CN103154261A - 纳米-解聚集的纤维素 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于处理纤维素以使其更加容易进行酶法或化学改性的方法和***。本发明包括采用醇/水共溶剂***中的碱处理纤维素。所述处理使纤维素材料去结晶或解聚集。所述方法和***提高了纤维素的酶法或化学改性的效率以便用作生物燃料或纤维素衍生物。

Description

纳米-解聚集的纤维素
相关申请的交叉引用
本申请依照35U.S.C.§119(e)要求2010年9月14日提交的美国临时专利申请No.61/382,604的权益，将该申请的全部内容以引用的形式完全并入文中。
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
不适用
背景技术
纤维素是所有天然形成的聚合物中最丰富的。纤维素是植物细胞壁的最常见成分，因为它形成了所述细胞壁的很多结构框架。从化学角度上讲，它是由通过氧连接（linkage）（β-1,4-糖苷连接）结合的脱水葡萄糖单元（β-D吡喃葡萄糖环）组成的多糖，并且具有实验式(C6H10O5)n。它具有一种线性链状结构，所述线性链状结构形成晶体纳纤丝（crystalline nanofibril），其中许多平行的β-1,4-葡聚糖链并排地关联以形成纳米级别的微纤丝（直径2-20nm和长度100-40000nm），所述纳米级别的微纤丝具有很大的拉伸强度和化学稳定性，并且非常耐分解，例如，酶法的、化学的和机械的降解。纤维素不溶于水和简单的有机溶剂。它将在氢氧化钠溶液中膨胀，并且可溶于Schweitzer试剂。
人们已知纤维素在分子水平上存在不同状态的聚集。一些是常见的和市售的，如原生的形式（通常被称为纤维素I），以及丝光处理的（mercerized）形式或再生的形式（通常被称为纤维素II）。其他状态的聚集也是已知的，如纤维素III，其通过采用无水氨或无水胺处理而生产，或纤维素IV，其通常通过在高温下于甘油中加热纤维素II或III而制备。后两种形式通常具备学术兴趣而不具备商业实用性。然而，在所有这些形式中，紧密聚集的晶域已被认为是具有彼此平行对齐的分子链的结晶并且单独的脱水葡萄糖单元组成以彼此相关的特定模式组织的分子链。
从商业角度上讲，纤维素用于制作纸张、塑料和纺织品。纤维素衍生物包括人造丝、玻璃纸、在食品及油漆中使用的增稠剂，和涂料。最近，生物燃料产业已经对用于生产生物燃料的纤维素原料（feedstock）表现出极大兴趣，所述生物燃料是如通过微生物过程的醇类（例如，乙醇或丁醇），以及通过化学催化转化的烃类。
由纤维素原料（如农业废弃物、草和林业废弃物）生产生物燃料的吸引力来自于大量的这些廉价原料的易得性，以及避免焚烧或填埋纤维素废物材料的愿望。可以用于生物燃料生产的一些纤维素原料特别地包括（1）农业废弃物，如玉米干草、小麦秸秆、大麦秸杆、水稻秸秆、燕麦秸秆、燕麦果壳、双低油菜（canola）秸秆和大豆干草；（2）草，如柳枝稷（switch grass）、芒草（miscanthus）、大米草（cord grass）和利甘草（reed canary grass）；（3）林业废弃物，如白杨木和木屑；和（4）糖加工残留物，如甘蔗渣和甜菜浆。
纤维素纤维转化为生物燃料的过程需要：1）从木质中释放纤维素和半纤维素和/或增加纤维素原料中的纤维素和半纤维素对纤维素酶的可接近性（accessibility）；和2）将半纤维素和纤维素的碳水化合物聚合物解聚或水解为游离的糖。为了生产醇，糖随后被发酵为醇（例如，乙醇），并回收醇（典型地经过蒸馏）。或者，糖能够通过催化重制（reformulation）被转化为烃。
但是，如上所述，大多数植物物质中包含的纤维素不容易转化为糖。这种转化表现为用于生物燃料生产的商业化过程中的一个主要障碍。由于纤维素的晶体结构，酶法转化为糖，例如，耗费大量的时间和需要大量的水解酶，如纤维素酶。对于化学改性的纤维素衍生物的生产同样如此，必须使纤维素可以接近活性化学制剂；这通常需要高温、压力、苛刻的化学条件和延长的时间。
从纤维素材料到糖的纤维素高效转化最初被认为是仅仅涉及将纤维素和半纤维素从它们与木质的复合物中释放出来。然而，最近的方法集中在增加对木质纤维素生物质中的纤维素的可接近性，随后将纤维素碳水化合物聚合物解聚或水解为糖。增加对纤维素的可接近性最常通过预处理纤维素底物来完成。
大多数预处理方法的目标是给予机械作用和化学作用的充分结合，从而破坏纤维结构并改善原料对水解酶（如纤维素酶）的可接近性，所述水解酶能够水解纤维素。机械作用典型地包括使用压力、研磨、铣削、搅拌、切碎、压缩/扩张或其他类型的机械作用。化学作用典型地包括使用热（通常为蒸汽）、酸和有机溶剂。
即使采用目前已知的最高效的预处理方法，将纤维素转化为糖所需的水解酶的量仍然较高，并且表现为纤维素生物燃料生产中的巨大成本。因此，从纤维素材料到糖的纤维素高效转化和（例如）随后的糖到醇（如乙醇）的发酵面临着商业可行性的重大挑战。增加水解时间以避免增加酶剂量带来的更高成本需要更大的反应器，这反过来又增加了设备成本。在水解过程中混合和间歇混合原料能够提高酶效率，但是设备成本再次增加，并且增加的剪切力能够导致酶变性。其他***仍然危害最优化的酶活性并降低酶效率。
此外，伴随着纤维素转化为高增值产品的困难很充分地扩展到生物燃料生产。正如所指出，纤维素衍生物包括纤维和塑料，例如，再生的纤维素如人造丝和玻璃纸，纤维素酯如醋酸酯、丁酸酯、三醋酸酯和混合酯，硝酸纤维素，粘胶和莱赛尔（天丝）。一些纤维素晶域被如此紧密地聚集以至于化学试剂完全不能穿透它们，类似于缺乏将它们充分水解的对于酶的接近。其结果是沿着纤维素衍生物中的纤维素链的取代度可能是相当不规则的，导致质量控制问题。
发明简述
根据在本发明的实施方案中体现的原则，本发明提供方法和***，所述方法和***使纤维素解聚集（deaggregate）、去结晶（decrystallize）或无序（disorder），以便使其更加容易进行酶法或化学改性，例如，解聚或水解反应。所述方法和***，实际上，增强了在生产生物燃料和纤维素衍生物的生产中使用的纤维素基（cellulose-based）原料的转化。
文中的所述方法和***包括采用碱在共溶剂***（例如，水和极性的并且与水完全混溶的第二溶剂）中的溶液处理纤维素原料以形成去结晶的（decrystallized）/解聚集的（deaggregated）纤维素，以及通过洗掉所述碱而使去结晶的纤维素稳定以便生产水性介质中去结晶的/解聚集的纤维素。洗涤可以采用共溶剂***来完成，所述共溶剂***与处理步骤中的相同，具有不同比例的水和第二溶剂。到目前为止，经鉴定的最有效的共溶剂是醇。在本发明的实施方案中，该过程是在温和的温度和压力条件下进行的。
本发明的实施方案还提供新型纳米-解聚集的纤维素，一种先前尚未报告的聚集的部分无序的形式。纳米-解聚集的纤维素能够由一种熟知的聚集状态中的纤维素形成，所述一种熟知的聚集状态中的纤维素是市售常见的，如纤维素I和II。后者是有序的状态，其中纤维素链状分子以及脱水葡萄糖单元以如上所述的既定模式组织起来。在纳米-解聚集的纤维素中，这些链状分子以以下方式被分开，所述方式向各个链中引入脱水葡萄糖单元的显著的内部无序性，同时明显保持彼此相关的链状分子的空间关系。换言之，虽然看起来各个链的内部组织不如其在纤维素来源材料中那样有序，但是在转化为纳米-解聚集的纤维素以后，所述链状分子似乎以无异于在来源纤维素中普遍存在的方式保留其彼此平行的组织。因此，虽然已知的纤维素物质在宏观和微观水平上均保留其组织，但是纳米-解聚集的纤维素组织在纳米级别水平上被改变。换言之，所述纳米-解聚集的纤维素是纳米级别上部分-解聚集的纤维素。所述改变是这样的：所述链状分子之间的空间被增加。由于这些分子组织的变化，纤维素物质的宏观特性被改变。这些改变的意义在于允许纤维素在许多传统应用中的性能大幅增强，并且允许考虑大量的新用途。
需要强调的是，在拥有根据本发明的新型聚集状态的纤维素中形成的无序明显不同于通过传统方法生产的其他已知的无序的或非聚集的（disaggregated）纤维素。例如，众所周知的是，无定形纤维素能够通过球磨纤维素制备。这种球磨纤维素是均匀地无序的，并且一旦润湿，就能够观察到它们以纤维素II的形式聚集。其他无序的纤维素能够以一种真正的无定形状态从有机溶剂中再生，所述无定形状态是均匀地无序的并且对来源纤维素的天然形态学没有记忆。与此相反，根据本发明的实施方案的纳米-解聚集的纤维素在水和水性介质中稳定，并且来源纤维素的天然形态学在微观和宏观级别上被保留。必要的无序是在纳米级别上部分的无序。
附图说明
通过参考本文所提供的具体实施方案的详细描述连同其附图可以更好地理解和领会本发明：
图1是纸浆在根据本发明的实施方案的预处理过程之前和之后的X射线衍射图；
图2是说明根据本发明的实施方案的***的流程图，包括纤维素原料的预处理以增加其对解聚的可接近性；
