橙类生物质衍生纤维素结晶度的多方法比较评估：FT-IR、固态13C NMR与X射线衍射对残留果胶响应差异及方法选择框架

《Molecules》：Cellulose Crystallinity in Orange Biomass-Derived Cellulose: Comparative Assessment by FT-IR, Solid-State 13C NMR, and X-Ray Diffraction

　　

可靠测定纤维素结晶度对生物质增值至关重要，但常用分析方法可能对部分纯化木质纤维素材料中残留的非纤维素组分产生不同响应。在本研究中，研究人员在受控碱性加工条件下由脱果胶橙生物质制备了14个富含纤维素的样品，并采用傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR）、固态¹³C核磁共振（solid-state ¹³C nuclear magnetic resonance, CP/MAS ¹³C NMR）和X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）进行表征。结晶度指数（crystallinity indices, CIs）分别采用横向有序指数（lateral order index, LOI；FT-IR）、C4峰去卷积（C4 peak deconvolution；ssNMR）和Segal法（Segal method；XRD）计算，同时采用主成分分析（principal component analysis, PCA）支持对FT-IR和NMR数据集的多元解释。FT-IR所得CIs约为65%至91%，其中起始生物质尽管具有较高残留果胶含量，仍表现出最高值。相比之下，ssNMR所得CIs持续较低（约27%–49%），且对残留果胶的敏感性有限，表明其对纤维素结晶组织具有更高选择性。XRD给出中间CI值，并与ssNMR呈中度正相关（r = 0.5），但与FT-IR呈中度负相关（r = ?0.5）。PCA进一步揭示，果胶相关FT-IR谱带（~1737和~1635 cm^?1）是区分起始生物质与纯化纤维素样品的主要驱动因素。该研究建立了在柑橘生物质可持续增值为纤维素基材料过程中选择结晶度评价方法的实用框架。

研究背景与问题：柑橘生物质（citrus biomass, CB）是果汁生产的主要残渣，富含果胶（pectin）和纤维素；果胶主要由D-半乳糖醛酸单元形成同聚半乳糖醛酸（homogalacturonan, HG）骨架，是CB增值的主要目标。提取果胶后的固体含大量纤维素，其表征和增值可提高柑橘加工残渣价值。纤维素为β-1,4-D-葡聚糖，链组装为含结晶区（有序）和非晶区（无序）的微纤丝；结晶度指数（crystallinity index, CI）影响热稳定性、反应性、水吸附和酶解消化性。碱性处理广泛用于木质纤维素，可去除或改变非纤维素组分并改变物理结构，可能影响结晶度、孔隙、形貌、纤维组织和链取向；预处理后CI可能因优先去除半纤维素（hemicellulose）和木质素（lignin）而升高，但变化取决于生物质组成、处理类型和条件。XRD常用Segal法虽简便，但受非晶贡献、峰重叠和基线假设限制；固态¹³C-NMR可区分C4区结晶（~88 ppm）和非晶（~84 ppm）信号；FT-IR可基于LOI等给出半定量信息。现有问题是常用方法对部分纯化木质纤维素材料中残留非纤维素组分响应不同，因此需比较其在柑橘来源纤维素中的适用性。
