторыми другими показателями.

Керр и Горинг [1] методом электронной микроскопии обнаружили в слое ¿>2 клеточной стенки волокон древесины ели элементарные или про-тофибриллы толщиной 3,5—4,0 нм. В работах [2—4] элементарные фибриллы с постоянными поперечными размерами ~3,5 нм рассматриваются в качестве единственных первичных фибриллярных образований целлюлозы. В работах [5, 6] было показано, что поперечные размеры фибриллярных образований целлюлозы не являются строго постоянными, а изменяются в пределах 1—8 нм. Согласно работам [7, 8], поперечные размеры элементарных фибрилл составляют 3X7 или 5X6 нм. В препаратах целлюлозы, подготовленных для электронно-микроскопических исследований путем кислотного гидролиза, обнаружены частицы микрокристаллической целлюлозы с поперечными размерами 5—10 нм [9].

При изучении целлюлозы водорослей Валония методом электронной микроскопии были выявлены фибриллярные образования с поперечными размерами 10—18 нм [10—12]. Не получено доказательств существования в этой целлюлозе фибриллярных элементов с поперечными размерами 3,5 нм. Авторы работ [10, 11, 13] считают, что размер 3,5 нм является результатом случайного расщепления фибриллярных образований при подготовке препаратов для электронно-микроскопических исследований. На возможность расщепления фибриллярных образований целлюлозы при диспергировании волокон указывается и в работе [6].

Усманов и Никонович [14] отмечают, что оценка поперечных размеров элементарных фибрилл целлюлозы методом электронной микроскопии зависит от способа подготовки препаратов. При оттенении металлами получают завышенные, а при позитивном или негативном контрастировании — заниженные результаты. Вследствие этого они считают, что наиболее вероятные поперечные размеры элементарных фибрилл целлюлозы должны составлять 6—8 нм.

Прямыми методами измерения размеров элементов надмолекулярной структуры целлюлозы являются электроно- и рентгенография. В работах [11, 12] методом электронографии для целлюлозы водорослей Валония

1786

Рис. 1. Рефлексы кристаллитов целлюлозы ели (002) (а) и (040) (6) первого (1) и второго порядков отражения (2)

были измерены эффективные поперечные размеры: 9—18 нм. Во многих работах [15—20], в которых для оценки эффективных поперечных размеров Ь,ф кристаллитов различных целлюлоз использовали метод рентгенографии, не было обнаружено постоянного размера 3,5 нм, приписываемого единичным элементарным фибриллам. Были получены следующие результаты определения Ьгф: для изолированных древесных целлюлоз 4—6 нм [15, 16], для целлюлоз рами и хлопка 5—6 нм, для бактериальной целлюлозы 6—8 нм, для животной целлюлозы и целлюлозы водорослей 8—15 нм [17—20]. Однако эти данные нуждаются в корректировке, так как для расчетов размеров структурных элементов использовали приближенное уравнение Шеррера, не учитывающее поправку на уширение рефлексов, обусловленную дефектами решетки.

Практически отсутствуют данные и по определению степени кристалличности нативной целлюлозы. Кристалличность изолированной целлюлозы часто характеризуется не степенью, а лишь индексами кристалличности.

В данной работе на основе модифицированных рентгенографических методик изучены показатели надмолекулярной структуры некоторых на-тивных изолированных целлюлоз.

Исследовали образцы древесины различных пород (сосны, ели, осины, березы, тополя), препараты травянистых растений (стеблей пшеницы, люцерны, хлопка, багасса, тополиного пуха, волосков одуванчика), волокна льна, хлопкового линта и целлюлозы, изолированные сульфитной, сульфатной и натронной делигнификацией.

Рентгенограммы снимали с помощью дифрактометра ДРОН-2 на отражение в диапазоне углов 20 от 5 до 50". Использовали Си£а-излучение с длиной волны Я=0,1542 нм. Отделяли паразитное рассеяние, вводили коррекцию на поляризацию и фактор Лоренца. Рентгенограммы первого порядка отражения снимали со скоростью 1 град/мин при пределе измерения 103 имп/с. Рентгенограммы второго порядка отражения снимали в режиме пошагового сканирования (через 0,1°) и накопления импульсов в течение 2—4 мин для каждой точки.