图3显示了于70℃分离的纤维素在其于150℃退火之前和之后的对比X射线衍射图；
图4是在不同温度下退火的纤维素样品的半峰宽图；
图5是描述根据本发明原则的实施方案的流程图，其中未经事先的预处理而应用酶，接着是残留纤维素的分离，根据本发明原则的预处理，然后是与第一阶段之后的分离到的上清液的重新结合；
图6是描述根据本发明原则的用于缩短酶反应时间的一个可选择实施方案的流程图，包括在发酵为乙醇之前，采用第二阶段的去结晶和酶法水解将来自于第一阶段预处理的残留纤维素处理为葡萄糖；
图7是描述根据本发明原则的利用逆流***来缩短酶反应时间的根据本发明原则的另一个实施方案的流程图，其中来自于第二阶段处理的残留纤维素被再循环至第一阶段预处理；
图8显示了已知的天然纤维素的X射线衍射图；
图9显示了随机排序的（即，无定形的）纤维素的X射线衍射图；
图10-16显示了在根据本发明的实施方案的预处理过程之前和之后的纸浆的X射线衍射图；
图17-20是在根据本发明的实施方案的预处理之前和之后的各种纤维素材料的拉曼光谱；
图21是在根据本发明的实施方案的预处理之前和之后的Avicel样品的C13固态NMR；
图22是在从高纯度溶解纸浆中制备之后形成的微晶纤维素的显微照片；
图23是同一微晶纤维素的显微照片，其已被加工成根据本发明的纳米-解聚集的纤维素；
图24是纤维素结构的经典模型的图示；和
图25是比较在根据本发明的实施方案的预处理之前和之后的纤维素结构的图示。
发明详述
本发明提供体现本发明原则的方法和***，其中纤维素材料通过处理被去结晶或纳米-解聚集，所述处理包括采用共溶剂***中的碱接触纤维素材料，所述共溶剂***包括水和与水混溶的溶剂，例如，醇或多元醇。去结晶的/解聚集的纤维素更加容易进行酶法和化学反应。因此，根据本发明的实施方案的方法和***提高了纤维素的酶法或化学改性的效率以便用作生物燃料或纤维素衍生物。
在详细解释本发明的任何实施方案之前，然而，可以理解的是本发明的应用并未受限于在下列说明中阐述的，在下列附图中说明的或者通过实施例例证的部件的详细构造和排列。这样的说明、附图和实施例并非旨在将本发明的范围限制为如同权利要求书中所阐述的一般。本发明能够是其他的实施方案并且以各种方式被实践或实施。
另外，本发明不承认在本说明书中引用的任何参考文献（包括任何专利或专利文件）构成现有技术。特别地，人们将会理解，除非另有说明，本文中对任何文件的引用并不承认任何这些文件构成美国或任何其他国家的现有技术中的公知常识的一部分。任何对参考文件的讨论均为陈述其作者的断言，并且申请人有权对本文中引用的任何文件的准确性和相关性提出质疑。
在整个公开文本中，本发明的各个方面可能以范围格式表示。应该理解的是，范围格式的说明只是为了方便和简洁，并不应被解释为对发明范围的非弹性限制。因此，本领域技术人员将会理解的是，出于任何和所有目的，特别是在提供书面说明方面，本文中披露的所有范围还包括任何和所有可能的子范围和子范围的组合，以及在该范围之内的所有整数和分数数值。仅举一例，20%至40%的范围能够被细分为20%至32.5%和32.5%至40%、20%至27.5%和27.5%至40%等范围。任何列出的范围同样容易被公认为充分描述并启用了相同的范围，所述相同的范围被细分为至少相等的二份、三份、四份、五份、十份等。作为一个非限制的实例，本文中讨论的每一个范围都能够容易地被细分为下三分之一、中三分之一和上三分之一等。
另外，本领域技术人员同样将会理解的是，所有的语言如“直至”、“至少”“大于”、“小于”、“多于”等包括引用的数目，并且指代能够随后被细分为如上文所讨论的子范围的范围。以相同的方式，本文中披露的所有比例同样包括落在更广泛的比例范围内所有子比例。另外，短语“范围介于”第一次指示数与第二指示数之间和“范围从”从第一指示数“至”第二指示数在本文中互换使用。以上所述只是表明意图的例子。
此外，可以理解的是，本文中使用的用语和术语是出于说明的目的，并不应该被视为限制。本文中“包含”、“包括”、“具有”及其变型的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等效项，以及额外的项目。“包含”涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。“基本上由……组成”的使用是指组合物或方法可能包括额外的成分和/或步骤，但是只有在额外的成分和/或步骤不会从实质上改变要求保护的组合物或方法的基本特征和新特征时适用。
除非另有指定或限制，术语如“装配”、“连接”、“支持”和“结合”及其变型被广泛使用并且涵盖直接和间接的装配、连接、支持和结合。另外，“连接”和“结合”不限于物理的或机械的连接或结合。
除非另有说明，根据常规用法使用技术术语。但是，如本文中所使用，下列定义可能有助于协助本领域技术人员理解本发明：
如本文中所使用，术语“纤维素来源材料”或“纤维素起始材料”是指一种已知的有序形式的纤维素，例如，纤维素I或纤维素II。纤维素来源材料可以包括一种或多种纤维，其源自不同的纤维素原料，特别是秸秆、干草和蔗渣以及下面列出的具有广泛的可用性和低廉的成本的其他纤维素原料。
术语“纤维素原料”、“纤维素底物”或“纤维素材料”同样可以被使用，并且是指含有纤维素的任何类型的生物质。例如，纤维素原料可以包括草如柳枝稷、大米草、黑麦草（rye grass）、芒草或其组合；糖加工残留物如糖用甘蔗渣和糖用甜菜浆；农业废弃物如大豆干草、玉米干草；燕麦秸秆、水稻秸秆、水稻果壳、大麦秸秆、玉米棒、小麦秸秆、双低油菜秸秆、燕麦果壳和玉米纤维；和林业废弃物，如回收利用的木材纸浆纤维、木屑、硬木、软木或其任何组合。此外，纤维素原料可以包括纤维素废弃物或林业废弃物材料如新闻纸、纸板等。纤维素原料还可以包括一种或多种纤维，其源自不同的纤维素原料。小麦秸秆、大麦秸秆、玉米干草、大豆干草、双低油菜秸秆、柳枝稷、利甘草、糖用甘蔗渣、大米草、燕麦果壳、糖用甜菜浆和芒草，因其广泛的可用性和低廉的成本，特别有利地用作纤维素原料。
术语“水解酶”是指催化生物材料如纤维素水解的酶。水解酶包括“纤维素酶（cellulase enzyme）”或“纤维素酶（cellulase）”（可互换使用），其为催化纤维素水解至以下产品的酶，所述产品是如葡萄糖、纤维二糖、纤维-低聚糊精（cello-oligodextrin）和其他的纤维-低聚糖。反应也可以被称为“糖化（sacchrification）”。“纤维素酶”指的是一种表示多酶复合物或家族的上位概念，包括能够由一些植物和微生物产生的外切纤维二糖水解酶（exocellobiohydrolase）（CBH）、内切葡聚糖酶（endoglucanase）（EG）和β-葡萄糖苷酶（βG）。值得注意的是，许多粗纤维素酶提取物还包括一些半纤维素酶。根据本发明的实施方案的过程可以采用任何类型的纤维素酶复合物来进行，而不用考虑其来源；但是，微生物的纤维素酶一般能够以比植物的那些更低的成本而得到。其中被最广泛地研究、特征化以及商业生产的纤维素酶是，例如，从曲霉属（Aspergillus）、腐质霉属（Humicola）和木霉属（Trichoderma）真菌中获得的那些，以及从芽孢杆菌属（Bacillus）和嗜热双歧杆菌属（Thermobifida）细菌中获得的那些。另外，例如，由丝状真菌长梗木霉（Trichoderma longibrachiatum）生产的纤维素酶包括至少两个被称CBHI和CBHII的纤维二糖水解酶和至少4个EG酶。
“发酵酶”是指能够催化纤维素糖转化为醇的酶，所述醇包括乙醇以及高级链醇如丁醇。典型地，酵母如酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）用于生产催化所述转化的酶。酶还可以包括来自于Clostridium acetobuytlicum（无对应中译文）的细菌酶以及由工程微生物生产的酶，以便从纤维素糖生产更高级的链醇。
术语“聚合度”（简称为D.P.）是指纤维素分子中D-葡萄糖单体的数目。因此，术语“平均聚合度”，或“平均D.P.”，是指众多纤维素聚合物中每个纤维素聚合物的平均D-葡萄糖分子数。
如本文中所使用，有关纤维素的术语“处理（treatment）”、“处理（treating）”、“预处理（pretreatment）”或“预处理（pretreating）”是指根据本发明的实施方案的过程或处理，其中纤维素在纳米级别水平上被改变，以便使其更加容易进行酶法的或化学的（例如，化学催化的）反应。
有关纤维素的“改性或降解”用于指代纤维素天然结构的生物学（例如，酶法）或化学诱导的改变。这种变化和改变是本领域技术人员已知的，并且包括在纤维素的酶法降解和/或酶法或化学水解，以及各种商用纤维素基产品的化学改性，通过生物质发酵的醇生产，和富含氢的生物燃料的生成中涉及的那些。
有关去结晶的/解聚集的纤维素的术语“稳定的（stable）”或“稳定化的（stabilizing）”是指去结晶的纤维素，其具有在纳米水平上被改变的分子顺序并且在选定的时间周期内和选定的条件下不发生实质性变化。
