响应面试验优化苹果渣微晶纤维素制备工艺

郭美丽，罗仓学*

响应面试验优化苹果渣微晶纤维素制备工艺

郭美丽，罗仓学*

(陕西科技大学生命科学与工程学院，陕西 西安 710021)

研究利用苹果渣纤维素制备微晶纤维素的方法过程。在水解时间50min、水解温度100℃条件下，采用响应曲面设计法设计、分析，研究酸水解纤维素制备微晶纤维素时，各因素料液比、盐酸质量分数和次氯酸钠添加量及3因素间两两交互作用对微晶纤维素得率的影响。结果表明，各因素对得率影响的显著性表现为盐酸质量分数＞料液比＞次氯酸钠添加量。分析等高线和响应面，得出各因素两两之间的交互作用对得率都显著。通过求解回归方程得出最佳工艺条件为料液比1:25(g/mL)、盐酸质量分数6%、次氯酸钠添加量2.5mL/100mL，此条件下微晶纤维素制备得率达到69.5%。

微晶纤维素；得率；响应面试验

微晶纤维素(microcrystalline cellulose，MCC)是纤维素降解后聚合度达到平衡聚合度(level-off degree of polymerization，LODP)时的产物[1-2]。以酸水解法制备微晶纤维素是目前最常用的方法[3-5]，适当的酸解使纤维素分子中的1,4-葡糖苷键断裂，聚合度降低，并达到极限值(LODP)。这一过程中，纤维素分子内结构疏松的无定形区首先被破坏，使之发生重取向而成更为有序的状态，从而使纤维素材料微粉化甚至微晶化[1,6-7]。微晶纤维素是一种非常有价值的产品[8-9]，已广泛应用于医药、食品、化妆品、轻化工、农业等领域[10-13]，具有极大的市场潜力和广阔的开发前景。目前有关微晶纤维素的开发利用深受国内外研究者的关注。

随着微晶纤维素的广泛应用，利用酸水解法以稻草、蔗渣为原料制备微晶纤维素已成为研究者关注的开发利用途径。近年来，微晶纤维素的制备方法也得到了进一步的发展，有研究者已经成功利用酶水解法制备得到微晶纤维素，该方法制备得到的微晶纤维素聚合度相对较高[14]。本实验利用苹果渣纤维素制备微晶纤维素，并采用响应面设计法设计试验方案优化工艺条件[15]，旨在为苹果渣的高附加值利用途径提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果渣 陕西海升果汁厂；苹果渣纤维素由本实验室硝酸乙醇法提取制备；硝酸(分析纯)、98%乙醇、次氯酸钠(有效氯含量＞10%)、盐酸(分析纯)、CuSO4· 5H2O(分析纯)、氨水(分析纯)、0.5mol/L硫酸标准溶液、0.1mol/L硫代硫酸钠标准溶液、1mol/L氢氧化钠标准溶液、KI质量分数10%、葡萄糖、淀粉指示剂、甲基红指示剂、甲基橙指示剂、细铜丝。

1.2 仪器与设备

DV-III+可编程控制式流变仪、TC-502D可控温循环式水浴 美国Brookfield公司；85-2数显恒温磁力搅拌器 上海浦东物理化学仪器厂；101-2恒温鼓风干燥箱北京科伟永兴仪器有限公司；SHZ-O(Ⅲ)循环水式真空泵 巩义市予华仪器有限责任公司；KQ-200TDV型高频数控超声波清洗器 昆山市超声波仪器有限公司；MA50 Sartorius快速水分测定仪 德国Sartorius公司；HH-2型恒温水浴锅 金坛市富华电器有限公司；BS323S型电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 苹果渣纤维素的提取制备