1787

Для определения поперечных размеров и дефектности кристаллитов использовали образцы древесины в форме пластинок, толщиной 2 мм, вырезанные в продольном направлении, а также препараты травянистых растений, волокон льна^ хлопка и изолированных целлюлоз, ориентированные параллельно вертикальной оси гониометра. Из рентгенограмм образцов двух порядков отражения по методике [21, 22] выделяли кристаллические рефлексы (002) (рис. 1 ,а) и находили их ширину на половине высоты. Показатель дефектности кристаллитов второго рода в поперечном направлении бь (величину относительных микродеформационных искажений кристаллической решетки в направлении, перпендикулярном плоскостям (002)), рассчитывали по уравнению

-./' Г / СОЗ 02 \ 2 /р1СО301\21

(1)

где йъ - расстояние между плоскостями (002); ¡5г - ширина рефлекса (002) первого и второго порядков, исправленная с помощью аппаратурной поправки; 01, 02 — углы дифракции от плоскостей (002) для рентгенограмм первого и второго порядков; X — длина волны рентгеновских лучей.

Действительные поперечные размеры кристаллитов целлюлозы с учетом поправки на вклад микродеформационных искажений в уширепие рефлекса (002) находили по уравнению

Продольные размеры и дефектность кристаллитов целлюлозы в древесине измеряли на торцевых срезах толщиной 2 мм. Для этого снимали рентгенограммы двух порядков отражения и выделяли кристаллические рефлексы (040) (рис. 1, б). Показатель микродеформационных искажений решетки кристаллитов в продольном направлении б; рассчитывали по уравнению, аналогичному формуле (1). Действительные продольные размеры кристаллитов находили с помощью уравнения [22]

соз 61'), (3)

где ^'-исправленная ширина рефлекса (040) первого порядка; б/ —угол дифракции от плоскостей (040) для рентгенограмм первого порядка.

Вероятные микродеформационные искажения б связаны со средними квадратичными искажениями е и параметром паракристалличности Хоземанна g следующими соотношениями:

е=ЫПп (4)

£=(1/яУ5)Уб, (5)

что позволяет легко осуществлять взаимный переход от одних показателей дефектности кристаллитов к другим.

Для определения степени кристалличности образцы древесины измельчали в опилки, а образцы травянистых растений, волокон льна, хлопка и целлюлоз дезинтегрировали, после чего спрессовывали в таблетки диаметром 15 и толщиной 2 мм. Снимали рентгенограммы первого порядка отражения, вводили поправки и выделяли рассеяние от кристаллических областей целлюлозы (рис. 2).

Степень кристалличности X изолированной целлюлозы рассчитывали по формуле [23]

4>г Ч>2

X = | /к 11 /0 (6)

<|>1 <|>1

где 1|)г - начальное и конечное значение угла 20; 7К и 70 - исправленные интенсивности рассеяния излучения от кристаллических областей и образца.

Расчет степени кристалличности нативной целлюлозы в растительном препарате проводили с помощью уравнения [22]

У=«Рк[1+Я(и>ц-1-1)]1 (7)

где фк^к/^к+^а) - относительная степень кристалличности образца; и ^ - интегральные интенсивности рассеяния от кристаллических областей целлюлозы и аморфных фаз (гемицеллюлоз, лигнина, некристаллических областей целлюлозы); ш„ — массовая доля целлюлозы в препарате, определяемая химическим анализом; К=3 - эмпирический коэффициент.