“去结晶的纤维素”、“无序的纤维素”和/或“纳米-解聚集的纤维素”可互换使用并且是指以下纤维素，其在纳米级别水平上是部分无序的或解聚集的，即，在各个链中存在脱水葡萄糖单元的显著的内部无序性，同时明显保持彼此相关的链状分子的常规平行的空间关系。这些纤维素也可以被称为“纳米-解聚集的”、“纳米-去结晶的”或“纳米-无序的”纤维素。换言之，虽然看起来各个链的内部组织不如其在纤维素来源材料（即，熟知的有序的纤维素）中那样有序，但是转化为纳米-解聚集的纤维素以后，所述分子链似乎以无异于在来源纤维素中普遍存在的方式保留其相互平行的组织。虽然已知的纤维素物质在宏观和微观水平上均保留其组织，但是在纳米-解聚集的纤维素中，所述组织在纳米级别水平上被改变。所述改变是这样的：所述分子链之间的空间被增加。由于这些分子组织中的变化，所述纤维素物质的宏观特性被改变。
鉴于上述传统纤维素转化中固有的缺点，本发明的实施方案提供了用于使纤维素去结晶或解聚集的新方法。所述方法包括在温和的温度和压力条件下使纤维素与包括在共溶剂***中溶解的碱的处理溶液反应。对于经济可行性而言，所述温和的温度和压力条件可以被优化。通过打开紧密聚集的晶域（其在水解过程中也是顽抗的来源），使纤维素经受根据本发明的实施方案的这种处理，使得所述纤维素更加容易进行酶法或化学反应。根据本发明的实施方案的所得的去结晶的/解聚集的纤维素还允许更多的沿着纤维素链的统一取代，从而使得在纤维素衍生物产品的生产中目前固有的质量控制问题最小化。参考图1，其显示了纸浆在根据本发明的实施方案的处理之前和之后的X射线衍射图，表明所述纸浆的去结晶化。
存在许多能够使天然纤维素膨胀而不使其溶解的溶剂***。在根据本发明的实施方案的打开半结晶（semicrystalline）纤维素晶域的过程中，使纤维素膨胀的一些***很可能能够用于溶解纤维素，并因此，在经济上具有竞争力的过程中使可能的纤维素再生。
如上所述，根据本发明的实施方案的处理溶剂包括在共溶剂***中溶解的碱。适当地，将所述碱溶解于水加上第二种与水混溶的溶剂的共溶剂***中。一方面，第二种溶剂适当地是醇，其可以包括，例如，甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇或多元醇。另一方面，第二种溶剂可以包括其他的质子溶剂以及在水中混溶的非质子溶剂。在一个举例说明的实施方案中，所述共溶剂***是乙醇和水。
在本发明的一些实施方案中，所述碱适当地是氢氧化钠（NaOH），虽然可以使用其他的碱，如氢氧化锂（LiOH）或氢氧化钾（KOH）。在处理溶液中所需的NaOH的浓度取决于待处理的纤维素的性质，因为不同的纤维素可以具有其在不同的碱浓度下破坏的晶格形式。例如，用于大多数纸浆的丝光作用的阈值大约为水中8%的氢氧化钠；对于棉花而言，取决于事先的预处理，其约为11至12%；而对于细菌的纤维素而言，其约为14%。
确立处理溶液的NaOH摩尔浓度是一种迭代过程。作为起点，共溶剂的比例被固定在以下水平，所述水平在棉花的精整（finishing）中被发现是优化的（4），据报道为75%的乙醇和25%的水。摩尔浓度随后变化并且处理的有效性被评估直到共溶剂中NaOH的最佳摩尔浓度被确定。
在下面的一些实施例中，将溶液对Avicel（一种从北方软木中制备的微晶纤维素（American Viscose Company,Marcus Hook,PA）并于180℃成浆）的影响与在其他纤维素上的早期观察作比较。人们发现，在1M至2M之间的NaOH摩尔浓度行之有效。Avicel被选定用于测试，因为它已经成为在大多数已公布的纤维素生物转化研究中使用的标准底物。Avicel是一种高度顽抗的纤维素并且代表了高温对纸浆结晶度的影响。在额外的实施例中，使用了源自卫生纸的硫酸盐纸浆。所述卫生纸是被设计用于化粪池***中的类型，以便其不包含湿态强度添加剂。所述纸张大约由65%的桉树和35%的北方软木组成。有机溶剂法（organosolv）纸浆的使用（例如，参见，Diebold等人的美国专利No.4,100,016）同样包括在下列实施例中。
一旦NaOH大约的最佳摩尔浓度被确立，共溶剂的最佳比例即被确立。虽然早期的调查员选择75%，但是他们没有探索70%或80%的潜力。在使比例变化的过程中，重要的是避免能够导致氢氧化钠沉淀的乙醇水平。
现在参考图2，其说明了针对根据本发明的实施方案的普通处理过程以及将纤维素原料加工成醇（例如，乙醇）的进一步的步骤。所述过程开始于采用纤维素来源的步骤100。在一个举例说明的实施方案中，Avicel被用作步骤100中的纤维素的来源。
在步骤102中，使纤维素材料经受根据本发明的实施方案的预处理步骤，即，碱在水和第二种溶剂（如醇，例如，乙醇或另一种与水混溶的溶剂）的共溶剂***101中使纤维素去结晶的处理溶液。在步骤104中，反应混合物被分离以产生去结晶的纤维素108并除去处理溶液101。在步骤106中，采用洗涤共溶剂溶液或混合物107洗涤处理的纤维素以除去所述碱。所述洗涤共溶剂或混合物适当地是醇/水混合物。在步骤112中，根据本发明的实施方案的处理的纤维素被水解（例如，采用纤维素110的处理）以形成糖。在步骤114中，糖类（其包括葡萄糖和纤维-低聚糊精）被适当地发酵，并且纤维素醇118通过蒸馏或其他的分离方法（例如，膜分离）从发酵混合物中被回收。
处理溶液的有效性适当地通过纤维素拉曼光谱的中断出现来测定，特别是在介于250cm-1和600cm-1之间的低频率区域内，其中378cm-1处的谱带是天然晶格摄动程度的非常敏感的指标。
关于洗涤混合物107，如果甲醇与水被用作共溶剂，已被发现的是，与处理共溶剂***中相同的甲醇/水比例适合于将NaOH从纤维素中洗掉。对于乙醇/水***而言，适合的比例同样与处理共溶剂中的相同。
早已指出的是，采用甲醇的工作基于使用与预处理中相同的共溶剂比例，并且被用作乙醇/水共溶剂的起始点。变化初始共溶剂对第一次清洗的影响被确定。从过程的角度看，如果洗涤混合物中共溶剂比例在乙醇上高于用于预处理的那个，那么所述过程是特别适合的，因其降低了洗涤溶液的后处理成本。但是，仍需指出的是，有必要确保初始洗涤的乙醇含量并不太高而造成NaOH的沉淀。
在完成第一次洗涤之后，有必要继续洗涤纤维素底物直到达到中性pH。人们发现，在某些情况下，在最终仅采用水洗涤之前，从第一次洗涤过渡到采用包括更高水平的水的共溶剂的洗涤是更加有效的。
人们也已发现纤维素被紧密聚集的程度，并且因此，它的顽抗，与最高温度有关，纤维素在分离期间被暴露在所述最高温度中（5）。参见，取自Atalla等人的参考文件（5）的图3和4。图3显示了由于在150℃退火，天然纤维素的主要衍射峰的半峰宽的急剧降低。用于最突出地反映木材纤维素的粉末衍射图谱的半峰宽一直被视为木材细胞壁中纤维素内顺序一致性程度的最敏感指数之一。图4显示了半峰宽如何随着处理温度的增加而降低。因此，从本质上讲，纤维素样品的顽抗是与分离温度直接相关的。
一旦被处理和洗涤，处理的纤维素已经变得更加可接近的（即，去结晶的）程度可以被评估。简单的分析方法，如基于酶法水解的减重法，可以并且被用作使纤维素去结晶成功的测量。利用去结晶的纤维素对氧化氘（D2O）的可接近性的方法也可以被使用。虽然这些方法可以排列处理，其中氘与氢交换的准备就绪（readiness）表明D2O的使用可以导致可接近性程度的夸大。人们已经发现氘代乙二醇（OHCD2CD2OH）适当地评估了对酶作用可接近性的程度。
在利用氘代的方法中，可接近性的最常见的测量已经依赖于对在含有D2O的样品灌注的基础上对纤维素羟基的接近的观察（4）。虽然这是一种有用的测量，但是一种更可靠的测量基于对大于D+离子的分子的可接近性。这种分子适当地包括全氘代甲醇（CD3OH）、全氘代乙二醇（CD2OHCD2OH）和全氘代甘油（CD2OHCDOHCD2OH），其能够被添加到预处理纤维素样品在H2O的溶液中，并且被允许达到平衡。通过样品在介于2300和2700cm-1之间的区域内的拉曼光谱的测量，纤维素样品内氘代分子的量得到监控，在所述区域内没有其他官能团的干扰。醇或多元醇的全氘代样品的制备能够通过在D2O中雷尼镍上的回流而完成。
全氘代甲醇是商购可得的，并且乙二醇和甘油的全氘代化可以如上所述地进行。所述全氘代甲醇被用于基于使用其他纤维素的测量，所述纤维素是共同标准品如Avicel（其源自溶解的纸浆）和Whatman CF-1粉末（其源自棉短绒）。使用已知的方案，这些标准品是预膨胀的。
由于大多数酶的尺寸比用于评估纤维素可接近性的分子大得多，分析试验被开发用于与酶活性更加密切相关的纤维素的转变。在这种分析实验中，采用来自于黑曲霉（Aspergilus niger）和康宁木霉（Trichoderma reesi）的代表性纤维素酶孵育预处理的和洗涤的纤维素以评估转变对酶作用敏感性的影响。如前所述，纤维素对水解酶的提高的可用性应该增加至少一个数量级或更多的转化为糖的速率。
