超声波辅助酸法制备纳米薯渣纤维素的工艺研究

陆红佳 文红丽 刘 雄

(西南大学食品科学学院，重庆 400715)

超声波辅助酸法制备纳米薯渣纤维素的工艺研究

陆红佳 文红丽 刘 雄

(西南大学食品科学学院，重庆 400715)

为了提高甘薯加工副产品的高值化利用，以甘薯渣纤维素为原料，应用超声波辅助酸法制备纳米薯渣纤维素。通过对超声波功率、酸体积分数、酸解温度和酸解时间4个影响因素进行单因素及正交试验，获得了纳米薯渣纤维素的最佳制备条件，并通过透射电镜和X－射线衍射对其进行进一步的分析。结果表明:纳米薯渣纤维素制备的最佳工艺参数为超声波功率120 W、酸体积分数65%、酸解温度55℃、酸解时间120 min，此条件下纳米薯渣纤维素的产率为42.85%;纳米薯渣纤维素的形态表现为不规则球状，粒径在20～40 nm范围内，并且其仍具有纤维素的晶型，结晶度有明显的提高。

薯渣纤维素 纳米纤维素 超声波 酸水解

纳米纤维素(nanocrystal cellulose，NCC)可通过天然纤维素或微晶纤维素经强酸降解而制得。它不但具有纤维素的基本结构与性能，还具有纳米颗粒的特性，如巨大的比表面积、超强的吸附能力和高的反应活性，因此导致其性质与普通纤维素的性质有很大差异［1］。正由于纳米微晶纤维素具有特殊的光学特性、流变性和机械性能等性质，因此具有了很高的使用价值。作为独特的食品添加剂，其水分散体成为具有触变性的胶体，能为食品在任何温度下提供优异的冻融稳定性和热稳定性。由于颗粒细小，可极大地改善口感，可用于各类乳品、人造奶油等，赋予和增强各类食品乳化稳定性、不透明性以及悬浮稳定性等功能。由于纳米微晶纤维素有巨大的比表面积，具有很强的吸附能力，可用作药物载体，直接制备缓释药物;在涂料工业上利用纳米微晶纤维素在水中分散时具有的触变性和增稠性，可作为水基涂料的增稠剂和乳化剂［2－4］。

甘薯渣作为甘薯提取淀粉后的副产物，具有价格低廉，来源广和纯天然等特点。甘薯渣主要成分是淀粉和纤维素［5］，很好的纤维素源，提取得到的薯渣纤维素作为纳米薯渣纤维素的原料，不仅使得纳米纤维素的原料更加广泛，进一步扩大了薯渣的应用范围，同时大大提高了其附加值。目前国内对于纳米纤维素的研究较少，主要以棉纤维和微晶纤维素为原料，进行一些研究［6－8］;国外纳米纤维素的原料较广泛些，并且在应用方面有一些研究［9－12］，而以薯渣纤维素为原料制备纳米纤维素的鲜有报道。

本试验以薯渣纤维素为原料，采用超声波辅助酸法制备纳米薯渣纤维素，在单因素的基础上，进行正交试验来优化其制备条件，并通过透射电镜和X－射线衍射对其进行进一步的分析，以期快速、高效的获得纳米薯渣纤维素，为今后纳米纤维素的开发、应用及进一步的深入研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯渣:四川光友薯业有限公司提供;甘薯渣纤维素:自制;浓硫酸、氢氧化钠均为分析纯。

1.2 仪器与设备

YSC－701超微粉碎机:北京燕山正德机械设备有限公司;JA2003A型电子天平:上海精天电子仪器有限公司;KQ 3200DB型数控超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司;centrifuge 5810型台式高速离心机:德国艾本德(Eppendorf)股份公司;PHS－3型精密酸度计:上海大普仪器有限公司;GYB60－6s型高压均质机:上海东华高压均质机厂;H－7500型透射电子显微镜:日本日立公司;XD－3自动X射线粉末衍射仪:北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 纳米薯渣纤维素的制备［13－15］

准确称取1.00 g超微粉碎后过180目筛的薯渣纤维素，加入一定浓度的硫酸(料液比1∶10)，在一定温度下超声波辅助细化，反应一定时间后加入5倍蒸馏水稀释，离心(1 000 r/min，10 min)弃去沉淀物(水解度低、粒度较大的纤维素)，得到上层纳米级悬浊液，对悬浊液进行高速离心(11 000 r/min，15 min)，弃取上清液，沉淀物洗涤，至溶液呈弱酸性，碱中和后，再次离心(11 000 r/min，15 min)弃去上清液，加入100 mL蒸馏水搅匀后，用均质机在30 MPa的压力下均质，得到稳定的纳米薯渣纤维素悬浊液，干燥后即得纳米纤维素粉体。

1.3.2 纳米薯渣纤维素制备条件的选择

在相同的其他条件下，分别研究超声波功率(90、105、120、135、150 W)，酸体积分数(50%、55%、60%、65%、70%)，酸解温度(35、45、55、65、75 ℃)，酸解时间(30、60、90、120、150 min)，对纳米薯渣纤维素产率的影响。

