不同预处理方法对醋酸纤维素降解性能的影响

醋酸纤维素（cellulose acetate，CA）是一种改性天然聚合物，主要由木材溶解的纸浆或棉花中获得的纤维素（必须具备较高含量的α-纤维素）制成。CA 因其生物相容性好、化学和热稳定性高、成本低、性能优良、生产过程简单无污染、生产原料可再生等优点而得到广泛应用[1]，目前CA 主要应用于食品包装[2]、卷烟过滤嘴[3]、膜材料[4]和纺织品[5]等行业。然而高取代度的CA，由于含有较高含量的乙酰基会严重阻碍CA 的降解，导致其在自然环境中降解慢，若处理不当，将会对环境造成严重影响。

随着CA 的应用日益广泛，人们的环保意识正在逐步增强，国内外对其降解性能的要求也在不断提高。目前，关于CA 的降解方法主要有光降解法、堆肥法和酶降解法等。光降解需要添加一定的光敏剂或光催化剂，但光敏剂和光催化剂的添加同样可能会对环境造成影响，堆肥法则存在降解周期长、价格昂贵、操作复杂等缺点，因此应用具有一定的局限性。近年来，酶降解法以其快速、条件温和、特异性强、操作简单等特点，在食品包装材料降解方面广泛应用。Huang 等[6]用熔融挤出法将不同脂肪酶嵌入到脂肪族可生物降解聚酯和聚己内酯的薄膜中，发现所得样品在缓冲液中酶解96 h 后，其质量损失显著增加。Leppänen 等[7]研究14 种纤维素基材料的酶降解性能，发现水解速率与取代度之间具有相关性，随着取代度的增加，纤维素基薄膜的酶水解速率呈指数下降。目前，常用于降解CA 的特异性酶为酯酶和纤维素酶，分别断裂CA 结构中的酯键和β-1，4 糖苷键，其酯键的断裂会使其取代度降低，同时产生乙酸，降解过程中产生的乙酸可能会加速降解过程[8]，但由于CA 中存在高含量乙酰基，导致酶解效果不佳[7]。有效的脱乙酰预处理工艺是提高CA 酶解效率的关键，这有利于进一步解构纤维素以及提高酶的可及性，从而提高降解效率。

目前对于CA 的研究大多集中在原材料的开发以及应用等方面，而对于其预处理方法及酶降解性能的研究还不够充分。因此，本文考察不同预处理方法对CA脱乙酰效果的影响，研究不同单一酶和复配酶对预处理样品的酶解效果，旨在为后续开发快速高效的降解方法以及扩大CA 的应用范围提供理论与数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

醋酸纤维素：南通醋酸纤维有限公司；脂肪酶A（≥120 U/mg）、脂肪酶PS（≥23 U/mg）、脂肪酶AK（≥20 U/mg）、氢氧化钠标准溶液（0.5 mol/L）、盐酸标准溶液（0.5 mol/L）、过氧化氢、苯酚、酚酞指示剂：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；角质酶（≥15l U/mg）：杭州创科生物科技有限公司；纤维素酶1（50 U/mg）：上海麦克林生化科技股份有限公司；纤维素酶2（3 U/mg）：北京索莱宝科技股份有限公司；纤维素酶3（1 U/mg）：西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司；硫酸（98%）、盐酸（36%～38%）、磷酸、无水乙醇（EtOH）：西陇科学股份有限公司；丙酮：国药集团化学试剂有限公司。所用化学试剂均为分析纯。

U-T6 紫外分光光度计：屹谱仪器制造（上海）有限公司；FE-28 台式pH 计：上海梅特勒托利多仪器公司；Nicolet 5700 傅里叶变换红外光谱仪：美国热电公司；SU 8010 扫描电子显微镜：日本日立公司；THZ-100B恒温摇床、DHG-900 电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 酸预处理对醋酸纤维素降解效果的影响

准确称取一定量的CA 丝束，在料液比1∶200 （g/mL）的条件下，探究酸处理溶剂（盐酸、硫酸、磷酸）、酸处理浓度（0.01、0.1、1、2、4 mol/L）和酸处理时间（1、3、5、7、9 h）对CA 降解的影响，在室温条件下磁力搅拌5 h 后取出，用蒸馏水反复洗涤至中性，干燥至恒重。