再次参考图2，其中需要指出的是，一部分产生的醇（例如，乙醇），即，参考数字118，可以在去结晶化步骤102中用作共溶剂。因此，根据本发明的实施方案，整个纤维素转化过程可以适当地具有一个反馈循环，以供应用于预处理过程的共溶剂。
需要指出的是，当纤维素在批处理过程中经受在连续基础上的水解酶时，纤维素酶法水解的经济实施中的一个障碍是过程的两阶段（biphasic）性质。第二阶段所需的非常长的停留时间导致对于非常大的存储容器的需要，以便适应用于完成所述第二阶段所需的时间。在另一个实施方案中，人们设想酶法水解反应因其两阶段性质的长停留时间能够通过根据本发明的实施方案的处理过程的使用被缩短。为了克服该障碍，酶的应用能够适当地在多重阶段中完成，伴采用在阶段之间的经受根据本发明的实施方案的处理的纤维素底物。
至少三种这样的多阶段过程是预期的。如图5所示，在如本文中所述的预处理之前，酶法水解的第一个应用在第一阶段中进行，以便利用酶法水解中相对快速的早期阶段。当水解速度在第二阶段开始时已经放缓，固体纤维素残留物如本文所述被分离和预处理，然后与从第一阶段结束的固体中分离到的上清液液体流重新结合。具体而言，使纤维素材料100经受采用纤维素的酶法水解112直到酶法水解的第一阶段开始变慢。在步骤120中，反应混合物被分离为残留纤维素122以及纤维素酶和葡萄糖的剩余物128。使残留纤维素122经受如图2中所说明的去结晶化124，以产生去结晶的残留纤维素126，使其再次经受利用剩余物酶溶液128的酶法水解130。然后糖产品在步骤114中被发酵以产生纤维素乙醇118。
第二种多阶段过程的实施方案如图6所示，并且基于在水解阶段之间重复如本文中所述的去结晶化过程。在步骤132中，如本文中所述的去结晶的纤维素108暴露于酶中一段时期，所述时期对应于快速水解的早期阶段。接着，在步骤134中，残留纤维素136通过过滤或离心从含酶液体介质142中分离出来。如图6所示，随后使残留纤维素136经受在步骤138中的第二个去结晶化循环，以产生去结晶的残留纤维素140，其反过来再次暴露于含酶缓冲水溶液142中，用于在步骤144中酶法水解为葡萄糖，之后在步骤114中发酵为纤维素乙醇118。据预计，水解再次以快速的速率进行，以至于纤维素的水解能够在比单一阶段水解短得多的时期内完成。因此，基于现有设计的过程（其需要在酶溶液中非常长的存储时间或停留时间）中的主要成本因素之一被克服并被显著减少。
第三种多阶段过程的实施方案如图7所示，并且包括纤维素和酶溶液的逆流混合。在步骤146中，如本文中所述的去结晶的纤维素108暴露于酶中。在步骤148中，残留纤维素150通过过滤或离心从含酶液体介质149中分离出来。使残留纤维素150在步骤152经受第二个去结晶化循环，以产生去结晶的残留纤维素154，其反过来在步骤156再次暴露于含酶缓冲水溶液中。如图7所示，新鲜的酶可以被用于第二个处理阶段中的步骤156，并且在第二个处理阶段之后，残留纤维素160在步骤158被分离，然后被引入到第二个去结晶化循环152中，以产生去结晶的残留纤维素154，然后被再次引入到酶溶液156中。此外，在步骤158的纤维素过滤或完全溶解之后，酶溶液102在步骤146被再次应用到去结晶的纤维素中。糖产品随后在步骤114被发酵，以产生纤维素乙醇118。这种做法减少了纤维素转化为葡萄糖所需的酶的量。酶的成本是基于现有设计的过程的另一个主要经济障碍。
该第三种多阶段过程中的具体实施方案将取决于纤维素原料的性质。如果纤维素相对纯净，则预计在含酶溶液被添加到新鲜去结晶的纤维素中之前，所述转化可以是完全的。但是，如果原料中包含其他的木质纤维素物质成分，那么在使用来自于第二阶段的酶溶液处理第一阶段中的原料之前，需要过滤或离心阶段。
本发明的实施方案也被预期作为试剂盒，所述试剂盒包括醇/水共溶剂中的碱、纤维素酶、一种或多种絮凝剂，以及用于使纤维素去结晶以产生去结晶的纤维素的说明书和用于水解去结晶的纤维素以产生水解产物的说明书。
人们进一步设想，类似的处理可以使得纤维素更加容易接近均匀的催化剂的溶液，所述催化剂可以用于将纤维素原料转化为其他形式。例如，如本文中所述的去结晶的纤维素能够更加容易地被催化体系穿透以将其重制为烃类。这种过程能够尽可能地使用大量的纤维素来源作为原料用于催化重制以生成生物燃料，如柴油、燃料气体（例如氢）和其他高价值的化学类型。因此，在一些实施方案中，提供了生产纤维素生物燃料的方法。所述方法包括采用醇/水共溶剂***中的碱处理纤维素材料以产生去结晶的纤维素；洗涤所述去结晶的纤维素以除去所述碱；将所述纤维素水解为葡萄糖和纤维-低聚糊精；以及将所述葡萄糖和纤维-低聚糊精催化重制为烃类。
如上所述，更广泛使用纤维素作为纤维或薄膜生产中的原料的障碍是很难将纤维素溶解在环境上可接受的***中。在美国以外最常使用的***基于百年的纤维素黄原酸盐过程，其为环境上会引起反对的，因为纤维素从溶液中的再生导致硫化氢和其他毒性副产物的形成。最近开发的甲基吗啉-N-氧化物***依赖于复杂的和昂贵的溶剂。如果条件没有小心地控制，所述***容易发生***。另一方面，本文中所使用的共溶剂***是环境上友好的。人们设想，该***能够显著改变人造丝和玻璃纸制造以及如本文中所述的生物燃料的经济学。
如上所述，本发明的实施方案还提供新型纳米-解聚集的纤维素，其具有许多显著不同于其他纤维素特性的特性。目前，两种关键特性具有重大的商业利益。第一，纳米-解聚集的纤维素具有在纳米级别水平上对用于所述纤维素改性的试剂分子的更大和更快的可接近性。换言之，存在对旨在改性纤维素或者与纤维素反应的大的试剂和酶分子的更大的可接近性，例如，对酶的穿透的更大的可接近性，所述酶可以用于水解纤维素以产生葡萄糖，所述葡萄糖作为原料用于发酵成生物燃料。如下列实施例所示，纳米-解聚集的纤维素更加容易被大分子穿透并且更加容易被纤维素水解酶水解。第二，同样重要的特性是，在被改性以具有分子聚集的新型内部状态的纳米-解聚集的纤维素的弹性显著增加。这些变化对于开发在吸收性产品的生产过程中形成的纤维素纤维网络的更好的性能特性或者对于在过滤中的应用是重要的。
下列实施例进一步解释本发明的实施方案，而不应该被解释为限制本发明的范围。而且，为了提高效率，所有的实验过程可以被进一步优化，并且放大的过程有望在新型纳米-解聚集的纤维素的生产以及将该纤维素转化为糖的生产中实现效率的更大提高。
实施例
证明纤维素的顽抗降低的实验在两个阶段中进行。第一阶段包括天然纤维素的处理过程。第二阶段通过将处理的纤维素样品暴露于水解酶以及测量其相比于对照组的减重来评估该处理的结果，所述对照组由来自于相同来源的未处理的天然纤维素组成。
作为第一个实施例的底物而选择的纤维素是来自于Avicel PH1的样品，其自从20世纪70年代以来已在发明者实验室（the inventor’s laboratory）被用作标准品并且由American Viscose Company（Marcus Hook,PA）供应。它是微晶纤维素，通常由高纯度溶解级的北方软木纸浆的酸水解和随后的纸浆纤维的机械解体以及所得的纤维碎片分散系的喷雾干燥而产生。选择该类型的纤维素是因为Avicel已经成为纤维素酶法水解研究中的标准底物并且代表了最顽抗的纸浆衍生的纤维素。在第二套实施例中，使用源自卫生纸的硫酸盐纸浆。在其他另一个实施例中，使用有机溶剂法纸浆。
在评估中使用的酶是从Worthington购买的来自于真菌康宁木霉的纤维素酶和能够从Sigma Aldrich获得的源自杏仁的葡萄糖苷酶。
实施例1：解聚集的纤维素的去结晶化和制备
为了处理Avicel而制备的溶液是氢氧化钠（NaOH）在乙醇（CH3CH2OH）和水的混合物中的1.5N的溶液，所述混合物为以体积计的75%乙醇。为了制备所述处理溶液，将乙醇和水混合，然后将6g NaOH溶解在每100mL的溶剂混合物中。
处理过程如下所示：将1g Avicel放置在300mL烧杯中。向其中添加50mL处理溶液。允许Avicel在处理溶液中静置15分钟。此后，将溶液轻轻倒出并替换为100mL溶剂混合物（75%乙醇，25%水）。将该溶液静置数分钟，以使得NaOH从纤维素中扩散出来。
然后将溶剂轻轻倒出并重复该过程两次，于是pH大约为8。在最后一次轻轻倒出溶剂之后，添加pH为5的0.05M醋酸铵缓冲溶液；在缓冲液中冲洗之后，pH为5.4。将缓冲溶液轻轻倒出，再次添加30mL缓冲液；然后pH被测定为5.0。
将纤维素在30mL缓冲液中的分散系转移到50mL聚丙烯离心管中并添加缓冲液到40mL水平。将水解酶添加到管中。这些酶是0.2g纤维素酶（108μ/mg）和0.1gβ-葡萄糖苷酶（6μ/mg）。
将1g未处理的Avicel的对照样品同样放置在50mL聚丙烯离心管中，并向其中添加40mL缓冲液，然后添加与测试样品用量相同的酶。
然后用管盖紧密地封闭两个离心管，并将离心管***Vortemp1550型振荡培养箱中。将管中的内容物于45℃孵育并且在900rpm的速度下搅动。人们觉得有必要于900rpm搅动以保持纤维素微晶粒子被充分分散。