研究人员开展了什么研究：研究人员以脱果胶橙生物质为原料，在14组受控碱性加工条件下制备富含纤维素样品，采用FT-IR、CP/MAS ¹³C NMR和XRD计算CIs，并用PCA解释FT-IR和NMR数据，评估碱性条件对纤维素结构组织和结晶度的影响，以及FT-IR和固态¹³C-NMR作为XRD互补方法的潜力。结论是三种方法对纤维素结晶度的响应不一致：FT-IR所得CIs约为65%–91%，起始生物质最高；ssNMR所得CIs约为27%–49%，对残留果胶不敏感；XRD值居中，与ssNMR呈中度正相关（r = 0.5），与FT-IR呈中度负相关（r = ?0.5）；PCA显示~1737和~1635 cm^?1果胶相关谱带是区分起始生物质与纯化样品的主要因素。其意义在于建立选择结晶度评价方法的实用框架，支持柑橘生物质可持续增值为纤维素基材料。
关键技术方法（不超过250字）：脱果胶橙生物质由巴西圣保罗Limeira果胶工厂提供，商业α-纤维素为对照。样品先经酸预处理，再按温度、NaOH浓度、处理时间和固液比四组独立碱性条件处理并漂白、干燥，形成14个纤维素富集样品。FT-IR采用ATR模式记录4000–600 cm^?1谱，以A₁₄₂₄/A₈₉₆计算LOI；固态¹³C-NMR采用CP/MAS，100.62 MHz采集，以C1峰105 ppm参考，按C4区去卷积（Bernardinelli et al.）计算CI；XRD采用Cu Kα辐射，2θ 5–60°扫描，按Segal法计算CI；PCA用于FT-IR和NMR数据。
研究结果：
2.1 起始生物质表征（Characterization of the Starting Biomass）：通过组成分析测得总固体18.02 ± 0.62%、灰分0.77 ± 0.31%、纤维素36.47 ± 0.50%、木质素7.53 ± 0.50%、果胶8.62 ± 0.20%；果胶低于原料橙渣，纤维素在提取果胶后相对增加。由于高纤维素样品中以中性洗涤纤维（neutral detergent fiber, NDF）与酸性洗涤纤维（acid detergent fiber, ADF）差值估算半纤维素不可靠，半纤维素未可靠定量。
2.2 FT-IR分析（FT-IR Analysis）：FT-IR谱显示3305 cm^?1 O–H伸缩、2920和2840 cm^?1 C–H伸缩、1737 cm^?1酯羰基（果胶）、1635 cm^?1羧酸根/吸附水、1427 cm^?1对称羧酸盐、1200–1000 cm^?1 C–O–C/C–O及896 cm^?1 β-(1→4)糖苷键；AM0谱同时显示果胶酯/羧基带和纤维素糖苷指纹。LOI法所得CI约为65%–91%，AM0最高（91%），超过所有处理样品和α-纤维素，可能因残留果胶对1424 cm^?1贡献导致高估；处理后样品LOI接近α-纤维素。NaOH浓度系列中AMC4最高，温度系列中AM1最高，时间系列中AM2T最高，固液比影响较小（77.4%–80.5%）。PCA全谱PC1和PC2解释64.8%方差，AM0明显分离，loadings显示~1737和1635–1620 cm^?1贡献强；指纹区PCA解释71.1%，处理样品更紧凑，AM0仍隔离，AM3和AM4沿PC2分离。由此得出FT-IR光谱差异不能仅归因于单一CI，LOI需谨慎解释。
2.3 固态¹³C-NMR（Solid-State ¹³C-NMR Spectroscopy）：谱图显示C1约105 ppm、C4约79–94 ppm、C6约61–63 ppm、C2/C3/C5约71–73 ppm；C4晶区约88 ppm、非晶区约84 ppm。部分样品C1由~105移至~103 ppm，再参考后C4和C6差异仍存，可能与残留果胶（~101 ppm C1、~79 ppm C4）有关。AM3、AM4、AMP3、AMC2、AMC3、AMC4、AM2T及α-纤维素晶峰更强；其他样品非晶峰相当或略高。C6分裂无差异；ΔC4显示多数样品保持α-纤维素超分子组织，AM1和AM4轻微局部无序，AM3T、AM4T、AMC2变化更明显，主要影响非晶区，未诱导多晶转变或完全失晶。CI最高为α-纤维素48.91%，AM4为48.35%；温度升高使AM1、AM2、AM3、AM4的CI分别约为27.63%、27.19%、33.73%、48.35%；150 min（AM2.5T）和9% NaOH（AMC4）分别在本系列中最高。PCA在120–40 ppm解释70.4%方差，AM0隔离，AM4、AMC4、AMC2、AMP2、AM3、AM2T、AMC3与α-纤维素位于正PC1；C4区PCA解释90.2%方差，AM0隔离，AM4、AM3、AMC4、AM2T和α-纤维素位于正PC2，AM4和AMC4最接近α-纤维素；选峰分析显示AM4在88.5和89 ppm接近α-纤维素。