1.2.2 芬顿试剂氧化预处理对醋酸纤维素降解效果的影响

准确称取一定量的CA 丝束，在料液比1∶200 （g/mL）的条件下，加入芬顿试剂进行反应。芬顿试剂中Fe2+浓度为50 mmol/L，过氧化氢（H2O2）与Fe2+物质的量浓度比分别为20∶1、40∶1、60∶1、80∶1、100∶1，反应完成后用蒸馏水洗涤至中性，干燥至恒重。

1.2.3 碱预处理对醋酸纤维素降解效果的影响

准确称取一定量的CA 丝束，在料液比1∶200 （g/mL）的条件下，探究碱处理溶剂（NaOH 溶液、NaOH-50%EtOH、NaOH-75%EtOH、NaOH-95%EtOH 和100%EtOH）、碱处理质量浓度（0、0.025%、0.05%、0.1%、0.15%）和碱处理时间（0.5、1.0、2.0、4.0、8.0 h）对CA 降解的影响，在室温条件下磁力搅拌2 h 取出，用蒸馏水反复洗涤至中性，干燥至恒重。

1.2.4 单一酶酶解醋酸纤维素

准确称取一定量不同取代度的CA 丝束，在料液比1∶200 （g/mL）、酯酶添加量2%（基于底物质量）、纤维素酶添加量20%的条件下用不同来源的酯酶（脂肪酶A、脂肪酶PS、角质酶和脂肪酶AK）和纤维素酶（纤维素酶1、纤维素酶2、纤维素酶3）对CA 进行降解，每隔一定时间取出样品测定其失重率和总糖含量，研究不同单一酯酶和纤维素酶对不同取代度CA 样品的降解效果。单一酶酶解条件见表1。

1.2.5 复配酶酶解醋酸纤维素

准确称取一定量不同取代度的CA 丝束，在料液比1∶200 （g/mL）、转速180 r/min、酯酶与纤维素酶质量比1∶10 的条件下进行酶解。每隔一定时间取出样品测定其总糖含量，研究复配酶对不同取代度CA 样品的降解效果。复配酶酶解条件见表2。

1.2.6 失重率测定

称取一定量烘干至恒重的CA 丝束，将CA 丝束于不同溶液中反应一定时间后取出，充分洗涤后烘干至恒重。失重率（X，%）按以下公式计算。

式中： m0 为反应前烘干至恒重的CA 丝束质量，g；m 为反应后烘干至恒重的CA 丝束质量，g。

1.2.7 取代度（degree of substitution，DS）测定

取代度根据ASTM D871—96[9]测定并稍作修改。准确称取0.1 g CA 样品，在鼓风干燥箱（105 ℃）中烘干至恒重后，置于100 mL 活塞锥形瓶中，加入20 mL 丙酮，再加入5 mL 0.5 mol/L 的NaOH 标准溶液，在室温下搅拌反应2 h 后，加入酚酞指示剂，用0.5 mol/L 的HCl标准溶液滴定过量的NaOH 溶液。当溶液由粉红色变成无色，并保持1 min 不褪色时，加入1 mL 0.5 mol/L的HCl 标准溶液，搅拌反应1 h，使NaOH 从CA 中扩散出来，然后用0.5 mol/L 的NaOH 标准溶液滴定过量的HCl，除不加CA 样品外，同样操作进行空白试验。CA 中乙酰基含量计算公式如下。

式中：W 为CA 中乙酰基含量，%；A 为NaOH 标准溶液滴定样品的体积，mL；B 为NaOH 标准溶液滴定空白的体积，mL；Nb 为NaOH 标准溶液的浓度，mol/L；C 为HCl 标准溶液滴定样品的体积，mL；D 为HCl 标准溶液滴定空白的体积，mL；Na 为HCl 标准溶液的浓度，mol/L；w 为CA 样品的质量，g；4.305 为计算乙酰基含量的因子。

取代度（Y）计算公式如下。

1.2.8 总糖含量测定

采用苯酚硫酸法测定总糖含量。葡萄糖标准溶液的配制：精确称量干燥至恒重的葡萄糖100 mg 溶于蒸馏水中并定容至1 000 mL，配制成0.1 mg/mL 的葡萄糖标准溶液。制作标准曲线试剂如表3 所示。

按照表3 的顺序，将试剂加入25 mL 具塞试管中，待温度稍下降后，晃动试管，使试管内各试剂充分反应，然后静置30 min 后于490 nm 处测定吸光度，以纯酶液为对照，空白调零，以葡萄糖标准液浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，得到标准曲线为y=0.010 3x-0.003 5，R2=0.999 8。