对于第一次实验而言，孵育持续41小时，而对于第二次而言，孵育持续13小时。
在孵育之后，两个分散系各自被分为8份置于15mL离心管中。将管***离心机中并且于3800rpm旋转2分钟。将缓冲液-酶液体从每个管中轻轻倒出并替换为95%乙醇，重新分散并再次旋转；每个样品如此做两次。将最后一次轻轻倒出的乙醇替换为丙酮，然后在丙酮中分散。
随后将丙酮分散系（反过来）倾倒入配有烧结的玻璃底部过滤器的已称重（tared）坩埚中；坩埚过滤器被装配在过滤过程中采用完全真空的真空烧瓶上。随后将坩埚转移至采用完全真空的真空烘箱中，加热至105℃，并在该温度下真空保持过夜。
随后将样品在分析天平上称重，并将减重作为纤维素转化为糖和可溶性低聚物的测量。
应当指出的是，选择NaOH在溶剂混合物中的1.5M（或1.5N）溶液是因为Avicel微晶纤维素源自溶解纸浆。在使用由棉短绒制成的微晶纤维素的情况下，有必要使用NaOH在溶剂中的2M（或2N）溶液。相反，如果纤维素已经在更接近环境温度的温度下从草本植物中分离出来，1M（或1N）溶液可能已经足够。纤维素预处理所需的当量浓度的这种变化反映了纤维素聚集水平的显著多样性，所述纤维素来自于不同来源并且具有进入半结晶晶域的不同历史。
结果：
如上所述，测试样品和对照样品的初始重量各为1g。在45℃暴露于酶混合物中之后的重量在下表1中提供。
表1
Figure BDA00002995494300141
其中Δ表示对照和预处理样品之间减重的差异。因此，在两个实例中，如本文中所述的那样处理的样品的重量损失明显大于对照样品的重量损失。
结果表明，两种样品在第一个13小时的暴露过程中的重量损失显著高于在另外的28小时的进一步暴露过程中的损失。这是纤维素上酶法作用的典型的两阶段性质，其中转化为葡萄糖或可溶性低聚物的速率在第一阶段迅速进行，但随后趋稳至低得多的速率。这些实验的结果表明如本文中所述的去结晶化处理在纳米水平上增加了纤维素底物中的无序性，以产生新形式的纤维素，纳米-解聚集的纤维素，其更加容易受到纤维素酶的酶法水解的影响。
实施例2：两阶段过程
为了处理Avicel而制备的溶液是氢氧化钠（NaOH）在乙醇（CH3CH2OH）和水的混合物中的1.5N的溶液，所述混合物为以体积计的75%乙醇。为了制备所述处理溶液，将乙醇和水混合，然后将6g NaOH溶解在每100mL的溶剂混合物中。
处理过程如下所示：将每份各1g的2份Avicel样品放置在50mL离心管中，一份为实验样品，另一份为对照。向各自当中添加pH为5.01的45mL0.05N醋酸铵缓冲液。两个管都接受0.15g纤维素酶，所述纤维素酶在136μ/mg DW被分析，没有补充的β-葡萄糖苷酶。
两个管都被放置在Vortemp1550型振荡培养箱中。将它们于50℃孵育，并在900rpm的速度下搅动。初始孵育持续5.5小时。
在初始孵育时期之后，将实验组样品从培养箱中移走并在冰浴中冷冻以停止酶的作用。随后将实验样品放置在离心机中并于4500rpm旋转以提取上清液。将所述上清液轻轻倒出并留出以备稍后返回至样品管中。
随后向样品管中添加50mL NaOH处理溶液，并振摇5分钟，之后将其放置回离心机中以提取处理溶液。
此后，将溶液轻轻倒出并替换为50mL溶剂混合物（75%乙醇，25%水）。将其振摇5分钟以使得NaOH从纤维素中扩散出来。随后将其于4500rpm离心。
然后将溶剂轻轻倒出并重复该过程两次。在最后一次轻轻倒出溶剂之后，添加pH为5.01的0.05M醋酸铵缓冲溶液；在将样品分散于缓冲液中之后，pH为8.4。将缓冲溶液离心并轻轻倒出，再次添加40mL的缓冲液；随后pH被测定为5.15。将该循环重复一次，随后缓冲液中样品的pH为5.04。随后将缓冲液除去。
将以前提取的上清液酶溶液返回至样品管中，并且于50℃和900rpm下重新开始孵育。孵育的第二阶段历时2.5小时。
在孵育之后，将实验样品管和对照样品管都***离心机中并于4500rpm旋转2分钟。将缓冲液-酶液体从每个管中轻轻倒出，并将剩余的固体倾倒在已称重的玻璃纤维纸上，所述玻璃纤维纸用于在配有内置分析天平的微波炉中干燥，采用减重作为纤维素转化为糖和可溶性低聚物的测量。
结果：
如上所述，测试样品和对照样品的初始重量各为1g。在50℃暴露于酶混合物中之后的重量在下表2中提供。
表2
Figure BDA00002995494300151
其中Δ表示对照和预处理样品之间减重的差异。因此，如本文中所述的那样处理的样品的重量损失明显大于对照样品的重量损失。
实施例3：使用硫酸盐浆纸的两阶段处理
为了处理卫生纸（CottonelleTM牌）而制备的溶液是氢氧化钠（NaOH）在乙醇（CH3CH2OH）和水的混合物中的1.5N的溶液，所述混合物为以体积计的75%乙醇。处理溶液的制备与前面实施例中描述的相同。
处理过程如下所示：将2份（一份为对照并且一份为实验样品）卫生纸称重，随后切成小块并放置在50mL离心管中。用水将管填充并于室温在900rpm下将管放入Vortemp1550型振荡培养箱中并使其分散过夜。
采用pH为5.01的0.05N醋酸铵缓冲液将每个管都填充至50mL的刻度。两个管都接受0.125g纤维素酶，所述纤维素酶在136μ/mg DW被分析，没有补充的β-葡萄糖苷酶。将两个样品都放置在Vortemp培养箱中。将它们于50℃孵育，并在900rpm的速度下搅动。初始孵育持续4.25小时。
在初始孵育时期之后，将两组样品都从培养箱中移走并在冰浴中冷冻以停止酶的作用。随后将实验样品放置在离心机中并于4500rpm旋转以提取上清液。将所述上清液轻轻倒出并留出以备稍后返回至样品管中。
随后向样品管中添加50mL NaOH处理溶液，并振摇2分钟，之后将其放置回离心机中以提取处理溶液。
此后，将溶液轻轻倒出并替换为50mL溶剂混合物（75%乙醇，25%水）。将其振摇2分钟以使得NaOH从纤维素中扩散出来。
然后将溶剂轻轻倒出并重复该过程两次。在最后一次轻轻倒出溶剂之后，添加pH为5.01的0.05M醋酸铵缓冲溶液；在将样品分散于缓冲液中之后，pH为6.4。将缓冲溶液离心并轻轻倒出，再次添加40mL缓冲液；随后pH被测定为5.23。将以前提取的上清液酶溶液返回至样品管中，并且于50℃和900rpm下重新开始孵育。孵育的第二阶段持续大约9.5小时。
在孵育之后，将实验样品管和对照样品管都***离心机中并于4500rpm旋转2分钟。将缓冲液-酶液体从每个管中轻轻倒出，并将剩余的固体倾倒在已称重的玻璃纤维纸上，所述玻璃纤维纸用于在配有内置分析天平的微波炉中干燥，采用减重作为纤维素转化为糖和可溶性低聚物的测量。
结果：
测试样品和对照样品的初始重量，连同在50℃暴露于酶混合物中之后的重量在下表3中提供。
表3
Figure BDA00002995494300161
样品重量剩余（weight remaining）的百分比差异表明如本文中所述的那样处理的样品的转化大于对照样品的转化。
实施例4：使用硫酸盐浆纸的单阶段处理
为了处理卫生纸（CottonelleTM牌）而制备的溶液是氢氧化钠（NaOH）在乙醇（CH3CH2OH）和水的混合物中的1.5N的溶液，所述混合物为以体积计的75%乙醇。处理溶液的制备与前面实施例中描述的相同。
处理过程如下所示：将2份（一份为对照并且一份为实验样品）卫生纸称重，随后切成小块并放置在50mL离心管中。用水将管填充并于室温在900rpm下将管放入Vortemp1550型振荡培养箱中并使其分散过夜。
将实验样品放置在离心机中于4500rpm离心2分钟并将提取的水轻轻倒出。采用200酒精纯度（proof）的乙醇将管重新填充，并于900rpm振摇5分钟，之后将管再次离心，将乙醇轻轻倒出，随后采用75%乙醇和25%水的混合物将管重新填充，振摇5分钟，离心并再次轻轻倒出。
随后向样品管中添加50mL NaOH处理溶液，并振摇5分钟，之后将其放回至离心机中以提取处理溶液。
此后，将溶液轻轻倒出并替换为50mL溶剂混合物（75%乙醇，25%水）。将其振摇5分钟以使得NaOH从纤维素中扩散出来。
随后将溶剂轻轻倒出并重复该过程两次。在最后一次轻轻倒出溶剂之后，添加pH为5.01的0.05M醋酸铵缓冲溶液；在将样品分散于缓冲液中之后，pH为12.63。将缓冲溶液离心并轻轻倒出，再次添加40mL缓冲液；随后pH被测定为9.37。将该循环重复4次，伴随着pH被测定为6.02、5.29、5.14和随后在最后一个循环中为5.05。
采用相同的醋酸铵缓冲溶液将对照管填充至50mL的刻度。两个管都接受0.125g纤维素酶，所述纤维素酶在136μ/mg DW被分析，没有补充的β-葡萄糖苷酶。将两个样品都放置在Vortemp1550型振荡培养箱中。将它们于50℃孵育，并在900rpm的速度下搅动16小时25分钟的全程孵育。
在孵育之后，将实验样品管和对照样品管都***离心机中并于4500rpm旋转2分钟。将缓冲液-酶液体从每个管中轻轻倒出，并将剩余的固体倾倒在已称重的玻璃纤维纸上，所述玻璃纤维纸用于在配有内置分析天平的微波炉中干燥，采用减重作为纤维素转化为糖和可溶性低聚物的测量。
