石榴废弃物为资源制备微晶纤维素及膳食纤维工艺研究

施欢贤， 张严磊， 宋忠兴， 唐志书*

（陕西中医药大学，陕西省中药资源产业化协同创新中心/陕西省中药基础与新药研究重点实验室，陕西 咸阳 712083）



石榴废弃物为资源制备微晶纤维素及膳食纤维工艺研究

施欢贤， 张严磊， 宋忠兴， 唐志书*

（陕西中医药大学，陕西省中药资源产业化协同创新中心/陕西省中药基础与新药研究重点实验室，陕西 咸阳 712083）

摘 要：以石榴皮为原料，硝酸―乙醇法提取纤维素，稀盐酸水解纤维素制备微晶纤维素。在单因素实验的基础上采用正交试验法研究盐酸浓度（A）、料液比（B）、水解温度（C）、水解时间（D）对微晶纤维素得率的影响。结果显示，制备石榴皮微晶纤维素的最佳工艺条件为：盐酸浓度 9%，料液比1∶15，水解温度100℃，水解时间1.5 h。微晶纤维素的聚合度为287.12 L/g，结晶度为82.69%，工艺条件稳定，产品性能优良。以石榴果肉渣为原料，碱法提取膳食纤维，研究NaOH浓度（A）、料液比（B）、提取温度（C）、对膳食纤维提取效率的影响，结果显示最佳提取工艺条件为：温度100℃，料液比1∶5，NaOH浓度5%。石榴果肉渣膳食纤维完全为可溶性膳食纤维，该膳食纤维为淡黄色的结晶粉末，其持水力与溶胀性分别高达8.7 g/g与15.5 mL/g。

关键词：石榴废弃物；资源化开发；微晶纤维素；膳食纤维

微晶纤维素（MMC）是天然纤维素水解至极限聚合度的一种纤维素的新形式，具多种优良的性能，因此被广泛应用与食品、药物、化工等各个领域，尤其是重要的药物辅料，具有广阔的市场需求［1］，因此开发微晶纤维素是目前的研究热点之一。方培蓉等［2］以提取的椰子中果皮纤维素为原料，盐酸水解制备微晶纤维素，工艺条件为：水解温度100℃、水解时间70 min、盐酸质量分数7%、料液比1∶15 （g/mL） ，在此条件下，微晶纤维素得率为97.50%；韩颖等［3］用酸法制备芦苇微晶纤维素，制备工艺条件为：盐酸质量分数6%，水解时间60 min，水解温度80℃，液比1∶10；产物聚合度为270.6 L/g，结晶度为73.2%，得率为85.4%。作为功能性食品的基料之一，膳食纤维因其独特的降血糖、控制体重、调节肠道菌群等多种功能和作用［4］，越来越受到关注。膳食纤维主要通过水解豆类及果蔬中的多糖及木质素制备［5-6］，水解方法有酶法与化学法等［7-8］。化学法中，碱解醇沉因操作简单、易于控制，因此在膳食纤维制备研究与工业化生产中广泛应用［9-12］。

石榴（Punica granarum L.）又名安石榴、丹若等，在我国各地广泛分布［13］。石榴是美味可口的水果，果肉富含花青素及多可溶性多酚化合物、丹宁、花色素苷等，具有抗动脉粥样硬化的特性［14］；石榴皮是中国传统中药材，主治疗细菌性痢疾、真菌引起的皮肤疾病以及多种感染性疾病［15-16］，从石榴皮中提取的多酚、多糖等活性成分被证明有种药理活性［17-18］；石榴籽油具有有抗氧化、抗癌、增强免疫力、保护心脑血管独特的生理活性［19］。因此，目前对石榴的开发应用方面，除当做新鲜水果外，以石榴皮提取活性成分、石榴果肉榨汁、石榴籽榨油为主。加工过程中会产生大量的果皮、果肉残渣，是制备微晶纤维素、膳食纤维的优良材料，但是目前鲜见对这些废弃物进行开发利用的研究，大多被当做废弃物丢弃，一方面污染环境，另一方面造成了资源浪费。

因此，本文以石榴加工废弃物―石榴皮残渣为原料，硝酸―乙醇法提取纤维素，稀盐酸水解纤维素制备微晶纤维素；石榴果肉残渣碱解醇沉法制备膳食纤维。通过单因素实验和正交试验优化工艺，并测定微晶纤维素与膳食纤维的的主要性能指标，为石榴产业的开发利用提供新的途径。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：新鲜成熟石榴采自陕西省西安市临潼区，果皮与果肉分离，果皮烘干备用，果肉打浆分离果肉与籽、果肉榨汁、过滤、果肉渣干燥后备用；95%乙醇、无水乙醇、去离子水等试剂及溶剂均为分析纯。