在上述各条件下每个试验设置3次重复。

1.3.3 正交试验设计方法

在单因素的基础上，选取超声波功率、酸体积分数、酸解温度和酸解时间为考察因素，以纳米薯渣纤维素产率为指标，进行L9(34)正交试验，确定超声波辅助酸解条件下纳米薯渣纤维素的最佳制备条件。正交试验因素水平表见表1。

表1 L9(34)正交试验因素水平表

1.4 指标分析方法

1.4.1 纳米薯渣纤维素产率的计算

测量纳米薯渣纤维素悬浮液的总体积，用移液管吸取20 mL纳米薯渣纤维素悬浮液于已称量过的称量瓶中，在105℃烘箱中烘干至恒重，取出放入干燥器内冷却30 min，然后在电子天平上称重。

式中:m1为烘干后样品与称量瓶的质量/g;m2为称量瓶的质量/g;m3为原料的质量/g;V1为纳米薯渣纤维素悬浮液的总体积/mL;V2为移液管吸取纳米薯渣纤维素悬浮液的体积/mL。

1.4.2 纳米薯渣纤维素的微观形态［16］

通过透射电镜来观察，制备一定浓度的纳米薯渣纤维素悬浮液，用移液枪吸取适量样液滴在铜网上，室温下晾干后，用透射电镜观察其微观形貌，粒径大小。

1.4.3 纳米薯渣纤维素的结晶结构

采用X－射线衍射的方法，取适量制备好的粉末状被测样品，放入X－射线衍射槽内，在衍射角2θ=10～35°范围内扫描，波长=1.540 6 nm，扫描步宽为0.01°的条件下进行测定。结晶度的计算采用分峰法中的Scherrer公式进行计算［17］。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 超声波功率对纳米薯渣纤维素产率的影响

由图1可知，随着超声波功率的增加，纳米薯渣纤维素的产率呈现缓慢升高，主要由于超声波产生的空化效应、热效应和机械作用，使酸易于进入纤维素的内部发生反应，则纤维素的非结晶区被破坏，其更易被细化至纳米级［18］;当超声波功率超过120 W时，纳米薯渣纤维素产率几乎不增加，而趋于平缓，说明超声波功率超过一定值后，其对酸的水解作用影响不大。因此，从能耗及对纳米薯渣纤维素产率影响变化幅度方面考虑，选取105～135 W作为正交试验水平。

图1 超声波功率对纳米薯渣纤维素产率的影响

2.1.2 酸体积分数对纳米薯渣纤维素产率的影响

由图2可知，随着酸体积分数的增加，纳米薯渣纤维素的产率呈现先逐渐升高后趋于下降的趋势，出现这种现象的原因是酸体积分数较低时，大部分薯渣纤维素未被酸解细化，主要是由于纤维素具有比较稳定的结构，并且分子内和分子间具有较强的氢键作用，使得酸在体积分数较低时，难以将纤维细化成纳米级。随着酸体积分数的增加，薯渣纤维素的水解度不断增加，使得大部分薯渣纤维素被细化至纳米级［14］;当酸体积分数为65%时，纳米薯渣纤维素产率达到最高，此时，认为绝大部分的薯渣纤维素被细化，而超过此体积分数时，使得部分被细化的薯渣纤维素被进一步水解成葡萄糖或纤维二糖，从而使得纳米薯渣纤维素的产率有所下降，因此选取60%～70%作为正交试验水平。

图2 酸体积分数对纳米薯渣纤维素产率的影响

2.1.3 酸解温度对纳米薯渣纤维素产率的影响

由图3可知，随着酸解温度的增加，纳米薯渣纤维素的产率呈现先逐渐升高后趋于缓慢下降的趋势，当温度由35℃升高到55℃时，纳米薯渣纤维素的产率显著增加，说明温度的升高可以促进薯渣纤维素分子糖苷键发生断裂，使纤维素被细化，当温度为55℃时，产率最大。超过此温度时，使得薯渣纤维素的水解度增加，部分细化的纤维素发生进一步水解反应，生成葡萄糖，纳米薯渣纤维素的产率相应开始下降，其颜色开始变深，温度过高还会发生碳化现象［15］。综合考虑，选取45～65℃作为正交试验水平。

图3 酸解温度对纳米薯渣纤维素产率的影响

2.1.4 酸解时间对纳米薯渣纤维素产率的影响

由图4可知，随着酸解时间的增加，纳米薯渣纤维素的产率呈现先逐渐升高后趋于下降的趋势，主要是随着时间的增加，首先是薯渣纤维素的非结晶区逐渐被水解，同时在强酸的作用下，使得纤维素之间的键逐步发生断裂，被降解至纳米级［19］，纳米薯渣纤维素的产率不断增加，当酸解时间为120 min时，产率达最大;随着酸解时间的继续增加，薯渣纤维素开始发生均相水解反应，部分被细化到纳米级的纤维素又进一步被水解成葡萄糖，使得纳米薯渣纤维素的产率降低。综合考虑，选取60～120 min作为正交试验水平。