样品中总糖含量的测定：样品反应液在12 000 r/min下离心10 min，吸取上清液0.1 mL 按以上步骤操作，对于浓度太高的样品适当稀释，在490 nm 处测得各样品的吸光度，重复操作3 次，根据以下公式得到反应液中总糖含量。

式中：X 为酶解溶液中总糖含量，%；V1 为样品酶解体积，mL；V2 为测定时移取样品测定液的体积，mL；m1 为从标准曲线中查得样品测定液中的含糖量，μg；m2 为酶解样品质量，g。

1.2.9 傅里叶变换红外光谱分析

将CA 样品研磨成粉状，CA 样品与KBr 以1∶100质量比混合，碾碎后用KBr 压片，使用傅里叶变换红外光谱仪采集空气背景图谱后，于4 000～400 cm-1 区域内进行光谱扫描，分辨率为4 cm-1，累计扫描32 次，分析CA 降解前后的分子结构变化。

1.2.10 微观结构分析

使用电胶带将CA 丝束固定在金属板上，接着使用喷金仪器对CA 表面进行喷金处理后，采用扫描电子显微镜在不同放大倍数下观察其微观结构，并对其表面形态进行分析，设置加速电压为5 kV。

1.3 数据处理与分析

所有试验进行3 次平行试验，结果以平均值±标准差表示。显著性分析采用SPSS 软件进行分析，所有数据均由Origin 2021 作图分析。

2 结果与讨论

2.1 酸预处理对CA 酶解效果的影响

2.1.1 酸预处理对CA 酶解失重率的影响

不同酸处理溶剂对CA 酶解失重率的影响如图1所示。

由图1 可知，HCl 溶液预处理的效果最好（14.17%），其次是H2SO4（3.02%），而H3PO4 几乎不能对CA 起作用。4 种酯酶酶解预处理CA 丝束24 h 后，其失重率出现不同程度的提高，其中用HCl 溶液预处理的CA丝束，经酯酶酶解后质量损失最多，但4 种酯酶的酶解效果无显著性差异。然而用H2SO4 和H3PO4 预处理的CA 丝束，经酯酶酶解后其失重率变化与酶解前无显著性差异。因此选择HCl 进行后续试验。

预处理中HCl 浓度对CA 酶解失重率的影响如图2所示。

由图2 可以看出，随着HCl 浓度的增加，其质量损失逐渐增大，当HCl 浓度低于4 mol/L 时，酸处理对CA 的降解效果较差，且酶解样品失重率与未酶解样品间无显著性差异，说明4 种酯酶无法酶解其预处理样品，这可能是因为在低浓度HCl 条件下，CA 降解较缓慢，需要较长的时间才能达到较好的降解效果[10]。当HCl 浓度为4 mol/L 时，酸处理效果较为明显，失重率为14.4%，且4 种酯酶均能显著提高酸预处理样品的失重率。而当HCl 浓度继续增加时，样品可能会被侵蚀，这是由于CA 样品在室温下对强酸比较敏感。

HCl 预处理时间对CA 酶解失重率的影响如图3所示。

由图3 可以看出，CA 丝束失重率随着预处理时间的延长而逐渐增加。当HCl 预处理时间超过3 h 时，酯酶酶解才能明显提高预处理样品的失重率，这可能是因为预处理时间太短，CA 的取代度仍较高，会阻碍酯酶对样品的水解。

2.1.2 酸预处理对CA 酶解取代度的影响

不同酸预处理溶剂、酸处理浓度和酸处理时间对CA 丝束酶解前后取代度的影响如表4、表5 和表6所示。

由表4 可知，不同酸溶剂处理CA 丝束后，其脱乙酰程度排序为HCl＞H2SO4＞H3PO4，H3PO4 处理后几乎没有起到脱乙酰的作用，说明在室温条件下HCl 预处理能够脱除CA 的乙酰基，从而降低取代度。4 种酯酶酶解HCl 预处理样品后，取代度均降低，说明酯酶能够断裂低取代度样品中的酯键。由表5 可知，只有当HCl 溶液达到一定浓度时，CA 才能在较短时间内脱乙酰，酯酶也才能对其起酶解作用。由表6 可知，随着酸预处理时间的延长，其取代度也呈现逐渐降低的趋势。这也与Yamashita 等[10]的研究结果类似，该研究发现CA 薄膜能够在HCl 环境中脱乙酰，且薄膜的质量变化取决于HCl 浓度和浸泡时间。综上所述，对于高取代度CA，酯酶酶解无法降低其取代度，与2.1.1 中失重率变化趋势一致。