仪器：HH-4型电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；101-1电热鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；Mastersizer 3000粒度分析仪，英国Malvern公司。

1.2 实验方法

1.2.1 石榴皮微晶纤维素渣纤维素的制备

参考文献［2-3］的方法：将石榴皮干燥、粉碎，每次取5 g，料液比1∶20加入硝酸乙醇混合溶液，在80℃下回流，每次2 h，重复三次，直至固体变白后抽滤，蒸馏水将滤渣洗至中性后，乙醇洗涤，而后干燥粉碎得石榴皮微晶纤维素渣纤维素。 ［2-3］的方法：将石榴皮纤维素，按照一定料液比加入稀盐酸，在设定温度下水解一定时间，而后加入两倍体积的蒸馏水，抽滤，滤饼蒸馏水洗至中性，干燥粉碎即得石榴皮微晶纤维素。

1.2.2 石榴皮微晶纤维素渣微晶纤维素的制备

微晶纤维素得率/ %=微晶纤维素的质量（g）/石榴皮微晶纤维素渣纤维素的质量（g）×100

1.2.3 单因素实验

盐酸浓度对微晶纤维素得率的影响：每份石榴皮微晶纤维素渣纤维素分别加入质量分数1%、3%、5%、7%、9%、11%的稀盐酸，料液比1∶5，温度80℃，时间1 h。料液比对微晶纤维素得率的影响：每份石榴皮微晶纤维素渣纤维素分别加入料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，浓度7%的盐酸，温度80℃，时间1 h。温度对微晶纤维素得率的影响：每份石榴皮微晶纤维素渣纤维素分别在50、60、70、80、90、100℃的温度下，加入浓度为7%的盐酸，料液比1∶10，时间1 h。时间对微晶纤维素得率的影响：每份石榴皮微晶纤维素渣纤维素分别水解0.5、1、1.5、2、2.5 h，盐酸浓度7%，料液比1∶5，温度90℃。在此基础上设计正交试验，考查盐酸浓度（A）、料液比（B）、水解温度（C）、水解时间（D）对微晶纤维素得率的影响，确定石榴皮微晶纤维素渣微晶纤维素制备最佳工艺。

1.2.4 正交实验设计

由于微晶纤维素制备是用稀酸水解纤维素至极限聚合度，因此最佳的工艺条件应该选择微晶纤维素产率稳定的区域，这个条件下纤维素水解充分，而产率最高的点恰恰是是纤维素水解最不彻底的点，因此设计正交实验因素及水平时应该考虑以产率最低的条件为最佳试验条件。

根据单因素试验结果设计正交实验，正交实验因素及水平如表1所示。

表1 正交实验因素及水平

1.2.5 碱解醇沉法制备石榴果肉膳食纤维

石榴果肉渣烘干，每次取5 g，以一定料液比，加入一定浓度的NaOH溶液（一定的水浴温度），果肉完全水解后抽滤，滤液浓缩，5%双氧水脱色，加入4倍量95%乙醇，结晶，抽滤、晶体粉碎即为石榴果肉渣膳食纤维。

1.2.6 提取条件的优化

氢氧化钠浓度对石榴果肉膳食纤维提取效率的影响：每份石榴果肉渣分别加入浓度为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%的NaOH溶液，料液比1∶5，提取温度30℃。料液比对膳食纤维提取效率的影响：每份石榴果肉渣分别加入料液比为1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10的NaOH溶液，NaOH浓度5%，提取温度30℃。提取温度对膳食纤维提取效率的影响：每份石榴果肉渣分别置于温度为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃的水浴中，料液比1∶5，NaOH浓度5%。以水解完全所需时间为指标，考查NaOH浓度、料液比、提取温度对膳食纤维提取效率的影响，确定膳食纤维的最佳提取工艺。

1.2.7 膳食纤维性质测定

持水力测定：准确称取经粉碎的可溶性膳食纤维1.00 g放入烧杯中，加入蒸馏水100 mL，在室温下，电磁搅拌24 h后，加入4倍体积无水乙醇沉淀，抽滤，称质量。按式（1）计算持水力。

溶胀力测定：准确称取可溶性膳食纤维1.00 g，测量其体积。用移液管准确移取100 mL的蒸馏水加入其中，振荡均匀后置室温下放置24 h，加入4倍体积无水乙醇，测量液体中沉淀的膳食纤维体积。按式（2）计算溶胀力。

