苹果渣纤维素提取工艺的优化

陈雪峰， 李列琴， 熊正宇， 宋晓科， 黄梦姣

(1.陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安　710021； 2.陕西海升集团， 陕西 西安　710100)

0　引言

作为我国苹果种植及加工的重要基地，陕西省年均苹果产量可达近一千万吨以上[1].伴随着苹果产量的增长，浓缩苹果汁加工业日益壮大，但其加工过程中产生的下脚料——苹果渣也日益剧增.现阶段，苹果渣除晒干作为动物饲料使用外，其它利用途径较少，且其生物降解产物会对环境造成一定程度的污染[2]，因此，苹果渣的综合利用成为了困扰我省经济及环境可持续发展的难题.苹果渣中膳食纤维素是一类占比较大的物质，约占果渣总成分的60%～80%[3,4]，这类物质的有效利用是提高苹果渣综合利用价值的关键突破口.

纤维素属于苹果渣不溶性膳食纤维，约占果渣总成分的35%[5],它虽不能被人体分解与利用，但在调节人体胃肠道消化、调节血糖等方面具有重要的作用，极具开发价值.本研究以提取过水溶性膳食纤维的苹果残渣为原料，采用碱法提取苹果渣纤维素，进一步通过单因素、正交试验对其工艺进行优化，旨在提取高含量的苹果渣纤维素为其更广泛的应用提供技术支撑，同时也为实现苹果渣的梯次高值利用开辟新途径.

1　材料与方法

1.1　材料与试剂

苹果渣(已去除水溶性膳食纤维)，安徽砀山海升果业有限责任公司；氢氧化钠、浓盐酸、无水乙醇、丙酮、冰乙酸、硫代硫酸钠、重铬酸钾、碘化钾，均为分析纯，天津市天力化学试剂有限公司；硝酸，分析纯，淄博化学试剂厂；淀粉，分析纯，西安化学试剂站；溴化钾，光谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司.

1.2　仪器与设备

101-1AB型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；电子天平，余姚市金诺天平仪器有限公司；CT15RT台式高速冷冻离心机，上海天美生化仪器设备工程有限公司；SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵，郑州科丰仪器设备有限公司；THZ-C-1全温振荡器，太仓市实验设备厂；FEI Q45+EDAX Octane Prime环境扫描电子显微镜+能谱仪，美国FEI和EDAX；VECTOR-22傅立叶红外光谱仪，德国布鲁克Bruker公司.

1.3　实验方法

1.3.1苹果渣预处理

称取一定量去除水溶性膳食纤维的苹果渣(过80目筛)，按比例1∶20(g/mL)加入浓度为4%(w/v)的氢氧化钠溶液，并于45 ℃反应1.5 h，水洗至中性，抽滤.向滤渣中加入相同比例的体积分数为2%(v/v)的盐酸溶液，60 ℃反应1.5 h，水洗至中性，弃去滤液.滤渣分别用无水乙醇和丙酮各洗涤2次，水洗至中性，弃去滤液，滤渣于60 ℃烘干即得苹果渣不溶性膳食纤维[6].

1.3.2碱法[7-9]提取纤维素单因素实验

称取一定量经过预处理的苹果渣样品(过20目筛)，按特定比例加入适当浓度的氢氧化钠溶液，于一定温度、160 r/min条件下反应一定时间，水洗至中性，弃去滤液，滤渣于60 ℃烘干即得苹果渣纤维素.采用改进后的72%浓硫酸水解法[10]测定所得样品中的纤维素含量.

(1)氢氧化钠浓度对纤维素含量的影响：向经过预处理的苹果渣样品中分别加入浓度为8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%(w/v)的氢氧化钠溶液，设定反应的料液比均为1∶20(g/mL)，反应时间为20 h，反应温度为45 ℃，测定该条件下反应后干燥样品中的纤维素含量.

(2)料液比对纤维素含量的影响：向经过预处理的苹果渣样品中分别按料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g/mL)加入14%(w/v)氢氧化钠溶液，设定反应时间均为20 h，温度为45 ℃，测定该条件下反应后干燥样品中的纤维素含量.

