硫酸预水解刺五加根茎剩余物的工艺研究

张莹，张秀男，陈小强，路祺，祖元刚

（东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，哈尔滨 150040）

刺五加药材是五加科植物〔Acanthopanax senticosus(Rupr.Et-Maxim)-Harms〕的干燥根、根茎和茎，被视为具有添精补髓及抗衰老作用的良药，长期服用也可治疗风湿病、壮筋骨、调节机体新陈代谢[1]。现代药理学研究表明，刺五加的有效成分主要包括绿原酸、紫丁香苷、刺五加苷B、刺五加苷E和异嗪皮啶等[2]。由于这些成分具有较高的药用价值，国内、外研究工作者已经对刺五加的生物学特性、各药用部位有效成分提取、含量以及药理作用做了深入的研究[3]，但对于刺五加根茎剩余物的相关研究，则报道甚少，此剩余物的主要成分为木质素和纤维素。朱明华等[4]以刺五加根茎剩余物为原料，研究了丙酮有机溶剂提取木质素的工艺条件及其抗氧化活性的检测。路祺等[5]报道了刺五加根茎剩余物高沸醇木质素提取及抗氧化活性的研究。我国化石能源资源有限，不可再生，而刺五加经提取有效成分之后，废渣的随意丢弃，造成了资源的浪费[6，7]，这种废弃的生物质资源是理想的可再生能源。本研究应用酸解法将刺五加提取后的剩余物进行了葡萄糖的制备，并进一步优化了酸解法制备葡萄糖的工艺。将刺五加中药材废渣通过生物质降解技术转化为可利用的生物质能源，对实现中药材废渣的高效清洁利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

原料为东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室对刺五加根茎（购于黑龙江省哈尔滨市三棵树药材市场，经东北林业大学毛子军教授鉴定为刺五加根茎）进行药用提取后的剩余物，经过脱木素和半纤维素处理后的纤维浆料，通过机械法粉碎并用蒸馏水反复洗至中性后，于105℃烘干至恒重，进一步粉碎、过筛（60目）等预处理后，封存作为本试验材料。

根据国家标准方法检测试验材料中各物质成分含量：纤维浆料水分根据GB/T 2677.2-2011进行测定；纤维浆料灰分根据GB/T 742-2008进行测定；纤维浆料纤维素含量根据 GB/T 2677.10-1995进行测定；纤维浆料木质素含量根据GB/T 2677.8-1994进行测定；纤维浆料半纤维素含量参照地衣二酚法[8]测定。

1.2 仪器与试剂

葡萄糖试剂盒（南京建成生物工程研究所）；98%浓硫酸、苯、乙醇、甲基橙等试剂均为国产分析纯。

HZS-HA水浴振荡器（哈尔滨市东联电子技术开发有限公司）；Sigma3K30低温离心机（上海泰坦科技有限公司）；TM-0912P陶瓷纤维马弗炉（北京盈安美诚科学仪器有限公司）；WFJ2100型可见分光光度计（尤尼柯上海仪器有限公司）；GLYF-1000多功能粉碎机（上海耕联机械制造有限公司）；GZX-9240MBE数显鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）；电子分析天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）

1.3 水解液制备

按照试验设计，首先在250mL干燥的具塞三角瓶中加入一定浓度的硫酸溶液，再根据料液比缓慢加入试验材料，密封瓶口后放入水浴振荡器中，设定温度，固定转速为150r/min，最终得到棕色的均相硫酸预水解液。不同时间点取样，应用葡萄糖氧化酶法测定样品中葡萄糖含量，计算葡萄糖转化率（%）。

1.4 试验设计

以葡萄糖转化率为指标，通过单因素试验，探讨硫酸浓度、反应温度、反应时间及料液比4个因素对预水解效率的影响，确定较适宜的正交试验范围，进行正交优化试验，确定优化工艺条件。单因素水平设计见表1。每个试验重复3次，以平均值为试验结果。

表1 单因素水平设计Table 1 Level design of single factor test

根据单因素试验结果，设计4因素（硫酸浓度、反应温度、反应时间、料液比）3水平优化硫酸预水解工艺条件（见表2）。对正交试验结果进行极差分析和方差分析，探讨最佳组合及影响试验结果的因素主次顺序。按照单因素试验中测定样品葡萄糖含量的方法，计算葡萄糖转化率。

表2 L9（3）4正交试验设计Table 2 Orthogonal array design L9（3）4

2 结果与分析

2.1 刺五加根茎剩余物主要成分

刺五加根茎剩余物纤维浆料的主要成分分析结果见表3。

表3 刺五加根茎剩余物原料主要化学成分Table 3 Characterization of raw material used in the present study

由表3可知，本试验所用刺五加根茎剩余物原料中，木质素和半纤维素含量较少，说明经过碱提酸沉法已经大部分被除去，余下主要组成成分为纤维素，占根茎剩余物的比例高达84.56%，是资源化利用的主要组成部分，也是水解制备葡萄糖的主要来源，说明本试验水解的物质主要是纤维素，水解得到的产物主要为葡萄糖。可见，刺五加根茎剩余物可以被充分的资源化利用。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 硫酸浓度对葡萄糖转化率影响 在反应温度20℃及1∶15料液比的条件下，不同硫酸浓度对葡萄糖转化率影响的试验结果详见图1。

图1 硫酸浓度对葡萄糖转化率的影响Figure 1 Effects of sulfuric acid concentration on glucose yield