利用碱液将苹果渣蒸煮、洗净晾干、粉碎过筛，然后采用硝酸-乙醇法[16]提取制备苹果渣纤维素，粉碎、过筛备用。

1.3.2 微晶纤维素的制备工艺流程

苹果渣纤维素→次氯酸钠漂洗→水洗→水解→水洗、醇洗、干燥→粉碎→微晶纤维素

1.3.3 单因素试验设计方案

1.3.3.1 水解时间的确定

在水解温度100℃、次氯酸钠添加量3mL/100mL、料液比1:25(g/mL)、盐酸质量分数5%条件下，水解10、20、30、40、50、60、70min，以水解达到平衡聚合度，即以水解产物样液的黏度达到稳定时为最佳水解时间。

1.3.3.2 料液比的确定

以微晶纤维素得率为指标，在水解温度100℃、次氯酸钠添加量3mL/100mL、水解时间50min、盐酸质量分数5%条件下，研究料液比1:15、1:20、1:25、1:30、1:35(g/mL)对微晶纤维素制备得率的影响。

1.3.3.3 盐酸质量分数的确定

料液比1:25(g/mL)，其他条件同1.3.3.2节，研究盐酸质量分数3%、4%、5%、6%、7%对微晶纤维素制备得率的影响。

1.3.3.4 次氯酸钠添加量的确定

料液比1:25(g/mL)，其他条件同1.3.3.2节，研究次氯酸钠添加量1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mL/100mL对微晶纤维素制备得率的影响。

1.3.4 响应曲面试验设计方案

依据单因素试验结果，选取料液比、盐酸质量分数、次氯酸钠添加量为试验因素，采用Design Expert 7.1.3软件设计三因素三水平试验方案。应用响应曲面分析法对试验结果进行分析，确定因素之间的交互作用对酸水解纤维素制备微晶纤维素得率的影响，优化利用苹果渣纤维素制备微晶纤维素的工艺。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 水解时间的确定

本实验中，将水解得到的样品用铜氨溶液将其溶解，配制成质量浓度0.04g/100mL的纤维素-铜氨溶液。最后应用DV-III+可编程控制式流变仪测定其黏度值来判断水解达到极限聚合度的时间。聚合度越高黏度越高，当纤维素水解成为微晶纤维素时，其聚合度下降到极限聚合度，则样品的铜氨溶液将出现黏度值由逐渐下降到趋于平衡的现象。

图1 样液黏度与水解时间的关系Fig.1 Viscosity change during hydrolysis

由图1可知，水解50min时，样液的黏度值由下降趋势转为趋于平缓。这说明在酸水解过程中，水解到50min时，纤维素已经降解到了微晶纤维素阶段，此时其聚合度也即微晶纤维素的极限聚合度，这个时间即为纤维素水解成微晶纤维素的时间。超过这个时间聚合度下降不大，如果继续水解，将使纤维素降解到低于微晶纤维素的极限聚合度阶段。所以纤维素水解到微晶纤维素最佳时间为50min。

2.1.2 料液比的确定

由图2可知，料液比在1:15～1:25(g/mL)时，微晶纤维素的得率缓慢提高。原因为当反应体系内液体的量较小时，水解液流动性小，不能充分地与纤维素颗粒表面接触，进而纤维素的非结晶区结构不能得到充分降解，微晶纤维素的得率不高。微晶纤维素的得率在料液比1:25(g/mL)时出现最大值后，随着液体量的增大水解强烈，有部分已经降解为葡萄糖，得率下降。所以料液比控制在1:25(g/mL)左右为宜。

图2 料液比与得率的关系Fig.2 Effect of material/liquid ratio on microcrystalline cellulose yield

2.1.3 盐酸质量分数的确定

由图4可知，次氯酸钠添加量从1.0mL/100mL增加到2.0mL/100mL时，得率逐渐升高，大于2.0mL/100mL之后，得率开始迅速升高。达到2.5mL/100mL时得率最大，之后开始缓慢降低。这是因为纤维素经次氯酸钠漂洗后，水洗不完全，残余的ClO-伴随着盐酸的加入形成HClO，会辅助盐酸降解纤维素使其生成微晶纤维素，从而使其得率有所升高。但是，随着次氯酸钠添加量的升高，水洗之后，ClO-残余量也会有所增加，之后水解工艺中盐酸的加入，体系内的HClO量也迅速增加，辅助盐酸水解纤维素降解严重，微晶纤维素得率降低。所以次氯酸钠的添加量控制在2.5mL/100mL左右为宜。

