超声波辅助碱液提取芦竹叶纤维素的工艺研究

王艳萍，谢秋凤

(运城学院 生命科学系，山西 运城 044000)

芦竹(Arundodonax.L)禾本科，多年生，是新型纤维素能源草[1]。芦竹喜温暖，喜水湿，耐寒性不强。在我国芦竹栽植范围较广，集中分布在南方的热带与亚热带地区，近年来北方也有引入栽培[2]。芦竹纤维素含量较高，目前，国内外对于芦竹的研究基本是对其生物质产量及生物质特性的研究报道。关于芦竹预处理的研究甚少，且尚未过多涉及。本文应用超声辅助碱液的方法，获得提取芦竹叶中纤维素最优工艺参数，希望能为更好开发利用芦竹资源提供理论性的参考。

1. 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

原料：芦竹(运城市绿碧源农林开发有限公司，品种“绿洲一号”。)

试剂：乙醚、硫酸、无水乙醇、氢氧化钠、氢氧化钾，均为分析纯。

仪器：101A-1E电热恒温鼓风干燥箱(上海实验仪器总厂)；SX-4-10电阻炉控制箱(天津市泰斯特仪器有限公司)；LXJ-Ⅱ离心沉淀机(上海医分仪器制造有限公司)；KQ-500DE数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 预实验的方法选择

通过查阅资料，实验采用水浴处理、超声处理的物理方法与酸液、碱液的化学方法相结合的方式，对芦竹叶进行前期的预实验处理。

1.2.2 芦竹叶前期处理

将采集的芦竹洗涤，用手工分离秸秆和叶子，并将芦竹叶剪成1 cm左右的小段，65 ℃鼓风烘干，直到达恒重。再用粉碎机对样品进行反复粉碎，用标准筛选出60～80目的试样(通过60目不能通过80目)，置于干燥器中备用。

1.2.3 芦竹叶纤维素提取的工艺流程

处理后的芦竹叶→氢氧化钠溶液超声波处理→洗涤中性→干燥至恒重→称取一定量处理后的样品→测定其中的纤维素含量。

1.2.4 纤维素测定

芦竹叶纤维素的测定采用非酶重量法[3]。

1.2.5 响应面试验选择

根据Box-Behnken的响应面试验的设计原理[4]。按照单因素所得结果，采用四因素三水平设计优化方案，设计见表1。

表1 试验因素水平及编码

1.3 数据处理

通过Design-Expert8.0.6软件对实验所得数据进行处理。

2. 结果与分析

2.1 响应曲面模型设计及试验结果

采用Design-Expert8.0.6软件，具体的设计方案及结果见表2。

表2 响应面设计与实验结果

由表2可以看出，实际测得的纤维含量与理论测得的纤维含量大部分相近，实验误差较小，所得数据较为可靠。

2.2 响应曲面模型建立与显著性检验

运用Design-Expert8.0.6，得到方差分析结果见表3，各相关系数见表4。

表3 纤维素含量响应面模型的方差分析

表4 各相关系数分析

对数据进行多项式拟合，以纤维素含量为因变量(Y)，得到回归方程为：

Y=79.88-1.7A+0.74B+0.77C+2.10D-1.36AB-0.48AC-0.013AD+2.07BC+1.2BD--2.74CD-5.44A2-1.93B2-5.13C2-3.91D2

在剔除不显著因素后，得到简化后的模型回归方程为：

Y=79.88-1.7A+2.10D-1.36AB+2.07BC-2.74CD-5.44A2-1.93B2-5.13C2-3.91D2

2.3 响应曲面分析与优化

各显著因素对芦竹叶中纤维素含量影响的等高线如图1、图2和图3所示。从回归模型所得到的等高线可用来评价选取因素之间的交互性。

图1 NaOH质量分数和料液比的等高线

图2 料液比和反应时间的等高线

由图1可看出，AB交互作用的等高线椭圆不是很明显，说明AB的影响不是很显著。当反应时间和提取温度一定时，随NaOH质量浓度的增大和料液比的增加，纤维素的含量是先升高后下降的。原因是随着NaOH质量浓度增大，蛋白质、色素等碱溶性物质被溶出[6]，纤维素的含量增加。但持续增大碱液浓度，纤维素的含量下降原因是纤维素溶解。

也可以看出在一定范围内，纤维素含量在80%以上。且得到NaOH质量浓度所得的图较料液比所得的图较陡，表明NaOH质量浓度对含量的影响较料液比更明显。

由图2，BC交互作用所得等高线明显呈椭圆形状，说明BC的影响是显著。当NaOH质量浓度和提取温度一定时，随料液比的增加和反应时间的延长，纤维素含量呈先升高后缓慢下降的趋势。也可以看出在一定范围内，纤维素的含量达到78%以上。

图3 反应时间和提取温度的等高线

由图3可知，CD交互作用所得等高线呈椭圆形状，说明CD的影响是显著。当NaOH质量浓度和料液比一定时，随反应时间的延长和提取温度的升高，纤维素含量呈现先升后降的趋势；也可以看出在一定范围内，纤维素含量到达80%以上。综上，所得结果与方差分析的结果相似。

2.4 响应曲面验证实验

经响应曲面分析，获得最优参数是：NaOH质量浓度11.61%，料液比1∶13.55 g/mL，处理时间80.04 min，提取温度72.96 ℃，理论应测得纤维素含量为80.42%。结合实验室的实际条件，对验证实验的提取条件进行修正后为：NaOH质量浓度11.6%，料液比1∶13.5 g/mL，处理时间取80 min，提取温度73 ℃。然后进行三次平行验证试验，测得纤维素含量分别是80.18%，80.33%，80.25%，均值为80.25%。因此，可以看出数据的重现性良好，且回归方程能较真实的反映各因素对优化提取芦竹叶中纤维含量的影响，证明采用响应曲面分析法得到芦竹叶中纤维素的理论提取条件是真实可靠的，故可以用作参考依据。

3. 结论

以纤维素含量为指标，响应面优化得到提取芦竹纤维素最优工艺参数为：NaOH质量浓度11.6%、料液比1∶13.5 g/mL、提取温度为73 ℃、提取时间80 min，测得的芦竹叶中纤维素含量是80.25%；各因素对于纤维素含量的显著性影响表现为：提取温度>NaOH质量浓度>处理时间>料液比。