2 结果与讨论

2.1 石榴皮微晶纤维素制备单因素实验及结果

2.1.1 盐酸浓度对微晶纤维素得率的影响

盐酸浓度对微晶纤维素得率的影响如图1所示。由图1可知，微晶纤维素的得率是随着盐酸浓度的增加而降低的，这是因为盐酸浓度增大有利于纤维素的降解，在盐酸浓度大于 7%后趋于稳定，因此选择盐酸质量分数7%为最佳试验浓度。

2.1.2 料液比对微晶纤维素得率的影响

料液比对微晶纤维素得率的影响如图2所示。由图2可知，随着料液比的增加，微晶纤维素的得率一直下降，但是总体上料液比对微晶纤维素得率影响较小。料液比大于1∶10之后，微晶纤维素得率趋于稳定，变化很小，因此选择1∶10为最佳试验料液比。

图1 盐酸浓度对微晶纤维素产量的影响

图2 料液比对微晶纤维素产量的影响

2.1.3 温度对微晶纤维素得率的影响

温度对微晶纤维素得率的影响如图3所示。由图3可知，随着温度的升高，微晶纤维素的得率变化很快，但是温度超过 90℃以后，随着温度的升高，得率下降趋缓，考虑到节能等因素，从而选择 90℃为最佳试验温度。

2.1.4 时间对微晶纤维素得率的影响

时间对微晶纤维素得率的影响结果如图4所示。由图4可知，微晶纤维素的得率随着水解时间的延长而降低很快，在超过1.5 h时得率趋于稳定，此后随着时间的延长，产量基本不再减少，因此选择1.5 h为最佳试验时间。

图3 温度对微晶纤维素产量的影响

图4 时间对微晶纤维素产量的影响

2.1.5 正交试验及结果

单因素实验的基础上，以微晶纤维素产率为标准设计正交试验，正交试验设计因子水平及结果如表 2所示。由于微晶纤维素制备是用稀酸水解纤维素至极限聚合度，因此最佳的工艺条件应该选择微晶纤维素产率最低的条件，此时纤维素水解程度最高，最接近极限聚合度。

由正交试验的K值及R值可见，四个因素对微晶纤维素产量影响的大小为A＞C＞B＞D，即盐酸浓度＞反应温度＞料液比＞反应时间。优选出微晶纤维素得率最低的试验条件为 A3B3C3D2，即盐酸质量分数9%、料液比为1∶15、温度100℃、反应时间1.5 h。

表2 正交实验结果

2.1.6 最佳工艺条件稳定性试验

在最佳工艺条件下，进行三次平行试验进行稳定性验证，其结果如表3所示。由表3可知，在最佳工艺条件下，微晶纤维素的得率为30.88%，工艺条件稳定。

表3 最佳条件稳定性试验

2.1.7 最佳工艺条件下产品性能测试

由表4可知，在最佳工艺条件下，微晶纤维素的聚合度为287.12 L/g，结晶度为82.69%，工艺条件稳定，产品性能优良。另外，使用Mastersizer 3 000粒度分析仪，对石榴皮微晶纤维素的粒径进行了测试，结果显示石榴皮微晶纤维素粒度均小于1 000 μm。

表4 产品性能

2.2 石榴果肉渣膳食纤维制备工艺的优化

2.2.1 氢氧化钠浓度对膳食纤维提取效率的影响

由图5可知，提取温度30℃、料液比1∶5的条件下，石榴果肉膳食纤维的提取时间随着氢氧化钠浓度的增加而减少。但是随着氢氧化钠浓度的增大，水解液颜色加深，后续脱色变得困难，导致最终产物的外观颜色欠佳，且由图5可知，氢氧化钠浓度在大于5以后曲线的变化趋缓，因此综合考虑选择5%为最佳氢氧化钠浓度。

图5 氢氧化钠浓度对膳食纤维提取效率的影响

2.2.2 料液比对膳食纤维提取效率的影响

在确定了氢氧化钠浓度之后，对料液比进行了优化选择，结果如图6所示。由图6可知，NaOH浓度5%、温度30℃条件下，料液比小于1∶5石榴果肉膳食纤维的提取时间随着料液比的增大变化显著，应该是料液比越大，更有利于膳食纤维的溶出，当料液比大于 1∶5后，虽然也有变化，但是整体上影响特别小，且考虑到大的料液比会给后续浓缩及醇沉带来麻烦，因此选择1∶5为最佳的料液比。