2.2 氧化预处理对CA 降解的影响

芬顿试剂主要是利用亚铁离子催化过氧化氢分解为羟基自由基，这些亲电物质与有机物发生反应，形成有机自由基，从而导致材料解聚[11]。过氧化氢本身是一种非常强大的氧化剂，但在低浓度下，其反应动力学非常缓慢，而亚铁盐的添加会显著增加过氧化物的氧化强度[12]。

H2O2 与Fe2+不同物质的量浓度比预处理对CA 失重率的影响如图4 所示。

由图4 可知，H2O2 与Fe2+以不同物质的量浓度比处理CA 丝束24 h 后，其失重率变化较小，说明氧化预处理对CA 降解效果不佳。Jain 等[12]用芬顿试剂处理棉短绒纤维素后，发现该纤维素发生了解聚。而本试验中芬顿试剂预处理对CA 没有效果，这可能是因为CA 的高乙酰基含量，阻碍了其氧化降解。

2.3 碱预处理对CA 酶解的影响

2.3.1 碱预处理对CA 酶解失重率的影响

碱处理溶剂对CA 酶解失重率的影响见图5。

碱预处理反应条件温和，并且能够断裂CA 中的酯键，从而脱除乙酰基，这将会增加材料的内表面积以及提高酶的可及性[13]。由图5 可知，用乙醇代替水作为NaOH 的溶剂能显著提高CA 的失重率，这与Ahmed等[14]的研究结果相似，其研究NaOH 和NaOH/EtOH 溶剂对CA 纳米纤维脱乙酰效果的影响，发现与NaOH溶剂相比，NaOH/EtOH 溶剂脱乙酰效果更好，这可能是因为乙醇作为溶剂使溶液的碱性增强，从而脱乙酰速率更快。酯酶酶解碱预处理样品24 h 后，其失重率存在不同程度的提高。其中NaOH-95%EtOH 预处理样品经不同酯酶酶解后，其质量损失最少，这是因为酯酶主要断裂CA 的酯键，从而脱除乙酰基，而经NaOH-95%EtOH 预处理的CA，其失重率为37.63%，即乙酰基已基本脱除，所以酯酶酶解后失重率变化较小。因此选择NaOH-95%EtOH 进行后续试验。

碱处理质量浓度对CA 酶解失重率的影响如图6所示。

由图6 可以看出，随着NaOH-95%EtOH 质量浓度的增加，CA 丝束失重率先增加后逐渐平稳，这是因为NaOH-95%EtOH 质量浓度越高，其溶液的碱性越强，所以质量损失越多，随着质量浓度的继续增加，乙酰基已经完全脱除，而碱处理不会破坏其糖苷键，所以CA的质量损失不会再发生变化[15]。4 种酯酶酶解碱预处理CA 丝束后，其失重率有一定程度的增加，但4 种酯酶之间失重率无显著性差异。当NaOH-95%EtOH 质量浓度为0%时，单纯碱预处理与碱预处理后酶解，其失重率间无显著性差异，这是因为此时CA 中乙酰基含量较高，酯酶无法攻击其酯键。当NaOH-95%EtOH质量浓度为0.1% 和0.15% 时，酯酶酶解无法提高其失重率，说明此时碱预处理已经基本完全去除了乙酰基。

碱处理时间对CA 酶解失重率的影响如图7 所示。

由图7 可知，随着碱处理时间延长，CA 丝束失重率呈现先快速增加后缓慢增加的趋势，这是因为碱预处理脱除了CA 中部分乙酰基，并且释放了乙酸，使溶液碱性变弱，从而失重率缓慢增加。

2.3.2 碱预处理对CA 酶解取代度的影响

不同碱预处理溶剂、质量浓度和处理时间对CA酶解前后取代度的影响如表7、表8 和表9 所示。

由表7～表9 可知，随着乙醇体积分数的增加，其取代度快速下降后又缓慢上升，其中NaOH-95%EtOH处理CA 丝束后，其取代度最低，说明该溶剂处理效果最好。随着NaOH-95%EtOH 质量浓度的增加和碱预处理时间的延长，CA 的取代度整体逐渐降低。

