本研究《Can high-molar-mass cellulose molecules be extracted from phosphorylated pulp and TEMPO-oxidized pulps or their nanofibrils using LiCl/DMAC?》由Gaoyuan Hou, Korawit Chitbanyong, Izumi Shibata和Akira Isogai*共同完成。所有作者均来自日本东京大学农业与生命科学研究科生物材料科学系。该研究于2025年7月在线发表在Carbohydrate Polymers期刊的第367卷上。

这项研究属于纤维素科学与材料化学领域。其学术背景在于，磷酰化（Phosphorylated, P-）和TEMPO-氧化（TEMPO-oxidized, TO-）是两种常用的制备纤维素纳米原纤维（CNF）的化学预处理方法。理想情况下，磷酸酯基团或C6-羧基应仅在纤维素微纤丝（cellulose microfibril）的表面选择性形成，而内部则保持纯净的纤维素分子。然而，在非均相反应体系中，化学基团在纤维素微纤丝内部的分布情况尚不明确。因此，研究团队提出一个核心科学问题：能否利用LiCl/DMAC（氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺）溶剂体系，从经过这些化学修饰的浆粕（pulp）及其纳米原纤维中，提取出内部未修饰的高分子量纯纤维素分子？如果能够大量提取，则支持纤维素微纤丝具有“洁净的核”与“修饰过的壳”的“核-壳”结构模型；反之，则表明化学修饰可能遍及大部分纤维素分子。本研究的目标正是通过LiCl/DMAC提取实验，间接探究磷酰化和TEMPO-氧化纤维素微纤丝的内部精细结构，检验不同的纤维素链分布模型。

研究工作的详细流程包含以下几个主要步骤。首先，是样品制备。研究团队以软木和硬木漂白硫酸盐浆（SBKP和HBKP）为原料，分别制备了磷酰化软木浆（P-SBKP）、TEMPO-氧化软木浆（TO-SBKP）和TEMPO-氧化硬木浆（TO-HBKP）。随后，通过对这些浆料进行超声处理，制备了相应的纳米原纤维样品：P-SBKP-CNF、TO-SBKP-CNF和TO-HBKP-CNF。所有样品最终均经过冷冻干燥处理。其次，是LiCl/DMAC提取实验。对于浆粕样品，研究采用了两种预处理方法以尝试破坏其晶体结构：一种是标准的乙二胺（EDA）预处理，用于将纤维素I型晶体结构转变为无定形结构，使其可溶于LiCl/DMAC；另一种是针对P-SBKP的20% NaOH预处理，旨在将其转化为纤维素II或无定形结构。经过预处理的样品，通过溶剂置换，最终分散在8% (w/w)的LiCl/DMAC中，在室温下搅拌并静置共四周，以提取可溶的纤维素分子。对于CNF样品，则省略了EDA预处理步骤，将冷冻干燥后的样品直接投入LiCl/DMAC中进行提取。再次，是提取物的分析。提取结束后，将混合物稀释，离心分离出不溶部分。上清液（即可溶部分）通过具有多角度激光光散射和折光指数检测器的尺寸排阻色谱（SEC/MALLS/RI）进行分析，以确定提取物的质量比例及其摩尔质量。最后，是不溶物结构分析。LiCl/DMAC提取后剩余的固体不溶物，则采用X射线衍射（XRD）和固态13C核磁共振（13C NMR）进行表征，以分析其晶体结构和化学环境的变化。每个样品的提取实验进行一次，而SEC/MALLS/RI分析则进行三次以获得平均值和标准差。