图6 料液比对膳食纤维提取效率的影响

2.2.3 提取温度对膳食纤维提取效率的影响

通过对氢氧化钠浓度及料液比的优化选择，石榴膳食纤维的提取效率大大提高，在此基础上对温度进行优化选择，结果如图7所示。由图7可知，在料液比为1∶5，氢氧化钠浓度5%的条件下，膳食纤维的提取效率随温度的变化尤其显著，温度低于80℃的条件下，膳食纤维的提取时间随温度变化稍缓，温度大于80℃以后时间骤然缩短，尤其当温度提高到100℃时，水解可以在15 min之内完成，因此选择100℃为最佳提取温度。

图7 提取温度对膳食纤维提取效率的影响

2.2.4 石榴果肉渣膳食纤维的性能指标

通过条件筛选与优化，得出石榴果肉渣碱解醇沉制备膳食纤维的工艺条件为：氢氧化钠浓度 5%，料液比1∶5，提取温度100℃，在此条件下，15 min内果肉渣可以被完全水解，后经5%双氧水脱色，95%乙醇醇沉制得石榴果肉膳食纤维粉。

与常见的制备膳食纤维原材料相比，石榴果肉所含的膳食纤维完全为可溶性膳食纤维，对其进行了持水力与溶胀性的性能检测，结果如表5，由表5可知，该膳食纤维为淡黄色的结晶粉末，其持水力与溶胀性分别高达8.7 g/g与15.5 mL/g，远远高于文献报道的其他原料制备的膳食纤维。

表5 石榴果肉渣膳食纤维的性能指标

3 结论

以石榴皮残渣制备药用辅料微晶纤维素；果肉榨汁后的残渣为原料制备膳食纤维。优选出微晶纤维素最佳工艺条件为：盐酸质量分数9%，料液比为1∶15，温度100℃，反应时间1.5 h，微晶纤维素的聚合度为287.12 L/g，结晶度为82.69%，工艺条件稳定，产品性能优良；碱解醇沉法制备石榴果肉渣的最佳提取工艺条件为：温度100℃，料液比为1∶5，NaOH浓度5%。石榴果肉渣膳食纤维完全为可溶性膳食纤维，该膳食纤维为淡黄色的结晶粉末，其持水力与溶胀性分别高达8.7 g/g与15.5 mL/g，远远高于文献报道的其他原料制备的膳食纤维，具有很好的开发潜力。研究为石榴资源的综合开发利用、提高石榴资源的经济附加值提供了新的途径。

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中图分类号：TS201.2

文献标识码：A

文章编号：1004-8405（2016）02-0052-08

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.02.01

收稿日期：2015-09-14

基金项目：国家自然科学基金项目（81373978）；国家十二五“重大新药创制”科技重大专项（2011ZX09401-308-036，2011ZX09401-308-037）；陕西省协同创新计划项目（2015xt-52）。

作者简介：施欢贤（1991～），男，硕士研究生；研究方向：中药学。940516359@qq.com

* 通讯作者：唐志书（1972～），男，博士，教授；研究方向：中药药剂学。tzs6565@163.com

Preparation of Microcrystalline Cellulose and Dietary Fiber using the Waste of Pomegranate as the Raw Material

SHI Huan-xian， ZHANG Yan-lei， SONG Zhong-xing， TANG Zhi-Shu*
（Shaanxi Collaborative Innovation Center of Industrialization of Traditional Chinese Medicine Resources / Shaanxi Key Laboratory of New Drugs and Bioactive Constituents of Traditional Chinese Medicine， Shaanxi University of Chinese Medicine； Xian yang 712083， China）

Abstract:Cellulose was prepared from the skin of the pomegranate by the method of nitric acid-ethanol， it was then dealt with hydrochloric acid to obtain microcrystalline cellulose. Based on single factor tests， effect of concentration of hydrochloric acid （A）， ratio of material to liquid （B）， hydrolysis temperature （C）， hydrolysis time （D） on the yield of microcrystalline cellulose was studied by orthogonal test. The optimized process for preparing the microcrystalline cellulose of the pomegranate was: hydrochloric acid 9%， ratio of material to liquid 1∶15，reaction time 1.5 h， and reaction temperature 100℃. The polymerization degree and crystallinity of the microcrystalline cellulose was 287.12 L/g and 82.69% respectively. The dietary fiber was extracted from the pulp of the pomegranate. The effects of NaOH concentration （A）， ratio of material to liquid （B）， extraction temperature （C） on the extraction efficiency of dietary fiber were studied. The results showed that the optimized condition was: ratio of material to liquid 1∶5 at 100℃ with NaOH concentration of 5%. The dietary fiber of the pomegranate pulp was completely soluble dietary fiber， it was a light yellow crystalline powder， Its water holding capacity and swelling were as high as 8.7 g/g and 15.5 mL/g respectively.

Key words:pomegranate waste； resource development； microcrystalline cellulose； dietary fiber