酯酶酶解碱预处理CA 样品后，在一定程度上降低了其取代度，但对于高取代度CA 效果不好，同失重率变化趋势一致，由此说明乙酰化度的增加对酯酶的脱乙酰能力有负面影响，这也与Haske-Cornelius 等[16]的研究结果一致，其发现随着取代度的增加，酯酶脱乙酰基的能力逐渐降低。这些结果表明，碱预处理提高了酯酶对CA 酯键的水解能力，但对高取代度样品作用微弱。

酯酶可以作用于聚酯材料中的酯键，同样在CA脱乙酰上也具有一定潜力[17]。由失重率与取代度变化可知，碱预处理是相对较好的预处理方法，所以采用碱预处理方法（0.025%NaOH-95%EtOH 分别预处理0.5、1、2 h）得到的3 种不同取代度的样品（DS2.16、DS1.92、DS1.65）进行酶降解试验。

2.4 醋酸纤维素的单一酶降解效果分析

2.4.1 醋酸纤维素的单一酯酶降解结果

酯酶酶解CA 丝束后失重率变化如图8 所示。

由图8 可以看出，随着酶解时间的延长，其失重率变化较小，且4 种酯酶的酶解效果相差不大。4 种酯酶酶解后，不同取代度样品的失重率呈现相似的规律：DS1.65＞DS1.92＞DS2.16，由此可知，取代度越低，酯酶酶解后质量损失越大，酶解效果越好。Altaner 等[18]也发现了相似的结果，其用黑曲霉酯酶酶解不同取代度的CA，发现随着样品DS 的增加，其酶活性不断降低，这可能是因为沿链的取代模式限制了酶对乙酰基的作用。

2.4.2 醋酸纤维素的单一纤维素酶降解结果

纤维素酶因其来源、反应温度和pH 值等条件的不同，所以酶解效果存在一定的差异。不同纤维素酶酶解CA 丝束的总糖含量变化如图9 所示。

由图9 可知，3 种纤维素酶酶解不同取代度CA 样品后，其失重率呈现相似的规律。对于DS1.65 的样品，随着酶解时间的延长，其总糖含量均先快速增加后趋于平稳，酶解196 h 后，其总糖含量分别为28.46%、14.35%和22.28%。对于DS1.92 的样品，随着酶解时间的延长，其总糖含量增加非常缓慢，酶解196 h 后，其总糖含量分别为1.69%、0.20% 和1.21%。而对于DS2.16 的样品几乎不酶解，酶解196 h 后，其总糖含量分别为0.46%、0.13% 和0.12%。由此可知，纤维素酶无法酶解高取代度样品，但对低取代度样品酶解效果较好，这可能是因为乙酰基的部分脱除，使材料亲水性增加，提高了酶对样品的可及性，从而提高了水解效率[19-20]。综上，选择价格低廉和酶解效果较好的纤维素酶1 和纤维素酶3 进行后续复配酶降解试验。

2.5 复配酶对醋酸纤维素降解效果分析

2.5.1 不同酯酶与纤维素酶1 复配酶解CA 的总糖含量变化

酯酶和纤维素酶是降解CA 的关键酶，在一定条件下，酯酶与纤维素酶的协同作用有利于提高酶解效率[21]。纤维素酶1 分别与不同酯酶复配酶解CA 丝束的总糖含量变化如图10 所示。

由图10（a）可知，复配酶（脂肪酶A+纤维素酶1）酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65 的样品196 h 后，其总糖含量分别为0.72%、2.92%、34.13%，比单独使用纤维素酶1 酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65 的样品的总糖含量高0.26%、1.23% 和5.67%。由图10（b）可知，复配酶（脂肪酶PS+纤维素酶1）酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65 的样品196 h 后，其总糖含量分别为0.82%、3.21%、38.1%，比单独使用纤维素酶1 酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65 的样品的总糖含量高0.36%、1.52% 和9.64%。由此可知，脂肪酶A 和脂肪酶PS 的添加增强了纤维素酶1 的酶解效果。Han 等[22]和Hwang 等[23]的研究中同样发现复配酶的水解效果远远优于单一酶。由图10（c）可知，复配酶（角质酶+纤维素酶1）酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65的样品196 h 后，其总糖含量分别为0.58%、1.54%、30.95%，这与单独用纤维素酶1 酶解的效果相差不大，这可能是因为复配酶的酶解温度及pH 值不是角质酶的最适反应条件，角质酶的添加并不会增强其酶解效果。由图10（d）可知，复配酶（脂肪酶AK+纤维素酶1）酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65 的样品196 h 后，其总糖含量分别为0.58%、2.01%、22.4%，对于取代度为1.65 的样品，其总糖含量有所下降，说明脂肪酶AK 与纤维素酶1 的复配效果不佳，这可能是因为脂肪酶AK 与纤维素酶1 之间存在空间位阻效应，从而使酶的活性下降[24]。综上所述，不同酯酶与纤维素酶1 复配后，其酶解效果为脂肪酶PS＞脂肪酶A＞角质酶＞脂肪酶AK，且取代度越低，复配酶酶解效果越好。