图4 酸解时间对纳米薯渣纤维素产率的影响

2.2 正交试验结果与分析

正交试验结果见表2，由极差分析结果可以看出，以纳米薯渣纤维素产率为指标，4个影响因素的主次关系为B＞C＞D＞A，即酸体积分数＞酸解温度＞酸解时间＞超声波功率，从而可选取出最优组合为A2B2C2D3，即超声波功率为120 W、酸体积分数65%、酸解温度55℃、酸解时间120 min，在上述最佳工艺参数下，进行验证试验得到的纳米薯渣纤维素产率为42.85%。

表2 L9(34)正交试验设计结果

2.3 纳米薯渣纤维素的微观形态

由图5可见，薯渣纤维素经酸处理后得到了纳米级的薯渣纤维素，从图5a中可以看到一个个纳米粒子之间有粘连和堆叠的现象，这是纳米粒子特有的团聚现象，主要是由于纳米薯渣纤维素的粒径非常小，比表面积很大，使得纳米粒子之间受到的范德华力更明显，另外粒子表面裸露的羟基也容易形成氢键，都是导致发生团聚的原因［20］。从图5b(图5a画圈部分放大后的纳米薯渣纤维素)中可以清晰的看到纳米薯渣纤维素的形态为不规则球形，直径均小于50 nm，大约集中在20～40 nm之间，表明所制得的纳米薯渣纤维素粒径较小。

图5 纳米薯渣纤维素透射电镜图

2.4 纳米薯渣纤维素的结晶结构分析

图6为薯渣纤维素和纳米薯渣纤维素的X－射线衍射曲线，从图6中可以看出它们的衍射峰的位置基本保持一致，在2θ角分别为16°和22.16°处出现极强的衍射峰，对应的为{101}晶面和{002}晶面的衍射吸收峰，从而说明薯渣纤维素细化到纳米级后，制得的纳米薯渣纤维素的晶型没有发生变化仍为典型的纤维素I的结晶结构［21］。根据Scherrer公式计算薯渣纤维素和纳米薯渣纤维素的结晶度分别为59.79%和72.53%，可以看出薯渣纤维素的结晶度较小，说明薯渣纤维素主要由非结晶区和结晶区构成，此时非结晶区占主要部分;而薯渣纤维素被细化至纳米级后，结晶度明显升高，说明薯渣纤维素在强酸的作用下其非结晶不断被破坏，结晶区较稳定，所占的比例不断升高，从而使得纳米薯渣纤维素的结晶度明显高于薯渣纤维素。

图6 薯渣纤维素和纳米薯渣纤维素的X－射线衍射图

3 讨论与结论

本试验采用的是超声波辅助酸法制备纳米薯渣纤维素，此法主要利用超声波的空化效应、热效应和机械作用，提高反应效率;最佳工艺参数为:超声波功率为120 W、酸体积分数65%、酸解温度55℃、酸解时间120 min，在上述最佳工艺参数下，纳米薯渣纤维素的产率为42.85%。

通过透射电镜分析，可以看出其形状为不规则球状，粒径大小在20～40 nm之间，同时由于粒径较小出现不同程度的粘连和堆叠现象;X－射线衍射对所制得的纳米薯渣纤维素的结晶结构分析表明其仍具有纤维素的晶型，而且结晶度有所提高。

纳米薯渣纤维素的制备也存在一定的问题，如制备的纳米薯渣纤维素发生团聚现象及制备过程中条件的苛刻性。因此，对纳米薯渣纤维素粒子的团聚机理还需要深入研究，从而有效防止团聚现象的发生，获得分散性好的纳米薯渣纤维素;同时如何降低制备纳米纤维素的苛刻条件，降低成本，使之产业化也是一个很重要的问题。

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Study on Preparation of Nanocrystal Cellulose by Ultrasonic－Assisted Acid

Lu Hongjia Wen Hongli Liu Xiong
(College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715)

In order to propel the value－added utilization of sweet potato as a by－product of sweet potato processing，sweet potato residue as raw material，used the ultrasonic － assisted acid method prepared nanocrystal cellulose.The optimal preparation technology based on the four factors of power of ultrasonic，acid concentration，acid hydrolysis temperature and acid hydrolysis time factors was investigated using single factor method combined with orthogonal array design，and the characteristics of nanocrystal cellulose were analyzed by TEM and XRD.The optimum hydrolysis conditions were determined to be:ultrasonic power 120 W，acid concentration 65%，acid hydrolysis temperature 55 ℃，and acid hydrolysis time 120 min.Under these optimal conditions，the yield of nanocrystal cellulose reached up to 42.85%;the shape was showed irregular sphere，particle size was between 20 and 40 nm，the crystallinity was increased，and they still have the cellulose crystal.

sweet potato residue cellulose，nanocrystal cellulose，ultrasonic，acid hydrolysis

TS209

A

1003－0174(2012)04－0096－05

四川省科技厅2009年科技支撑项目(2009NZ0077－005)

2011－07－21

陆红佳，女，1986年出生，硕士，食品化学与营养学

刘雄，男，1970年出生，教授，博士生导师，碳水化合物功能与利用，食品营养学