结果：
测试样品和对照样品的初始重量，连同在50℃暴露于酶混合物中16小时25分钟之后的重量在下表4中提供。
表4
Figure BDA00002995494300171
样品重量剩余的百分比差异表明如本文中所述的那样处理的样品的转化大于对照组的转化。
通常，酶法水解为可溶性糖的转化显示为至少70%。
实施例5：使用有机溶剂法纸浆的两阶段处理
最初采用亚氯酸钠处理有机溶剂法纸浆（例如，美国专利No.4,100,016）以使其脱木质（delignify），之后其被置于空气干燥。亚氯酸钠处理是一种行之有效的，温和的漂白技术。将出自所得的脱木质的、干燥的纸浆中的两份样品（一份是对照样品并且一份是实验样品）称重。
为了处理脱木质的有机溶剂法纸浆而制备的溶液是氢氧化钠（NaOH）在乙醇（CH3CH2OH）和水的混合物中的1.5N的溶液，所述混合物为以体积计的75%乙醇。处理溶液的制备与前面实施例中描述的相同。
处理过程如下所示：将2份（一份为对照并且一份为实验样品）纸浆称重，随后放置在50mL离心管中。用水将管填充并于室温在900rpm下将管放入Vortemp1550型振荡培养箱中并使其分散持续2天。在分散之后，将两个管都放置在离心机中并于4500rpm旋转3分钟，之后将水轻轻倒出。
随后采用pH为5.01的0.05N醋酸铵缓冲液将每个管都填充至50mL的刻度。两个管都接受0.2g纤维素酶，所述纤维素酶在136μ/mg DW被分析，没有补充的β-葡萄糖苷酶。将两个样品都放置在Vortemp培养箱中。将它们于50℃孵育，并在900rpm的速度下搅动。初始孵育持续5.5小时。
在初始孵育时期之后，将两份样品都从培养箱中移走。随后将实验样品放置在离心机中并于4700rpm旋转7分钟以提取上清液。将所述上清液轻轻倒出并留出以备稍后返回至样品管中。
随后向样品管中添加50mL NaOH处理溶液，并振摇2分钟，之后将其放置回离心机中以提取处理溶液。
此后，将溶液轻轻倒出并替换为50mL溶剂混合物（75%乙醇，25%水）。将其振摇2分钟以使得NaOH从纤维素中扩散出来。
随后将溶剂轻轻倒出并重复该过程两次。在最后一次轻轻倒出溶剂之后，添加pH为5.01的0.05M醋酸铵缓冲溶液；在将样品分散于缓冲液中之后，pH为7.32。将缓冲溶液离心并轻轻倒出，再次添加40mL缓冲液；随后pH被测定为5.18。将以前提取的上清液酶溶液返回至样品管中，并且于50℃和900rpm下重新开始孵育。孵育的第二阶段历时大约3.5小时。
在孵育之后，将实验样品管和对照样品管都***离心机中并于4500rpm旋转2分钟。将缓冲液-酶液体从每个管中轻轻倒出，并将剩余的固体倾倒在已称重的玻璃纤维纸上，所述玻璃纤维纸用于在配有内置分析天平的微波炉中干燥，采用减重作为纤维素转化为糖和可溶性低聚物的测量。
结果：
测试样品和对照样品的初始重量，连同在50℃暴露于酶混合物中之后的重量在下表5中提供。
表5
Figure BDA00002995494300191
样品重量剩余的百分比差异表明如本文中所述的那样处理的样品的转化大于对照组的转化。
总之，在同样的酶浓度下，根据发明的实施方案的解聚集的纤维素具有比已知的纤维素（例如，纤维素I）更多地酶法水解转化为可溶性糖。
实施例6：纳米-解聚集的纤维素的表征
进行实验以表征根据本发明的实施方案的纳米-解聚集的纤维素的特点。在这些实验中，根据完全常规的方案获得X射线衍射图、拉曼光谱、NMR光谱和晶粒/细胞染色。
X射线衍射学研究
如上所述以及在此进一步提出，开展X射线衍射图研究以比较已知的纤维素的结构与根据本发明的实施方案的新型纳米-解聚集的纤维素的结构。
已知的纤维素和无定形的纤维素
首先参考图8和9，其显示了四个不同的天然纤维素（图8）和由相同的四个纤维素制备的无定形的纤维素（图9）的现有技术X射线衍射图（Isogai和Atalla,Journal of Polymer Science:Polymer Chemistry,29(1991)113）。
关于图8，Whatman CF1粉末由棉短绒制成。衍射图A、B和C是高度有序的高等植物纤维素的典型图谱。海藻纤维衍射图D代表一类海藻，所述海藻生产高度有序的纤维素微纤丝，所述微纤丝在侧向尺寸上远远大于高等植物纤维素。
这里应该指出的是，较高的2Θ值表示衍射实体（diffracting entity）之间较窄的间距。因此，在介于20°和22°之间的2Θ值范围中的峰代表有序的纤维素中相邻的脱水葡萄糖环之间典型的间距。半峰宽通常被视为聚集的纤维素中无序程度的测量。
图9的所有衍射图都代表高度无序的，几乎随机关联的纤维素分子链。在这些衍射图中，这些衍射图中没有独特的峰，虽然最大值在20°至22°之间的2Θ值范围内。
硫酸盐纸浆
再次参考图1，其是漂白硫酸盐纸浆在使原始纸浆纤维素无序为纳米-解聚集的纤维素的处理过程之前和之后的X射线衍射图。需要指出的是，原始纸浆的衍射图是商用硫酸盐纸浆的典型图谱。与020平面相关的衍射峰出现在大约22.8°2Θ，而与联合的110和1-10峰相关的更宽的峰出现在14°和16°2Θ之间。相比之下，与纳米-解聚集的纤维素相关的衍射峰出现在大约20°和12°2Θ。纳米-解聚集的纤维素的衍射图的两个特点是值得注意的。第一，在20°和12°2Θ处的衍射峰没有清晰分离，但是它们被叠加为范围从10°至24°2Θ的相当宽的衍射。两个峰的外观（即使它们是宽的）表明一些残留的有序晶域并且表明纤维素的分子链仍然彼此平行。2Θ值的下降反映了链之间的间距的开放。可以推断的是，链之间的间距已经被开放，从而允许部分有序的纤维素中的较大分子的易于穿透。但是链的平行组织的保留是保持天然纤维素的微观和宏观级别的形态学的关键。
图10-16（如下讨论）显示了源自各种来源的纤维素的X射线衍射图。需要指出的是，根据本发明的原则处理的纤维素的X射线图谱的最显著且一致的变化是020主峰的加宽。
Avicel
获得了未处理的Avicel、处理的Avicel和丝光处理的Avicel的进一步的X射线衍射图。如上所述，Avicel是通常从高纯度溶解纸浆中制备的微晶纤维素。根据本发明的实施方案制备处理的Avicel样品，即，采用NaOH在由75%乙醇和25%水组成的共溶剂中的1.5N溶液处理Avicel。随后采用共溶剂将其洗涤三次，随后采用水再将其洗涤三次。
如图10所示，未处理的Avicel的衍射图非常类似于来自图8的衍射图B和C（其针对棉花和苎麻），二者均为相对纯净的高等植物纤维素。丝光处理的Avicel的衍射图是纤维素II的典型图谱，所述纤维素II是通过丝光处理产生的纤维素形式。处理的Avicel具有被迁移至较低2Θ值的单一的宽峰，这或多或少表明分子链之间的较大间距是根据本发明的实施方案处理的纤维素的特性。
同样获得了针对其他纤维素来源材料的下列X射线衍射图。
玉米麸皮
在采用根据本发明的实施方案的过程处理之前，如下制备玉米麸皮的样品：使生物质的样品经受甲醇提取，通过在索氏提取***中回流3至4小时。然后使用2份氯仿比1份甲醇进行类似的提取6至8小时。然后采用100%甲醇，随后是50%甲醇和50%蒸馏水的共溶剂，最后是100%蒸馏水进行洗涤。随后在氮气下，在回流条件下，将样品在水中的0.25N氢氧化钠（NaOH）中煮沸2小时。随后将其在蒸馏水中冲洗并在氮气下再煮沸3小时。采用水将其再次冲洗，并在6g亚氯酸钠的640ml水溶液和添加的2ml冰醋酸中漂白24小时。随后采用螯合剂二乙烯三胺五乙酸（DTPA）将其处理30分钟，并将该过程再重复两次。最后，将样品冻干。随后根据本发明的实施方案（如上面图10中针对Avicel样品所述）处理制备的样品。
如图11所示，来自于玉米麸皮的处理的和未处理的纤维素的衍射图显示了间距被显著增加，如衍射图的峰迁移至较低的2Θ值所示；它们同样被加宽，反映出更大的无序性。该图谱看起来是纤维素的典型图谱，所述纤维素以其天然状态与其他的细胞壁多糖一起出现。这些其他的多糖已经在纤维素的纯化过程中被除去。
纤维高粱
在采用根据本发明的实施方案的过程处理之前，如下制备纤维高粱的样品：使生物质的样品经受甲醇提取，通过在索氏提取***中回流3至4小时。然后进行使用2份氯仿比1份甲醇进行类似的提取6至8小时。然后采用100%甲醇，随后是50%甲醇和50%蒸馏水的共溶剂，最后是100%蒸馏水进行洗涤。随后在氮气下，在回流条件下，将样品在水中的0.25N氢氧化钠（NaOH）中煮沸2小时。随后将其在蒸馏水中冲洗并在氮气下再煮沸3小时。采用水将其再次冲洗，并在6g亚氯酸钠的640ml水溶液和添加的2ml冰醋酸中漂白24小时。随后采用螯合剂二乙烯三胺五乙酸（DTPA）将其处理30分钟，并将该过程再重复两次。最后，将样品冻干。随后根据本发明的实施方案（如上面图10中针对Avicel所述）处理制备的样品。