2.2 苹果渣微晶纤维素制备工艺响应曲面分析

采用Box-Behnken模型以微晶纤维素得率为指标，在水解时间50min、水解温度100℃的条件下，选取料液比(X1)、盐酸质量分数(X2)、次氯酸钠添加量(X3)进行三因素三水平响应面分析试验。试验方案及结果见表1、2。由图3可知，随着盐酸质量分数的增大，微晶纤维素得率先增大后减少。在盐酸质量分数5%时，得率出现最大值。分析其原因，当盐酸质量分数较小时，

图3 盐酸质量分数与得率的关系Fig.3 Effect of hydrochloric acid concentration on microcrystalline cellulose yield

表1 苹果渣微晶纤维素制备响应面试验因素水平及编码Table 1 Variables and their coded levels in CCD design

反应体系内酸性环境不强，纤维素降解力度不够，生成微晶纤维素的得率不高。但是当盐酸的质量分数较高时，使得纤维素严重降解，微晶纤维素的得率降低。所以盐酸质量分数5%左右为宜。

2.1.4 次氯酸钠添加量的确定

图4 次氯酸钠添加量与得率的关系Fig.4 Effect of the amount of added sodium hypochlorite on microcrystalline cellulose yield

表2 苹果渣微晶纤维素制备响应面试验方案及结果Table 2 CCD design scheme and corresponding experimental results

各因素经多元回归拟合，得回归方程：

从表3分析结果看，模型P＜0.0001，表明该二次方程模型极显著，可以应用进行工艺条件的优化。各因素中盐酸质量分数影响极显著，料液比影响显著，次氯酸钠添加量影响不显著。在所选取的各因素水平范围内，按照对指标值的影响排序：盐酸质量分数＞料液比＞次氯酸钠添加量。

表3 回归模型方差分析表Table 3 Analysis of variance of established regression model for microcrystalline cellulose yield

2.2.1 盐酸质量分数与料液比交互作用对得率的影响

图5 料液比和盐酸质量分数对得率影响的等高线和响应面Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of hydrochloric acid concentration and material/liquid ratio on microcrystalline cellulose yield

由图5可知，在次氯酸钠添加量2.5mL/100mL时，结合等高线和响应面分析，料液比的最佳水平为1:25(g/ mL)。由等高线图中的料液比为1:25(g/mL)点向着椭圆圆心辐射，在盐酸质量分数为6%时两线相交于椭圆的圆心，得率存在一个最大值。同样从响应面图也可以看出在料液比与盐酸质量分数的交互作用下存在一个得率最大值。当料液比一定时，随着盐酸质量分数的升高，得率逐渐升高。而当盐酸质量分数一定时，得率随着料液比的增大先升高后又降低。

2.2.2 料液比与次氯酸钠添加量的交互作用对得率的影响

图6 次氯酸钠添加量与料液比对得率影响的等高线和响应面Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of the amount of added sodium hypochlorite and material/liquid ratio on microcrystalline cellulose yield

由图6可知，在盐酸质量分数5%时，料液比与次氯酸钠添加量的交互作用与得率呈抛物线型关系，且存在一个极大值点。由等高线图可以看出，该等高线接近圆形图案，可以推出其两因素的交互作用对得率影响极显著，从回归方程中也可以看出此二次项呈高度显著性(P＜0.01)。得率随着料液比与次氯酸钠添加量的增加先升高后降低。这是因为料液比与次氯酸钠添加量太低时，水解力度不够，纤维素不能够降解为微晶纤维素，所以得率低。但是当料液比与次氯酸钠添加量太高时，纤维素降解力度太大，有部分水解为葡萄糖单体，得率反而降低。