2.5.2 不同酯酶与纤维素酶3 复配酶解CA 的总糖含量变化

纤维素酶3 分别与不同酯酶复配酶解CA 丝束的总糖含量变化如图11 所示。

由图11（a）可知，复配酶（脂肪酶A+纤维素酶3）酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65 的样品196 h 后，其总糖含量分别为0.23%（比单独用纤维素酶3 酶解高0.11%）、3.1%（比单独用纤维素酶3 酶解高1.89%）、38.1%（比单独用纤维素酶3 酶解高15.82%）；由图11（d）可知，复配酶（脂肪酶AK+纤维素酶3）酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65 的样品196 h 后，其总糖含量分别为0.89% （比单独用纤维素酶3 酶解高0.77%）、2.9%（比单独用纤维素酶3 酶解高1.69%）、28.58%（比单独用纤维素酶3酶解高6.3%），说明脂肪酶A 和脂肪酶AK 分别与纤维素酶3 复配，增强了其酶解效果，但对于取代度为2.16 的样品效果不佳。由图11（b）和图11（c）可知，复配酶（脂肪酶PS+纤维素酶3 和角质酶+纤维素酶3）酶解DS2.16、DS1.92 和DS1.65 的样品196 h 后，其总糖含量与纤维素酶3 单独酶解的效果相差不大，说明脂肪酶PS 与角质酶的添加没有增强纤维素酶3 的酶解效果。由此可知，不同酯酶与纤维素酶3 复配后，其酶解效果为脂肪酶A＞脂肪酶AK＞脂肪酶PS＞角质酶。

2.6 傅里叶变换红外光谱分析

不同复配酶酶解CA 丝束前后的红外光谱如图12所示。

由图12 可知，CA 酶解前后都呈现相同的规律，即取代度越高，吸收峰越大，说明乙酰基含量越高。此外，CA 经复配酶（脂肪酶PS+纤维素酶1 和脂肪酶A+纤维素酶3）酶解后，其特征吸收峰仍然存在，没有出现吸收峰的增加和消失，说明酶解不会改变CA 的分子结构，这可能是由于酶水解是一种表面侵蚀过程，无法渗透到聚合物基质中，只能作用于基质表面[25]。Hou 等[26]也发现了相似的结果，其用β-葡聚糖酶降解羧甲基纤维素后，红外图谱显示其结构没有发生明显变化。

2.7 扫描电镜分析

复配酶（脂肪酶PS+纤维素酶1 和脂肪酶A+纤维素酶3）酶解不同取代度CA 丝束的微观结构变化如图13 所示。

由图13 可以看出，原始丝束表面光滑，无沉积物和裂纹，CA 丝束经复配酶酶解后，仍保持其纤维结构。两种复配酶酶解不同取代度样品后，其微观结构变化相差不大。对于DS2.16 的样品酶解196 h 后表面依旧比较光滑，出现少量沉积物，对于DS1.92 的样品酶解196 h 后表面比较光滑，但出现沉积物和轻微褶皱，而对于DS1.65 的样品酶解196 h 破坏较为严重，丝束表面非常毛躁，少部分丝束降解为颗粒状，并出现大量沉积物、裂纹和孔隙。研究表明，丝束表面毛躁度和孔隙率的增加有利于提高酶解效率[27]。综上所述，取代度越低，酶解后破坏越严重，这主要是因为取代度越低，酶更容易攻击CA 的内部，从而降解速率也更快。