研究获得了以下主要结果。在提取率方面，SEC/MALLS/RI分析显示，所有P-和TO-样品中能被LiCl/DMAC提取出的可溶部分质量比都非常低，范围在2%至9%之间。这表明，无论是P-浆粕/CNF还是TO-浆粕/CNF，超过90%的物质不溶于该溶剂体系。具体而言，P-SBKP（经EDA或NaOH预处理）的提取率低于2.2%，TO-SBKP约为5.6%，TO-HBKP约为9.0%，而所有CNF样品的提取率均低于2.8%。这些低提取率直接否定了从这些样品中大量提取纯纤维素分子的可能性。在不溶物结构方面，XRD和固态13C NMR分析揭示了重要差异。对于EDA预处理的TO-SBKP和TO-HBKP，其不溶物显示出无定形结构的特征，表明其内部的纤维素I型晶体结构已被EDA破坏，这与预期一致。然而，令人意外的是，EDA预处理后的P-SBKP不溶物，其XRD图谱依然清晰地显示出纤维素I型晶体结构。研究推测，P-SBKP中的磷酸酯基团可能与EDA形成了盐类屏障结构，阻止了EDA分子进一步渗透并破坏微纤丝内部的晶体结构。而当P-SBKP经过20% NaOH预处理后，其结构转变为低结晶度的纤维素II或无定形结构。尽管经过这些预处理使其理论上应更易溶解，但其LiCl/DMAC提取率依然极低，这强有力地说明，在P-SBKP中几乎不存在不含磷酸酯基团的“纯”纤维素分子。这些结果之间存在紧密的逻辑关联：极低的提取率首先表明样品中可被LiCl/DMAC溶解的纯纤维素组分极少；而对不溶物的结构分析则解释了为何某些样品（如P-SBKP）即使在预处理后晶体结构未完全破坏，也依然难以溶解——因为其化学修饰（磷酸酯基团）广泛存在，本身就会导致在LiCl/DMAC中不溶。两者共同指向一个结论：化学修饰并非仅局限于表面。

基于以上结果，本研究得出核心结论：从磷酰化和TEMPO-氧化的浆粕及其纳米原纤维中，无法提取出大量的高分子量纯纤维素分子。低提取率（2-9%）的结果支持作者最初的假设，即这些样品中几乎所有的纤维素分子都不同程度地含有磷酸酯基团或C6-羧基，因此它们不溶于LiCl/DMAC。这一发现挑战了“纯净核心-修饰外壳”的简单核-壳模型。研究进一步探讨了纤维素微纤丝的可能结构模型：如果化学修饰只发生在表面和无序区，而核心为纯纤维素（模型b），则应能提取出较多纯纤维素分子，这与实验结果不符。实验结果更符合模型c、d或e，即化学基团广泛分布于纤维素分子中，包括微纤丝内部。特别是结合前人关于TEMPO-氧化纤维素中羧基在高、低分子量区间分布均匀的研究，本研究认为模型e（化学基团在表面和内部的纤维素分子中随机形成）是最可能的结构。因此，研究证实了在异相化学处理过程中，反应试剂能够渗透并修饰到纤维素微纤丝的较深层次，并非仅停留于表面。

本研究的科学价值在于，它提出并验证了一种通过溶剂提取性来间接探究化学修饰纤维素超分子结构的新颖方法学。通过结合LiCl/DMAC提取率测定与不溶物的固体结构分析，为理解复杂且难以直接观测的纤维素微纤丝内部化学修饰分布提供了有力的实验证据。这深化了学术界对纤维素化学改性机理的认识，特别是修正了关于磷酰化和TEMPO-氧化仅发生在微纤丝表面的传统简化观点。在应用价值上，这一认识对于精确调控CNF的表面化学性质、优化其性能（如阻燃性、亲水性、分散性）以及设计功能化的纳米纤维素材料具有重要的指导意义。

本研究的亮点突出。首先，在方法学上具有创新性，创造性地利用LiCl/DMAC对纯纤维素溶解但对含羧基或磷酸酯基团的纤维素不溶的特性，将其发展为一种探测纤维素微纤丝内部化学结构的“化学探针”。其次，发现了磷酸化纤维素与TEMPO-氧化纤维素在EDA预处理中的不同行为（P-纤维素能保持I型晶体，而TO-纤维素则转变为无定形），这一对比性发现揭示了不同化学修饰对纤维素超分子结构稳定性的独特影响机制。再者，研究结果具有重要的理论意义，其强有力地支持了化学修饰广泛分布于纤维素微纤丝内部的模型，挑战了经典的、理想化的表面选择性修饰假设，推动了该领域认知的深化。最后，研究设计严谨，通过系统对比P-与TO-样品、浆粕与CNF样品、以及不同预处理方法（EDA vs. NaOH）下的结果，形成了完整的证据链，使结论非常坚实。

此外，研究中的一些细节也颇具价值。例如，研究观察到TO-HBKP提取物的SEC图谱在9.5 mL处有一个相对较大的峰，推测可能来源于样品中残留的木聚糖（xylan），这提示在分析复杂生物质体系时需考虑其他组分的影响。同时，研究也指出，尽管20% NaOH预处理成功地将P-SBKP的晶体结构破坏，但其提取率仍极低，这排除了晶体结构是限制溶解的唯一因素，进一步将原因锁定在化学修饰的广泛性上。这些细致的观察和分析增强了研究的深度和可靠性。