(3)提取时间对纤维素含量的影响：向经过预处理的苹果渣样品中加入浓度为14%(w/v)的氢氧化钠溶液，设定反应的料液比均为1∶20(g/mL)，温度为45 ℃，提取时间分别为5 h、10 h、15 h、20 h、25 h，测定该条件下反应后干燥样品中的纤维素含量.

(4)提取温度对纤维素含量的影响：控制试验的反应温度分别为：30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃，设定氢氧化钠溶液的浓度均为14%(w/v)，料液比为1∶20(g/mL)，反应时间为20 h，测定该条件下反应后干燥样品中的纤维素含量.

1.3.3碱法提取纤维素正交试验

依据单因素实验的结果，确定氢氧化钠浓度(w/v)、料液比(g/mL)、时间(h)、温度(℃)为主要因素，纤维素含量为评价标准，通过四因素三水平正交试验进一步优化纤维素提取工艺.试验因素水平表如表1所示.

表1　苹果渣纤维素提取正交试验因素水平表

1.3.4纤维素扫描电镜(SEM)分析

利用导电胶将原料果渣及纤维素样品分别固定于载物盘中并喷金.仔细观察样品颗粒的形貌，拍摄相应倍数的电镜照片，进行分析.

1.3.5纤维素红外光谱(FTIR)分析

准确称取纤维素样品3 mg，并将其与300 mg已烘干至恒重的溴化钾粉末混合均匀，研磨压片，然后于4 000～400 cm-1下进行吸收光谱扫描，分析校准后的扫描光谱图.

2　结果与讨论

2.1　碱法提取条件对纤维素含量的影响

2.1.1氢氧化钠浓度对纤维素含量的影响

图1为纤维素含量随氢氧化钠浓度变化的趋势图.由图1可知，随着氢氧化钠浓度的不断升高，纤维素含量先增大后减小.浓度在8%～14%(w/v，下同)之间时，纤维素含量不断增加，差异显著(P<0.05，下同).浓度为14%时，纤维素含量出现最大值，为42.04%.浓度高于14%时，纤维素含量则显著降低.可能的原因是较低浓度的碱液对纤维素中残留的半纤维素、木质素等杂质具有降低聚合度、促进分离的作用[11]；但碱液浓度过高时，部分纤维素会因降解而损失[12]，导致其含量下降.因此，综合考虑确定氢氧化钠浓度为14%.

图1　氢氧化钠浓度对纤维素含量的影响

2.1.2料液比对纤维素含量的影响

图2为纤维素含量随料液比变化的趋势图.由图2可知，纤维素含量随料液比的增加呈先增后降趋势，差异显著.料液比为1∶20(g/mL，下同)时，纤维素含量达到最大值为42.25%.料液比大于1∶20时，纤维素含量显著降低.说明碱液的加入量对于纤维素含量增加的促进作用存在一个饱和点，即料液比1∶20.超过该饱和点纤维素可能会由于被碱液部分降解而导致其含量降低[13].因此，综合考虑确定该反应的料液比为1∶20.

图2　料液比对纤维素含量的影响

2.1.3提取时间对纤维素含量的影响

图3为纤维素含量随提取时间变化的趋势图.由图3可知，5～15 h之间，随反应时间的增加纤维素含量增加缓慢，15 h以后，纤维素含量显著增加.20 h时，纤维素含量达到最大值为42.64%.该变化说明此反应前期进程较为缓慢，15 h之后有效反应才真正开始.这可能是因为纤维素是一种高聚合度物质[14]，其充分反应的条件是必须经历前期聚合度降低的过程.因此，提取纤维素所需的时间较长，与其本身的性质息息相关.综合考虑，确定反应时间为20 h.

图3　提取时间对纤维素含量的影响

2.1.4提取温度对纤维素含量的影响

图4为纤维素含量随提取温度变化的趋势图.由图4可知，温度对纤维素含量影响较大.具体表现为：30 ℃～50 ℃之间，纤维素含量由最低38.58%增加至最高63.04%，增加量达63.40%.