2.2.3 次氯酸钠添加量与盐酸质量分数的交互作用对得率的影响

图7 次氯酸钠添加量与盐酸质量分数对得率影响的等高线和响应面Fig.7 Response surface and contour plots showing the effects of the amount of added sodium hypochlorite and hydrochloric acid concentration on microcrystalline cellulose yield

由图7可知，在料液比1:25(g/mL)情况下，盐酸质量分数一定时，得率随着次氯酸钠添加量的增大先迅速升高后又迅速降低，这是因为在用次氯酸钠漂洗纤维素工艺后，水洗不够彻底时残存的ClO-伴随着盐酸的加入形成HClO，而HClO会辅助盐酸部分氧化降解纤维素，但是当次氯酸钠添加量增高时，ClO-的残存量也相应增高，纤维素的氧化降解严重，使得率降低。而当次氯酸钠添加量一定时，得率随着盐酸质量分数的增大缓慢升高。

2.3 最佳工艺条件的确定与验证

表4 模型的验证结果Table 4 Results of verification of optimal conditions

通过Design Expert 7.1.3软件求解回归方程，求得最佳料液比1:25.45、盐酸质量分数6%、次氯酸钠添加量2.53mL/100mL，此时预测得率的理论值为70%。考虑到实际操作性，选最佳料液比1:25(g/mL)、盐酸质量分数6%、次氯酸钠添加量2.5mL/100mL，为检验结果的可靠性，采用最佳条件做验证实验，得率可达69.5%，与理论值基本一致。

进一步验证该方程的有效性和合适性，随机做6组验证实验，其结果见表4。利用SPSS 17.0软件对数据做相关性分析，实际值与预测值的相关系数为0.996。说明该方程与实际情况拟合很好，该模型可以用来优化工艺。

3 结 论

利用苹果渣纤维素酸水解制备微晶纤维素，当水解温度100℃、水解时间50min时，通过响应曲面设计试验方案，建立回归模型。依据回归分析确定各工艺条件的影响因素，确定工艺间的交互作用对得率的影响。通过求解回归方程得出最佳工艺条件为料液比1:25(g/mL)、盐酸质量分数6%、次氯酸钠添加量2.5mL/100mL，在此工艺条件下，微晶纤维素制备的得率可达69.5%。

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Optimization of the Preparation of Microcrystalline Cellulose from Apple Pomace

GUO Mei-li，LUO Cang-xue*
(College of Life Science and Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

Rinsing with sodium hypochlorite and hydrolysis with hydrochloric acid are two key procedures for the preparation of microcrystalline cellulose from apple pomace. In the present study, based on single factor experiments, by which hydrolysis time of 50 min and temperature of 100 ℃ were determined, the pairwise interactive effects of material/liquid ratio, hydrochloric acid concentration and the amount of sodium hypochlorite addition on microcrystalline cellulose yield were discussed by central composite design (CCD) in combination with response surface analysis. The significance of the above three factors affecting microcrystalline cellulose yield decreased in the following order: hydrochloric acid concentration ＞ material/liquid ratio ＞ the amount of added sodium hypochlorite. Analysis based on response surface and contour plots showed that all the pairwise interactions significantly affected microcrystalline cellulose yield. The regression equation based on the results from CCD design was resolved, and the results indicated that the optimal amount of added sodium hypochlorite for rinsing apple cellulose was 2.5 mL/100 mL, and that the optimal hydrolysis effect was achieved by the use of 6% hydrochloric acid to hydrolyze the substrate diluted 25-fold by volume. Under these conditions, a microcrystalline cellulose yield of 69.5% was obtained.

microcrystalline cellulose；yield；response surface analysis

TQ353.423

A

1002-6630(2011)04-0054-05

2010-04-19

科技部科研院所技术开发研究专项(NCSTE-2007-JKZX-317)

郭美丽(1984—)，女，硕士研究生，研究方向为食品加工及资源综合利用。E-mail：guomeili2011@126.com

*通信作者：罗仓学(1959—)，男，教授，硕士，研究方向为食品加工及资源综合利用。E-mail：luocx@sust.edu.cn