2.4 XRD分析（XRD Analysis）：XRD图谱轮廓相似，主要差异为特征反射相对强度，可能反映碱性预处理后晶区和非晶区贡献变化。Segal法CI高于¹³C-NMR而低于FT-IR；Segal法为经验半定量参数，受非晶贡献、峰重叠、晶粒尺寸和择优取向影响。XRD与¹³C-NMR的CI呈中度正相关（r = 0.5），低温样品AM1和AM2低CI在两方法中一致；但时间系列不一致：NMR显示AM2.5T最高，XRD显示AM2T最高；AM4T在NMR中CI很低而XRD中较高，提示Segal法可能高估。XRD与FT-IR的CI呈中度负相关（r = ?0.5），AM0和AM1的LOI分别为91.3%和76.1%，而XRD CI分别为41.3%和41.2%，说明LOI更敏感于残留非纤维素组分，XRD较保守。
2.5 表征结果综合讨论（Integrated Discussion of the Characterization Results）：三种技术提供互补信息：FT-IR指数敏感于残留非纤维素组分和分子组织，¹³C-NMR反映晶区/非晶区相对组织，XRD反映纤维素相长程有序；AM4和AMC4总体显示较高结构组织并更接近α-纤维素。AM0的XRD CI不高而FT-IR LOI高，说明LOI更受残留非纤维素影响；XRD CI需谨慎因非晶贡献变化。FT-IR指数应视为间接或半定量指标而非XRD结晶度指数的直接等价量，FT-IR与XRD应互补使用。
讨论总结与研究结论翻译：讨论部分强调三种分析技术因探测不同结构特征和依据不同原理，趋势差异可预期，不能将FT-IR、¹³C-NMR和XRD视为可互换的结晶度定量方法；FT-IR适合快速筛查和监测官能团、分子有序及氢键变化，但LOI受残留非纤维素组分和实验条件影响，应结合化学组成和其他结构表征解释。研究结论翻译如下：本研究表明，对脱果胶柑橘生物质施加的加工条件会系统性影响所得纤维素的结构组织和结晶度。通过评估14组受控碱性条件，研究人员表明温度、时间和所用NaOH浓度的变化可通过FT-IR、固态¹³C-NMR和XRD结合化学计量学有效监测。该工作的主要贡献在于证明FT-IR和固态¹³C-NMR提供的是关于纤维素结构组织的互补信息，而不是可互换的结晶度测量。FT-IR为筛查结构变化提供快速且易得的方法，但其结晶度相关指数可能受残留非纤维素组分和实验条件影响。具体而言，横向有序指数（LOI）由~1424和894 cm^?1谱带强度比确定，可以无量纲比值或乘以100转化为百分比报告，两种形式的数学解释等价；文献中该参数可称LOI或FT-IR衍生结晶度指数。在本研究背景下，较低LOI值表示1424 cm^?1谱带相对贡献较低，并与碱性加工中更有效去除非纤维素组分相关。因此，LOI应结合化学组成和其他结构表征技术解释，而不应作为XRD所得结晶度指数的直接等价量。化学计量学进一步表明，多变量分析与光谱数据结合可区分不同条件所得样品并识别与结构变化相关的光谱特征。不同分析技术间的差异进一步强调，FT-IR、¹³C-NMR和XRD不应被视为定量纤维素结晶度的可互换方法；其整合可提供评价异质生物质中纤维素结构组织的更全面框架。研究人员的发现有助于更好地理解碱性条件如何影响脱果胶柑橘生物质中的纤维素结构，并提供筛选和优化过程的实用分析框架；该整合方法可支持将柑橘加工残渣增值为具有定制结构性质的纤维素，用于生物聚合物、复合材料和其他纤维素基材料。