其间，30 ℃～35 ℃之间纤维素含量显著增加，35 ℃时达到最大值.温度大于35 ℃时，纤维素含量下降，且差异显著，此后不再增加.这说明低温条件有利于纤维素的提取.可能是由于碱液提取纤维素的过程是一个放热反应发生的过程，温度升高，纤维素润胀程度降低，碱反应活性随之下降，致使纤维素含量也下降[15].综合考虑，确定该反应温度为35 ℃.

图4　提取温度对纤维素含量的影响

2.1.5纤维素提取正交试验结果分析

根据单因素试验探究的结果，设计L9(34)正交试验表，如表2所示.依据表2，按各因素对纤维素含量影响的极差值大小比较得出影响纤维素含量因素的主次顺序为：温度>料液比>时间>氢氧化钠浓度.根据各因素均值的大小比较得出碱法提取纤维素的最优条件组合为：A2B3C1D2，即氢氧化钠浓度14%(w/v)，料液比1∶25(g/mL)，时间15 h，温度35 ℃.此时纤维素含量最高为73.61%，较优化之前明显升高.

对评价指标进行方差分析，结果表明：温度的F比为91.75，大于F临界值19.00，因此，该因素显著(P<0.05).由此得出，适宜温度下的氢氧化钠溶液能够充分活化纤维素，降低原料中各物质的聚合度，从而提高纤维素含量.总体结果表明，该正交试验对于纤维素提取工艺的优化效果良好.

表2　苹果渣纤维素提取正交试验结果

2.2　纤维素SEM分析

图5分别为放大1 500倍下的原料果渣及纤维素扫描电镜图.由图5可知，原料果渣与纤维素形态具有明显差别.其中，原料果渣呈致密的块状结构，纤维素则呈疏松的条状形态.两者形态的差异表明纤维素的提取是一个原料疏解的过程.块状原料经酸碱试剂溶解去杂，将包裹于其中的条状纤维素充分释放出来.另有，图5(b)苹果渣纤维素附近仍分布有少量块状物质，这类块状物质与原料果渣相比较为疏松，可能是未完全提取的中间产物，说明该试验过程提取的纤维素仍有待后续进一步纯化.

(a)原料果渣

(b)苹果渣纤维素图5　苹果渣及纤维素扫描电镜图(×1 500)

2.3　纤维素FTIR分析

图6为苹果渣纤维素红外光谱图.由图6可知，苹果渣纤维素具有明显的纤维素类多糖特征谱峰[16].

其中，670 cm-1附近的伸缩振动峰为O-H的面外弯曲峰[17]；892 cm-1附近为C1基团的伸缩振动峰，该峰为纤维素葡萄糖单元结构中β-糖苷键的特征谱峰；1 022 cm-1和1 166 cm-1附近均为纤维素的醇分子C-O伸缩振动峰；1 375 cm-1附近为C-H面内弯曲振动峰；1 651 cm-1附近的伸缩振动峰是由于吸收水的弯曲引起的；2 913 cm-1附近为C-H伸缩振动峰；3 447 cm-1附近的宽峰为分子内O-H伸缩振动峰.1 470 cm-1附近的吸收峰可能是由于残留木质素的苯环伸缩振动引起的[18].综上所述，本试验提取的苹果渣纤维素结构特征明显，较为成功.

图6　苹果渣纤维素红外光谱图

3　结论

本实验利用碱法提取苹果渣纤维素，总体提取效果良好.正交试验结果表明，影响纤维素含量的因素依次为：温度>料液比>时间>氢氧化钠浓度；方差分析显示，温度为最显著的影响因素.最终优化得出纤维素提取工艺为：氢氧化钠浓度14%(w/v)，料液比1∶25(g/mL)，时间15 h，温度35 ℃.在此条件下，所得产品中纤维素含量最高为73.61%.经扫描电镜及红外光谱表征，本试验提取的苹果渣纤维素具有明显的纤维素条状形态及特征吸收谱峰.纤维素的进一步纯化及其它物性探讨将于今后进一步研究.

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