Гидролиз образцов изолированных целлюлоз проводили 2,5 N НС1 при 100° в течение 1 ч. Предельную степень полимеризации Р измеряли по вязкости раствора целлюлозы в кадоксене. Среднюю длину кристаллитов целлюлозы (в нм) оценивали тто формуле

гр=0,515Р (8)

1788

Рис. 2. Рентгенограммы нативной (?) и изолированной сульфитной целлюлозы ели (2)

Из результатов определения степени кристалличности целлюлоз (табл. 1) следует, что наиболее низкую кристалличность имеет нативная целлюлоза в стеблях люцерны и пшеницы: Х=0,49—0,50. Степень кристалличности нативной целлюлозы в багассе, стеблях хлопка, волосках одуванчика и тополином пухе выше и составляет 0,55—0,58. Для различных нативных древесных целлюлоз степень кристалличности находится в пределах 0,62—0,64. Наиболее высокой кристалличностью обладают на-тивные целлюлозы льна и хлопковых линтов: Х=0,67—0,68.

Показатель микродеформационных искажений б г, в направлении, перпендикулярном плоскостям (002), для кристаллитов различных исследованных целлюлоз составляет в среднем 0,05. В продольном направлении, в котором действуют химические и сильные внутримолекулярные водородные связи, препятствующие деформированию кристаллической решетки, показатель искажений б; меньше и составляет 0,018—0,019. Показатели паракристалличности £ близки к соответствующим показателям б, а показатели среднеквадратичных искажений е меньше, чем 6 иg (табл. 2). Из этих данных следует, что целлюлоза обладает сравнительно малодефектной кристаллической структурой.

Эффективные поперечные £эф и особенно эффективные продольные 1эф размеры кристаллитов целлюлозы, рассчитанные по уравнению Шеррера, меньше, чем их действительные размеры, определенные с учетом поправок на микродеформационные искажения решетки (табл. 3). Действительные поперечные размеры кристаллитов нативной целлюлозы препаратов травянистых растений и древесины составляют 3,5—4,0 нм, что соответствует поперечным размерам элементарных фибрилл нативной целлюлозы в древесине [1].

Действительные поперечные размеры кристаллитов, составляющих элементарные фибриллы нативных целлюлоз льняных волокон и хлопковых линтов, выше и достигают 5—7 нм.

При изолировании (выделении) целлюлозы из растительного сырья различными способами делигнификации степень кристалличности изменяется сравнительно мало. Наиболее выраженным структурным изменением целлюлозы при ее выделении является значительное возрастание поперечных размеров кристаллитов (табл. 3), что обусловлено протеканием процесса сокристаллизации [24]. Условия сульфатной и натронной варок (высокая температура, щелочная пластифицирующая среда) в наибольшей степени благоприятствуют осуществлению процесса сокристаллизации кристаллитов целлюлозы в поперечном направлении. Вследствие этого поперечные размеры кристаллитов древесных целлюлоз, полученных