3 结论

本文研究不同预处理方法（酸预处理、氧化预处理和碱预处理）对CA 的脱乙酰效果以及单一酶和复配酶对预处理样品的酶解效果。结果表明：1）3 种预处理方法中NaOH-95%EtOH 碱预处理效果最好，但酯酶对高取代度样品脱乙酰效果较差；2）单一酯酶酶解不同取代度样品（DS2.16、DS1.92、DS1.65）后，其失重率变化呈现相同的规律，即取代度越低，酯酶脱乙酰作用越强；3）单一纤维素酶酶解不同取代度样品后，DS1.65 的样品随着酶解时间的延长其总糖含量都先快速增加后趋于平稳，DS1.92 的样品其总糖含量增加缓慢，DS2.16 的样品几乎没有变化，纤维素酶1 和和纤维素酶3 的酶解效果优于纤维素酶2；4）将4 种酯酶分别与纤维素酶1 和纤维素酶3 进行复配后酶解CA，发现脂肪酶PS 与纤维素酶1 以及脂肪酶A 与纤维素酶3 复配酶解效果最好，且优于单一纤维素酶酶解；5）通过扫描电镜可知，DS1.65 的样品表面破坏比较严重，表面非常毛躁，部分丝束被降解为颗粒状，并且出现大量沉积物和裂纹，而DS1.92 和DS2.16 的样品表面变化不大。综上所述，复配酶解能显著提高低取代度样品的酶解性，且酶降解效果越好，表面破坏越严重。通过本文的研究发现酶对高取代度CA 酶解效果不佳，所以如何通过酶包埋技术实现CA 在极端环境中酶解，从而实现在自然环境中快速降解将会将是未来研究的重点。

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Effects of Different Pretreatment Methods on Degradability of Cellulose Acetate

TAN Jiao1， DONG Dejun2， HU Jielun1， SUN Lihui2， XU Yifu2， LIANG Yinchun2 *， LIU Huan1 *

（1. State Key Laboratory of Food Science and Resources， Nanchang University， Nanchang 330047， Jiangxi，China； 2. Nantong Acetate Fibre Corporation， Nantong 226000， Jiangsu， China）

Abstract： Cellulose acetate （CA）， an important material for food packaging， is hard to degrade in natural environments due to its high acetyl content. To enhance the degradability of CA， this study investigated the deacetylation effects of acid pretreatment， oxidation pretreatment， and alkali pretreatment on CA， as well as the enzymatic hydrolysis effects of single enzymes and compound enzymes on the corresponding deacetylated samples. The results showed that the NaOH-95% EtOH alkali pretreatment had the best deacetylation effect among the three pretreatment methods. After the samples with different degrees of substitution （DSs） were degraded by single esterase， the weight loss rate showed the same rule， that is， DS1.65 ＞ DS1.92 ＞ DS2.16. After the samples with different DSs were degraded by single cellulase for 196 h， the total sugar content of the DS1.65 sample was 28.46% （cellulase 1）， 14.35% （cellulase 2）， and 22.28% （cellulase 3）， respectively. The total sugar content of the DS1.92 sample increased slowly， while the total sugar content of the DS1.92 sample was very low. In the formula for compound enzyme hydrolysis， lipase PS with cellulase 1 and lipase A with cellulase 3 had the best hydrolysis effect. Compared with single cellulase hydrolysis， the above two formulas increased the total sugar content of DS1.65 by 9.64% and 15.82%， respectively， increased the total sugar content of DS1.92 by 1.52% and 1.89%， respectively， but had little effect on DS2.16 sample. Therefore， lipase compounded with cellulase can significantly improve the degradability of the samples with low DS.

Key words： cellulose acetate； pretreatment methods； deacetylation； enzymatic hydrolysis； degradability

DOI：10.12161/j.issn.1005-6521.2025.07.009

引文格式：

谭姣，董德俊，胡婕伦，等. 不同预处理方法对醋酸纤维素降解性能的影响[J]. 食品研究与开发，2025，46（7）：65-75，101.

TAN Jiao， DONG Dejun， HU Jielun， et al. Effects of Different Pretreatment Methods on Degradability of Cellulose Acetate[J].Food Research and Development，2025，46（7）：65-75，101.

作者简介：谭姣（1997—），女（汉），硕士研究生，研究方向：生物与医药。

*通信作者：梁银春（1980—），男（汉），高级工程师，博士，研究方向：纤维素研究；刘欢（1988—），男（汉），教授，博士，研究方向：新型功能食品的开发及性质。

责任编辑：冯娜

收稿日期：2023-10-10