图12显示了来自于纤维高粱的纤维素的衍射图，所述纤维素是未处理的和根据本发明的实施方案处理的。虽然人们看不到衍射图的峰迁移至较低的2Θ值，但是间距是显著加宽的；虽然所述加宽是纤维素的典型图谱，所述纤维素以其天然状态与其他的细胞壁多糖一起出现，但是看起来纤维形态学在下一个水平上的差异能够影响对于根据本发明的实施方案的过程的反应。这些其他的多糖已经在纤维素的纯化过程中被除去。
杂交杨树
在采用根据本发明的实施方案的过程处理之前，如下制备杂交杨树片的样品：使生物质的样品经受甲醇提取，通过在索氏提取***中回流3至4小时。然后使用2份氯仿比1份甲醇进行类似的提取6至8小时。然后采用100%甲醇，随后是50%甲醇和50%蒸馏水的共溶剂，最后是100%蒸馏水进行洗涤。随后在氮气下，在回流条件下，将样品在水中的0.25N氢氧化钠（NaOH）中煮沸2小时。随后将其在蒸馏水中冲洗并在氮气下再煮沸3小时。采用水将其再次冲洗，并在6g亚氯酸钠的640ml水溶液和添加的2ml冰醋酸中漂白24小时。随后采用螯合剂二乙烯三胺五乙酸（DTPA）将其处理30分钟，并将该过程再重复两次。最后，将样品冻干。随后根据本发明的实施方案（如上面针对Avicel所述）处理制备的样品。
图13显示了来自于已被化为纸浆的杂交杨树片的纤维素的衍射图。在此处，该图谱类似于玉米麸皮的图谱，因为人们注意到间距被增加，如衍射图的峰迁移至较低的2Θ值所示。该图谱看起来是纤维素的典型图谱，所述纤维素以其天然状态与其他的细胞壁多糖一起出现。这些其他的多糖已经在纤维素的纯化过程中被除去。还是在此处，虽然如同在纤维高粱的情况下，形态学中高水平的组织似乎具有影响。
北方漂白软木
在采用根据本发明的实施方案的过程处理之前，如下制备北方漂白软木的样品：使生物质的样品经受甲醇提取，通过在索氏提取***中回流3至4小时。然后使用2份氯仿比1份甲醇进行类似提取6至8小时。然后采用100%甲醇，随后是50%甲醇和50%蒸馏水的共溶剂，最后是100%蒸馏水进行洗涤。随后在氮气下，在回流条件下，将样品在水中的0.25N氢氧化钠（NaOH）中煮沸2小时。随后将其在蒸馏水中冲洗，并在氮气下再煮沸3小时。采用水将其再次冲洗，并在6g亚氯酸钠的640ml水溶液和添加的2ml冰醋酸中漂白24小时。随后采用螯合剂二乙烯三胺五乙酸（DTPA）将其处理30分钟，并将该过程再重复两次。最后，将样品冻干。随后根据本发明的实施方案（如上面针对Avicel所述）处理制备的样品。
图13显示了来自于未处理的和处理的北方漂白软木的纤维素的衍射图。这些衍射图无异于来自纤维高粱的衍射图。还是在此处，虽然在此处确实有峰向较低的2Θ值的非常小的迁移，但是间距被显著加宽。虽然所述加宽是纤维素的典型图谱，所述纤维素以其天然状态与其他的细胞壁多糖一起出现，但是还是在此处，看起来纤维形态学在下一个水平上的差异造成了不同。同样在此处，其他的多糖已经在纤维素的纯化过程中被除去。
尼库萨（Nekoosa）硬木片
在采用根据本发明的实施方案的过程处理之前，如下制备尼库萨硬木片的样品：使生物质的样品经受甲醇提取，通过在索氏提取***中回流3至4小时。然后使用2份氯仿比1份甲醇进行类似的提取6至8小时。然后采用100%甲醇，随后是50%甲醇和50%蒸馏水的共溶剂，最后是100%蒸馏水进行洗涤。随后在氮气下，在回流条件下，将样品在水中的0.25N氢氧化钠（NaOH）中煮沸2小时。随后将其在蒸馏水中冲洗，并在氮气下再煮沸3小时。采用水将其再次冲洗，并在6g亚氯酸钠的640ml水溶液和添加的2ml冰醋酸中漂白24小时。随后采用螯合剂二乙烯三胺五乙酸（DTPA）将其处理30分钟，并将该过程再重复两次。最后，将样品冻干。随后根据本发明的实施方案（如上面针对Avicel所述）处理制备的样品。
图15显示了来自于尼库萨造纸厂（mill）的已被化为纸浆的纤维素硬木片的衍射图。这些针对处理的和未处理的样品的衍射图非常类似于杂交杨树片的衍射图，即，间距被增加，如衍射图的峰迁移至较低的2Θ值所示。如上所述，该图谱看起来是纤维素的典型图谱，所述纤维素以其天然状态与其他的细胞壁多糖一起出现。这些其他的多糖已经在纤维素的纯化过程中被除去。还是在此处，如同在杂交杨树的情况下，形态学中高水平的组织似乎具有影响。
玉米干草
在采用根据本发明的实施方案的过程处理之前，如下制备玉米干草的样品：使生物质的样品经受经受甲醇提取，通过在索氏提取***中回流3至4小时。然后使用2份氯仿比1份甲醇进行类似的提取6至8小时。然后采用100%甲醇，随后是50%甲醇和50%蒸馏水的共溶剂，最后是100%蒸馏水进行洗涤。随后在氮气下，在回流条件下，将样品在水中的0.25N氢氧化钠（NaOH）中煮沸2小时。随后将其在蒸馏水中冲洗并在氮气下再煮沸3小时。采用水将其再次冲洗，并在6g亚氯酸钠的640ml水溶液和添加的2ml冰醋酸中漂白24小时。随后采用螯合剂二乙烯三胺五乙酸（DTPA）将其处理30分钟，并将该过程再重复两次。最后，将样品冻干。随后根据本发明的实施方案（如上面针对Avicel所述）处理制备的样品。
图16显示了来自于玉米干草的纤维素的衍射图。这些衍射图比起纤维高粱的衍射图更像玉米麸皮和硬木的衍射图。虽然人们仅仅看到衍射图的峰向较低的2Θ值的相对较小的迁移，但是间距是显著加宽的。虽然所述加宽是纤维素的典型图谱，所述纤维素以其天然状态与其他的细胞壁多糖一起出现，但是纤维形态学在下一个水平上的差异最有可能造成不同。还是在此处，其他的多糖已经在纤维素的纯化过程中被除去。
这些衍射图显示了根据本发明的实施方案的纳米-解聚集的纤维素完全不同于无定形的纤维素，并且显示了分子链之间的间距被增加以及具有比原始的纤维素中更宽的分布。
拉曼光谱研究
图17中所示的三个不同纤维素样品的拉曼光谱揭示了纳米-解聚集的纤维素的新型聚集状态的另外证据。图17显示了处理的、未处理的和丝光处理的Avicel的拉曼光谱。未处理的Avicel的光谱是微晶纤维素（即，纤维素I）的典型光谱。丝光处理的纤维素的光谱同样是丝光处理的纤维素或纤维素II的典型图谱。根据本发明的实施方案（如针对图10的处理的样品的说明中详述）制备处理的Avicel。对于处理的样品而言，显著的变化出现在光谱的大部分区域，但是特别显著的变化出现在介于200至700cm-1之间、介于1200至1500cm-1之间以及介于3000至3800cm-1之间的区域。经过根据本发明的实施方案的过程处理的Avicel的光谱明显不同于天然Avicel或丝光处理的Avicel并且不同于经过根据本发明的实施方案的过程处理的纤维素。
同样获得其他纤维素来源材料的拉曼光谱。实验的详细信息如下所示。
北方软木纸浆
处理的北方软木纸浆是商用纸浆。根据本发明的实施方案加工处理的纸浆，即，采用NaOH在由75%乙醇和25%水组成的共溶剂中的1.5N溶液将其处理，随后采用共溶剂将其洗涤三次，随后再采用水洗涤三次。
图18显示了未处理的北方软木硫酸盐纸浆和经过根据本发明的实施方案的过程处理的北方软木硫酸盐纸浆的拉曼光谱。再次，最明显的差异在介于200至700cm-1之间、介于1200至1500cm-1之间以及介于3000至3800cm-1之间的区域中。
北方硬木纸浆
处理的北方硬木纸浆是商用纸浆。纸浆的处理借助于根据本发明的实施方案的过程，即，采用NaOH在由75%乙醇和25%水组成的共溶剂中的1.5N溶液将其处理。随后采用共溶剂将其洗涤三次，随后再采用水洗涤三次。
图19显示了未处理的北方硬木硫酸盐纸浆和经过根据本发明的实施方案的过程处理的北方硬木硫酸盐纸浆的拉曼光谱。再次，最明显的差异在介于200至700cm-1之间、介于1200至1500cm-1之间以及介于3000至3800cm-1之间的区域中。
南方松木纸浆
处理的南方松木纸浆是商用纸浆。纸浆的处理借助于根据本发明的实施方案的过程，即，采用NaOH在由75%乙醇和25%水组成的共溶剂中的1.5N溶液将其处理。随后采用共溶剂将其洗涤三次，随后再采用水洗涤三次。
图20显示了未处理的南方松木硫酸盐纸浆和经过根据本发明的实施方案的过程处理的南方松木硫酸盐纸浆的拉曼光谱。再次，最明显的差异在介于200至700cm-1之间、介于1200至1500cm-1之间以及介于3000至3800cm-1之间的区域中。
这些拉曼光谱显示纳米-解聚集的纤维素与纤维素I和II截然不同，所述纤维素I和II是最常见的众所周知的纤维素形式。
NMR研究
获得了未处理的、丝光处理的和处理的Avicel的固态13C NMR光谱。
对于处理的Avicel，如上文针对衍射图和拉曼光谱所述，处理Avicel样品，即，采用NaOH在由75%乙醇和25%水组成的共溶剂中的1.5N溶液将其处理。随后采用共溶剂将其洗涤三次，随后再采用水洗涤三次。
图21显示了由Avicel制备的三份纤维素样品的固态13C NMR光谱，如前所述，Avicel是在许多纤维素结构研究中用作标准品的微晶纤维素。顶部的光谱是丝光处理的Avicel，中间的光谱是未处理的Avicel，底部的光谱是根据本发明的实施方案的过程处理的Avicel。处理的Avicel显示了与纤维素I和II的光谱截然不同的光谱。