1789

Степень кристалличности нативных и изолированных целлюлоз

Образец <Рк X

Стебли

люцерны 0,32 0,30 0,49

пшеницы 0,36 0,32 0,50

хлопка 0,40 0,40 0,58

Вагасса 0,45 0,43 0,58

Волоски одуванчика 0,50 0,42 0,55

Пух тополиный 0,60 0,48 0,58

Древесина

сосновая 0,52 0,49 0,64

еловая 0,50 0,48 0,63

осиновая 0,48 0,47 0,62

тополиная 0,47 0,47 0,62

березовая 0,49 0,48 0,62

Волокна

льна 0,80 0,63 0,67

хлопкового линта 0,95 0,67 0,68

Целлюлоза

сульфатная беленая сосновая 0,97 0,64 0,65

сульфитная беленая

еловая 0,95 0,62 0,63

осиновая 0,93 0,62 0,63

березовая 0,92 0,61 0,62

натронная беленая хлопковая 0,99 0,72 0,72

Таблица 2

Показатели дефектности кристаллитов целлюлозы

Образец е£ «г е1 *1

поперечное направление продольное направление

Древесина

сосновая 0,052 0,021 0,049 0,0181 0,0072 0,0287

еловая 0,053 0,021 0,049 0,0185 0,0074 0,0290

осиновая 0,053 0,021 0,049 0,0185 0,0074 0,0290

березовая 0,053 0,021 0,049 0,0190 0,0076 0,0294

тополиная 0,055 0,022 0,050 0,0180 0,0072 0,0286

Целлюлоза

сульфатная беленая 0,050 0,020 0,048 - — -

сосновая

сульфитная беленая

еловая 0,051 0,020 0,048 — — —

осиновая 0,051 0,020 0,048 — -

березовая 0,052 0,021 0,049 - — —

натронная беленая 0,047 0,019 0,046 - - -

хлопковая

сульфатным или натронным способами, выше, чем кристаллитов сульфитных целлюлоз.

Из полученных результатов следует, что поперечные размеры элементарных кристаллитов, а следовательно, и элементарных фибрилл различных нативных целлюлоз неодинаковы: для нативных целлюлоз препаратов травянистых растений и древесины 3,5—4,0 нм, а для целлюлоз волокон льна и хлопковых линтов 5—7 нм. На основе литературных данных [15—18] об эффективных размерах кристаллитов после учета поправки на вклад дефектности кристаллитов в уширение рефлексов можно рассчитать, что для целлюлозы лубяных волокон рами и джута действительные поперечные размеры кристаллитов и элементарных фибрилл составят 5—7 нм.

Наиболее высокие поперечные размеры имеют кристаллиты и фибриллярные элементы бактериальной, животной целлюлозы и целлюлозы во-

1790

Размеры кристаллитов (в нм) нативных и изолированных целлюлоз

Образец ^эф L гэф 1 1р

Древесина

сосновая 3,5 4,0 14,0 70 —

еловая 3,4 3,8 13,6 68 —

осиновая 3,4 3,8 13,5 68 _

березовая 3,3 3,7 12,7 64 -

тополиная 3,3 3,7 13,0 65 —

Стебли

люцерны 3,2 3,5 - - -

пшеницы 3,2 3,5 — — —

хлопка 3,2 3,6 — — —

Багасса 3,2 3,5 — - —

Волоски одуванчика 3,2 3,5 — — —

Пух тополиный 3,2 3,5 — — —

Волокна

льна 4,5 5,5 - - -

хлопкового линта 5,0 6,5 — — —

Целлюлоза

Кюршнера из стеблей

люцерны 3,3 3,7 — — 50

пшеницы 3,3 3,7 — — 55

■сульфатная беленая сосновая 5,2 7,0 _ — 85

сульфитная беленая

еловая 4,8 6,0 - — 80

осиновая 4,8 6,5 — — 80

березовая 4.6 5,8 — — 78

натронная беленая хлопковая 6,5 10,0 - - 110

дорослей. При учете показателя искажений ÔL=0,04, рассчитанного на основе данных работы [12], действительные поперечные размеры структурных элементов этих целлюлоз достигают 10—20 нм, что подтверждается результатами электроннно-микроскопических исследований [10—12].

Поперечные размеры кристаллитов изолированной и нативной целлюлозы различны. Из-за протекания процесса сокристаллизации при сульфитной варке древесины поперечные размеры кристаллитов возрастают с 3,5—4,0 до 5—6 нм, а при натронной и сульфатной варке — до 6—7 нм. При натронной варке хлопкового линта размеры кристаллитов увеличиваются с 6—7 до 9—10 нм. В результате сокристаллизации соседние элементарные фибриллы целлюлозы связываются в устойчивые агрегаты — фибриллярные пучки и утрачивают свою индивидуальность.

Степень кристалличности различных нативных и изолированных целлюлоз находится в пределах 0,5—0,7 и повышается в следующем ряду целлюлоз: нативная целлюлоза травянистых растений<древесная целлюло-за<целлюлоза лубяных и хлопковых волокон. В таком же порядке возрастают и продольные размеры кристаллитов, которые для хлопковой целлюлозы превышают 100 нм.