从图1可以看出，在反应温度20℃及1∶15料液比时，随着硫酸浓度的提高，葡萄糖转化率先逐渐升高然后趋于平稳。在12%～60%范围内，随着硫酸浓度的增加，转化率增加较为缓慢，而当硫酸浓度为72%时，转化率迅速增加，达到42%，随着硫酸浓度的进一步增大，转化率趋于平稳并稍有下降，可能是由于高浓度的酸使单糖迅速降解，碳化现象也较严重，因此导致转化率也开始下降。当硫酸浓度是72%时，不但水解速率快，而且最大转化率达42%。因此，在利用硫酸预水解的过程中，硫酸的浓度初步定为72%。2.2.2 水解温度对葡萄糖转化率的影响 在硫酸浓度为72%、料液比1∶15、水解时间为120min的条件下，水解温度对葡萄糖转化率影响的试验结果详见图2。

图2 预水解温度对葡萄糖转化率的影响Figure 2 Effects of hydrolysis temperature on glucose yield

从图2可以看出，在较低温度20℃～40℃范围内，葡萄糖转化率随着温度的升高没有明显变化，维持在38%左右，30℃时达到最大转化率39.5%；从40℃开始，随温度继续升高，转化率开始逐渐下降，且下降速度越来越快。这可能是由于较高的温度使单糖的降解速率也随着增大，碳化速度也随之加快，说明温度对葡萄糖转化率有明显影响。因此，对于72%硫酸浓度条件下，接近室温即可达到最高的转化率，试验结果表明，适宜的浓硫酸预水解温度为30℃。

2.2.3 水解时间对葡萄糖转化率的影响 在硫酸浓度为72%、温度为30℃及1∶15料液比时，水解时间对葡萄糖转化率影响的试验结果详见图3。

图3 预水解时间对葡萄糖转化率的影响Figure 3 Effects of hydrolysis time on glucose yield

从图3可以看出，在开始反应的60min内，葡萄糖转化率随时间增加而迅速提高，并趋于平稳，60min左右达到最大值39.02%，但随着水解时间继续延长至水解240min时，转化率稍微下降，没有明显变化。这是由于反应开始时，需要足够的时间使硫酸与纤维素反应，逐渐将葡萄糖水解出来，当水解完全后，随着时间延长有一部分单糖被降解为糖醛等产物，另一部分生成的单糖又缩合成多糖。所以反应时间60min即可。

2.2.4 料液比对葡萄糖转化率的影响 在硫酸浓度为72%、温度为30℃及水解时间60min的条件下，料液比对葡萄糖转化率影响的结果详见图4。

从图4可以看出，葡萄糖转化率随料液比增加呈先上升后下降的趋势；在料液比为1∶12时，葡萄糖的转化率最高，达到43.45%；此后随投料量的增加，转化率逐渐下降。这可能是由于固体含量增加导致搅拌困难，使硫酸不能与纤维浆料充分接触，阻碍了硫酸向纤维颗粒内部的渗透，导致葡萄糖转化不完全。但高料液比可以减少对酸的消耗，增加水解液中的糖浓度，对水解液的后续利用有利，因此，在不会大幅降低转化率的条件下宜可适当提高底物浓度。因此，选择料液比1∶10较为合适。

图4 料液比对葡萄糖转化率的影响Figure 4 Effects of solid-liquid ratio on glucose yield

2.3 正交试验结果与分析

为优化硫酸预水解刺五加根茎剩余物的工艺条件，根据单因素试验结果，最适的硫酸水解浓度为72%、反应温度为30℃、水解时间为60min、料液比为1∶10。正交试验以这4个因素为影响因素，设计4因素3水平试验，以葡萄糖转化率为指标，优化最佳的硫酸预水解工艺。见表4。

表4 L9（3）4硫酸预水解刺五加根茎剩余物正交试验表设计及极差分析结果Table 4 Results of orthogonaltest

根据表4可以看出，不考虑各因素之间的交互作用，根据极差R的大小可以得出影响预水解葡萄糖转化率的因素主次顺序为硫酸浓度＞反应温度＞料液比＞水解时间。根据各因素平均值，可得到最佳组合为A2B2C2D1，即硫酸浓度72%、水解温度30℃、水解时间60min、料液比1∶9g/mL。这与单因素试验所得最佳因素有所差异，可能是由于正交试验中各因素间有相互影响的作用。

表5 正交试验方差分析结果Table 5 Result of variance analysis

由表5显示方差结果可知，影响预水解葡萄糖转化率的显著性因素与极差分析结果一致，硫酸浓度与水解温度2个因素的F比值均大于F临界值，是影响结果的显著因素，但硫酸浓度比值较大，是影响预水解效果的最显著因素，反应时间和料液比为非显著性影响因素。

在生产过程中，考虑到硫酸的腐蚀性，中试放大生产时均采用玻璃容器，另外，考虑到硫酸的危险性并容易对环境造成污染，采用了扩散渗析膜法对硫酸进行了回收，通过优化工艺条件，试验结果证明，硫酸回收率和葡萄糖的截留率均在90%以上，此部分试验数据有待于进一步整理发表。

3 结论

通过对刺五加根茎剩余物原料的主要组成成分进行分析，得到纤维素是构成原料的主要成分，占总量约84.56%。研究了硫酸预水解刺五加根茎剩余物纤维的最佳预水解工艺，以烘干至恒重的经过预处理的刺五加根茎剩余物纤维素粉末为试验材料，首先探讨了硫酸浓度、水解温度、水解时间及料液比4个因素的单因素试验，并根据单因素结果设计了正交试验优化工艺参数，最终得到的工艺参数为硫酸浓度72%、水解温度30℃、水解时间60min、料液比1∶9g/mL。在此条件下得到的最大葡萄糖转化率为55.46%，获得了浓硫酸水解刺五加剩余物制备葡萄糖的试验条件，为刺五加剩余物资源的有效利用提供了理论依据。

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