根据本发明的实施方案的纳米-解聚集的纤维素的固态13C NMR光谱非常清楚地显示了纳米-解聚集的纤维素是纤维素的独特形式，其不同于两种众所周知的形式。
显微照相的染色研究
采用Graff’s C染料将未处理的和处理的Avicel样品染色。该染料用于纤维素纤维的显微研究。所述染料由溶解在碘化钾和氯化物的溶液中的碘组成，并且在这些条件下，包含大的多碘化物（polyiodide）离子I13 -和I15 -，所述多碘化物离子为13或15个离子的直链，所述离子能够与线性有序的多糖络合。这些大的多碘化物离子通常与淀粉中最常见的1,4连接的多糖形成蓝色的电荷转移络合物。
图22和23显示了Avicel样品的显微照片，如上所解释，Avicel是从高纯度溶解纸浆中制备的微晶纤维素。图22中的样品是一种未处理的Avicel。图23中的样品是采用以下过程处理的Avicel，所述过程导致根据本发明的新型纳米-解聚集的纤维素。
与图22相比，图23中表明了纳米-解聚集的纤维素的结构的开放性。可以看出，图22中微晶纤维素（未处理的纤维素）的晶粒保持透明，因为染料仅仅已经影响其表面。另一方面，图23中的样品已经变得不透明，并且呈现出深蓝色或基本上呈现出黑色。换言之，图23中所示的染色样品具有比图22中所示的样品更强的颜色强度。图23的处理的样品的不透明性和颜色强度反映了处理的纤维素的孔隙度，因为存在于C染料中的大的多碘化物离子已经能够穿透毛孔并形成碘和部分有序的多糖的特有的蓝色络合物。因此，这些大的离子穿透新型纳米-解聚集的纤维素的能力表明所述新型纳米-解聚集的纤维素在纳米级别水平上的开放性和可接近性。
对酶的可接近性研究
通过暴露于纤维素酶中，同样阐明了解聚集的纤维素对大分子的开放性和可接近性。表6显示了两份Avicel样品暴露于酶中的结果，一份Avicel实际上由制造商生产，另一份是根据本发明的实施方案的纳米-解聚集的纤维素。将样品暴露于制造商推荐剂量下的商用纤维素酶中。将两份样品各自暴露于适当的缓冲溶液中的酶持续30小时。
表6
Figure BDA00002995494300251
如表6所示，纳米-解聚集的纤维素（即，样品被处理以产生纳米级别无序的纳米-解聚集的纤维素）几乎被完全转化（即，至少90%）为可溶性糖，而未处理的样品大约50%被转化。这些结果表明酶分子能够穿透纳米-解聚集的纤维素样品，而对于对照样品，该接近则受限于表面层。
弹性和纤维网络形成研究
如前所述，本文中所述的纳米-解聚集的纤维素与所有其他已知的无序状态的纤维素的不同之处在于来源材料的形态学被保留。因此，如果起始材料是纤维状的（如在纸浆中），那么各个纸浆纤维保留其特性，因而仍适用于使用这种纤维作为原料的许多既定的制造过程。通过应用纸浆和造纸工业技术中已知的标准手抄纸（handsheet）制作技术很好地说明了这一现实。该技术的应用还提供了用于展示纳米-解聚集的纤维素的增强的弹性的适当的方法。
手抄纸制作过程开始于在水中打浆的一定量的纸浆纤维。将浆料倾倒入底部配有精细金属丝网的容器中。由于水流经金属丝，纸浆形成了纸张，随后将所述纸张从金属丝中除去并按压及干燥。形成的纸张的特性由纸浆纤维的特性决定和反映这些属性。当从纸浆中形成纸张时，所述纸浆被处理以在纳米级别水平上诱导根据本发明的纳米-解聚集的无序状态，所述纸张的属性反映了如上提及的增强的弹性。为了显示针对纳米-解聚集的纤维素的变化幅度，已经测量了相对于原始纸浆起始材料的多个特性。下面给出通过标准方法生产的纸张的这些属性，所述标准方法由纸浆和造纸工业技术协会（Technical Association of the Pulp and PaperIndustry）规定。
纸张厚度（caliper）：纸张厚度是被干燥之后纸张的厚度。由纳米-解聚集的纤维素纸浆制成的手抄纸的纸张厚度是原始纸浆的两倍，表明纳米-解聚集的纤维素具有更高的弹力，因为在手抄纸制作过程中应用的压力对于来自于两种纸浆的纸张而言是相同的。
空隙体积：由纳米-解聚集的纤维素制成的纸张的空隙体积是由原始纸浆制成的纸张的空隙体积的两倍。这反映出增加的纸张厚度。
液体保留：以porofil液体保留（g/g纤维素）来测量，纳米-解聚集的纤维素纸浆纸张的保留是由原始纸浆制成的纸张的保留两倍。
格利孔隙度：格利孔隙度是实测量的空气通过手抄纸的流量的测量。时间越短，孔隙度越大。以秒来衡量，由原始纸浆制成的纸张的孔隙度为7秒，并且对于来自于纳米-解聚集的纤维素纸浆的纸张而言为0.8秒。
纳米-解聚集的纤维素的结构
现在参考图24和图25。图23是纤维素结构的经典模型的图示。图25A是经典的纤维素结构的图示，与之相比，图25B是根据本发明的实施方案的纳米-解聚集的纤维素的图示。不限于任何特定的理论，人们相信分子链保留其平行对齐，但各个链内的顺序存在不规则性。正因如此，它们之间的间距被增加并且它们变得更加容易接近更大的分子，然而以天然状态存在的那些保持着紧密组织。如图25B所示，纳米-解聚集的纤维素具有更加开放的结构，所述结构允许其他分子的接近和穿透。
总之，纳米-解聚集的纤维素是纳米水平的部分解聚集的纤维素，其结构具有各个纤维素链的内部无序性，却保持所述链大体平行的空间关系。与来自于各种来源的有序的“结晶”纤维素样品相比，纳米-解聚集的纤维素展示出光谱迁移（即，X射线、拉曼、NMR），所述光谱迁移表明纳米级别的结构变化。所述迁移表明各个纤维素分子链内脱水葡萄糖单元的内部无序性。纳米-解聚集的纤维素在水中并且通常在水性介质中是稳定的，即，当被浸没在水中时，它不像通过机械作用制成的无定形的纤维素一样转化为纤维素II。因此，根据本发明的原则的纤维素是以前未知的对水稳定的纳米-解聚集的纤维素。正因如此，纳米-解聚集的纤维素具有比其他的纤维素（例如，纤维素I）更强的Graff’s C染色颜色强度，以及比其他的纤维素（例如，纤维素I或纤维素II）更多的酶法水解转化为可溶性糖。纳米-解聚集的纤维素在结构和特性方面也明显不同于无定形的纤维素。
上述说明仅仅用于说明本发明的原则。而且，由于本领域技术人员能够轻易地想到许多的修改和变化，因此不希望将本发明限制到本文中所显示和描述的确切的构造和操作。因此，所有适当的修改和等同物被视为在本发明的范围之内。权利要求中提出了本发明的各种特征和优点。
在本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请代表了本发明所涉及的技术领域中普通技术人员的水平。通过引用的方式将所有出版物、专利和专利申请清楚地并入本文中，其引用程度犹如与通过引用的方式特别地和单独地指出每一个单独的出版物或专利申请相同。如果本公开与并入的专利、出版物和参考文献发生冲突，应该以本公开为准。
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Claims (14)

1.纳米-解聚集的纤维素。
2.根据权利要求1所述的纳米-解聚集的纤维素，其中所述纤维素是对水稳定的并且在水性介质中不被转化为纤维素II。
3.根据权利要求1所述的纳米-解聚集的纤维素，其具有不同于纤维素I、纤维素II或无定形的纤维素的在衍射角2Θ在20°处的加宽的X射线衍射主峰。
4.根据权利要求3所述的纳米-解聚集的纤维素，其中所述峰的半峰宽与纤维素I和II的半峰宽相比是增加的。
5.根据权利要求3所述的纳米-解聚集的纤维素，其具有如图10-16所示的X-射线图谱。
6.根据权利要求1所述的纳米-解聚集的纤维素，其进一步包含如图17-20所示的拉曼光谱。
7.根据权利要求2所述的纳米-解聚集的纤维素，采用Graff’s C染料，与纤维素I的透明染色相比，其进一步包含深色不透明的晶粒/细胞染色。
8.根据权利要求2所述的纳米-解聚集的纤维素，其进一步包含比相同酶浓度下的纤维素I更多的酶法水解转化为可溶性糖。
9.根据权利要求8所述的纳米-解聚集的纤维素，其中酶法水解转化为可溶性糖至少为70%。
10.根据权利要求8所述的纳米-解聚集的纤维素，其中酶法水解转化为可溶性糖至少为90%。
11.一种纳米-解聚集的纤维素，其具有以下特性：
a）如图10-16所示的，不同于纤维素I或纤维素II的在衍射角2Θ处的X射线衍射峰；
b）如图17-20所示的，不同于纤维素I或纤维素II的拉曼光谱峰；
c）如图23所示的，不同于纤维素I或纤维素II的NMR光谱峰；
d）水性介质中的稳定性；
e）比相同酶浓度下的纤维素I或纤维素II更多的酶法水解转化为可溶性糖；和
f）比纤维素I更强的Graff’s C染色颜色强度。
12.一种组合物，其包含根据权利要求11所述的纳米-解聚集的纤维素。
13.一种纸浆，其由具有根据权利要求12所述的组合物的纳米-解聚集的纤维素纤维制成。
14.根据权利要求13所述的纸浆，作为与纤维素I纤维手抄纸相比的手抄纸，其进一步包含两倍于纤维素I手抄纸的纸张厚度、空隙体积和液体保留，以及与纤维素I手抄纸的7秒相比的0.8秒的格利孔隙度。
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