Таким образом, представления о существовании у различных нативных и изолированных целлюлоз однотипной элементарно-фибриллярной структуры не подтверждаются. Показатели надмолекулярной структуры целлюлозы зависят от ее происхождения и способа выделения из сырья.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кегг А. }., Goring D. A. /.//Cellulose Chem. Technol. 1975. V. 9. № 6. P. 563.

2. Heyn A. N. J./IJ. Cellulose Biology. 1966. V. 29. № 2. P. 181.

3. Miihlethaler К. H J. Polymer. Sci. Polymer. Symp. 1969. № 28. P. 305.

4. Frey-Wyssling A., Muhletkaler K. // Makromolek. Chem. 1963. B. 62. S. 25.

5. Fengel D. // Holz Forschung. 1978. B. 32. H. 2. S. 37.

6. Dolmetsch H., Dolmetsch H. // Papier. 1958. J. 22. H. 1. S. 1.

7. Frey-Wyssling A. // Makromolek. Chem. 1951. B. 6. S. 7.

8. Frey-Wyssling A. //Sci. 1954. V. 119. № 3081. P. 80.

9. Kràssig H., Kàppner W. // Makromolek. Chem. 1961. B. 44-46. S. 1.

10. Lazaro R., Chiaverina /.//Cellulose Chem. Technol. 1973. V. 7. № 3. P. 269.

1791

lt. Bourret A., Chanzy H., Lazaro R. // Biopolymers. 1972. V. И. № 4. P. 893.

12. Macchi E. M. // J. Appl. Polymer. Sei. Appl. Polymer. Symp. 1976. № 28. P. 763.

13. Black well I., Kolpak F. J. //Macromolecules. 1975. V. 8. № 3. P. 322.

14. Усманов X. У., Никонович Г. В. Надмолекулярная структура гидратцеллюлозных волокон. Ташкент, 1974. 381 с.

15. Schurz J., Janosi A., Zipper Р.Ц Papir. 1987. J. 41. H. 12. S. 673.

16. Jay me G., Islam Md. A. 11 Papier. 1973. J. 27. H. 3. S. 81.

17. Nieduszynski I., Preston R. D.I I Nature. 1970. V. 225. № 17. P. 273.

18. Fink H.-P., Hojmann D., Purz H. J. // Acta Polymerica. 1990. B. 41. № 2. S. 131.

19. Haase J., Hosemann Д., Rewanz В. //Colloid and Polymer. Sei. 1974. V. 252. № 9. P. 712.

20. Hindeleh A. M., Johanson D. J. II Polymer. 1972. Y. 13. № 9. P. 423.

21. Иоелович M. Я., Вееерис Г. П. // Химия древесины. 1985. № 6. С. 30.

22. Иоелович М. Я., Тупу рейне А. Д., Вееерис Г. П. //Химия древесины. 1989. № 5. С. 3.

23. Иоелович М. Я., Вееерис Г. П. // Химия древесины. 1987. № 5. С. 72.

24. Иоелович М. Я., Трейманис А. П., Нлевинская В. Я., Вееерис Г. П. // Химия древесины. 1989. № 5. С. 10.

Институт химии древесины Поступила в редакцию

АН ЛатвССР 09.10.90

M. Ya. Ioyelovich

SUPERMOLECULAR STRUCTURE OF NATIVE AND ISOLATED CELLULOSE

Summary

Crystallinity, dimensions and defectivity of crystallites of the native and isolated celluloses have been determined by X-ray analysis. Crystallinity and length of crystallites in native cellulose of grassy plants are lesser than those for the native cellulose of wood flax and cotton. The lateral dimensions of crystallites of the native cellulose of grassy plants and wood are equal to 3.5—4.0 nm, while for flax and cotton lint they are equal to 5-7 nm. The separation of cellulose from the plant raw material by various delignification methods is accompanied by lateral cocrystallization of crystallites resulting in the aggregation of elementary fibrils and in the loss of their particularity. Crystallites of cellulose have few defects.

1792