微波酸水解香蕉根部球莖干粉研究

陳 偉，黃廣民，李興根，韓芷玲，喬勇升

（1.泰州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇泰州 225300；2.海南大學(xué)食品學(xué)院，海南?？?570228）

香蕉是生物量極大的植物，其莖稈包括根部球莖和假莖稈兩部分，真莖包括根部球莖和氣生莖（花序莖）。球莖俗稱香蕉頭，是著生根系、葉片和吸芽的地方，是整個植株養(yǎng)分產(chǎn)生和貯藏的中心部位，供應(yīng)根系、葉片、吸芽、花果的生長發(fā)育。據(jù)估計每畝產(chǎn)鮮莖稈40t以上，其中根部球莖鮮15t以上，假鮮莖稈25t以上；每畝產(chǎn)莖稈干物質(zhì)4t以上，其中根部球莖干物質(zhì)1.5t以上。然而香蕉收獲后，人們需將香蕉根部球莖全部挖除更新，來年才有好的收成[1]。若能充分利用這一廢棄資源生產(chǎn)燃料乙醇，變廢為寶，必將對減少環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟，為香蕉重復(fù)種植根除病源病害，大幅度地提高香蕉產(chǎn)量和品質(zhì)，增加農(nóng)民收入，提高蕉園的利用率，促進高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有積極的意義。經(jīng)初步分析[1]，香蕉根部球莖干物質(zhì)含有豐富的果膠質(zhì)、淀粉質(zhì)、雜多糖、半纖維素和纖維素等碳水化合物。香蕉根部球莖干物質(zhì)經(jīng)粉碎、水解后，水解液含有葡萄糖、甘露糖、果糖等糖類，可用于發(fā)酵制備燃料乙醇[2-3]。生物質(zhì)原料傳統(tǒng)的糖化途徑是通過加熱促進在酸條件下水解[4-6]，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)周期短。但由于水解條件劇烈，產(chǎn)物葡萄糖會在酸和熱的作用下進一步發(fā)生復(fù)合反應(yīng)和分解聚合反應(yīng)，生成異麥芽糖、龍膽二糖等低聚糖，以及羥甲基糠醛、有機酸和有色物質(zhì)[7-9]。近年來，有學(xué)者一直在探索改進生物質(zhì)原料的酸法糖化的工藝[10-12]。其中微波輻射加熱具有快速、高效、無污染等優(yōu)點，其機理與傳統(tǒng)的分解方法相比有明顯的優(yōu)勢，微波能量的快速吸收導(dǎo)致完全水解的時間大大縮短[13-14]，所以在保留酸水解快速、便捷的同時結(jié)合了微波反應(yīng)升溫速率快、溫度分布均勻、無滯后效應(yīng)等特點[15]，可以減少單糖副反應(yīng)的發(fā)生，本研究也就微波酸水解香蕉根干粉漿液做相關(guān)的探索性研究。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香蕉根部球莖干粉 新鮮的香蕉根部球莖，切片，烘干至含水量約10%，粉碎，過篩至80～100目，備用；3，5一二硝基水楊酸（DNS）、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、苯酚、無水亞硫酸鈉、葡萄糖、鹽酸 均為分析純。

SH9402型微波反應(yīng)系統(tǒng) 中國石油化工科學(xué)研究院研制，最大功率為700W，發(fā)射頻率為2450MHz；723型分光光度計 上海第三分析儀器廠；TG328A型分析天平 上海天平儀器廠；粉碎機；恒溫水浴鍋。

1.2 實驗方法

1.2.1 香蕉根部球莖粉漿微波水解液中的總還原糖測定方法的建立 本文以葡萄糖為標準，采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）為顯色劑，采用分光光度法測定水解液中還原糖的含量[16-18]，其測定方法簡述如下。

稱取經(jīng)干燥后的葡萄糖0.1000g，加入適量蒸餾水溶解，轉(zhuǎn)入至100mL容量瓶中，加蒸餾水稀釋定容，搖勻，配制成濃度為1.0mg/mL的標準葡萄糖溶液。在0～10mL范圍內(nèi)，按1mL間隔增序，分別準確吸取1.0mg/mL葡萄糖標準溶液于25mL容量瓶，分別加入2mL DNS溶液，加蒸餾水稀釋，使葡萄糖質(zhì)量濃度分別為0、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24、0.28、0.32、0.36、0.40mg/mL，于100℃水浴加熱5min，迅速冷卻，加蒸餾水稀釋定容。選擇1cm比色皿，在490nm處測吸光度，同時做空白實驗。以葡萄糖濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制得到標準曲線，葡萄糖含量的標準曲線如圖1所示。

圖1 葡萄糖含量的標準曲線Fig.1 Standard curve for glucose content

1.2.2 單因素實驗 香蕉根部球莖干粉微波水解主要受酸濃度、液固比、微波輻射功率和時間等因素影響。稱取香蕉根部球莖干粉1.00g，投入到反應(yīng)容器中，總體積為40mL。在鹽酸濃度0.2mol/L，液料比40∶1，微波輻射功率300W，微波時間10min其中三個條件不變的情況下，分別改變其中單一因素水平進行實驗：稀鹽酸溶液0.05、0.1、0.2、0.3、0.4mol/L；液料比80∶1、40∶1、30∶1、20∶1、10∶1、5∶1；微波輻射功率300、400、500、600W；水解時間5、10、15、20、25、30min。反應(yīng)后用NaOH溶液調(diào)pH到7后定容，水解完后定容到250mL后，再稀釋一定的倍數(shù)后，取2mL加2mL DNS水浴5min后測定吸光度并換算為還原糖得率，計算公式如下：

1.2.3 響應(yīng)面實驗 在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken實驗設(shè)計原理，采用響應(yīng)面分析法對微波酸水解香蕉根部球莖干粉工藝進行優(yōu)化。選取酸濃度、液料比、微波功率、微波時間等4個因素，以香蕉根部球莖干粉還原糖得率為響應(yīng)值，設(shè)計4因素3水平的響應(yīng)值實驗，響應(yīng)面實驗因素水平表如表1所示。

表1 響應(yīng)面實驗因素水平表Table 1 Experimental factors of response snrface methodology

2 結(jié)果與分析

2.1 香蕉根部球莖干粉多糖的微波水解單因素分析

2.1.1 酸濃度的影響 不同鹽酸濃度對香蕉根部球莖粉漿微波水解的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 酸濃度對香蕉根部球莖粉漿水解的影響Fig.2 Effect of acid content on hydrolyzing serosity of banana root corm

在微波功率恒定時，影響微波酸解速度的參素主要有兩個，即所用酸的濃度和酸的介質(zhì)馳豫時間，其中介質(zhì)馳豫時間是指介質(zhì)極化的變化與電磁場變化的時間差，酸種類不變，介質(zhì)馳豫時間也是固定的。因此酸濃度就是水解速度的主要決定因素。由圖2可知，鹽酸濃度對反應(yīng)葡萄糖產(chǎn)率影響很大。鹽酸濃度較低時，隨濃度增加，反應(yīng)速度加快，相應(yīng)產(chǎn)物提高；當濃度超過0.2mol/L時，還原糖得率又開始下降。因此鹽酸濃度應(yīng)控制在合適范圍，以0.2mol/L較適宜。

2.1.2 液料比的影響 不同液料比對香蕉根部球莖粉漿微波水解的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 液料比對香蕉根部球莖粉漿水解的影響Fig.3 Effect of liquid-solid ratio on hydrolyzing serosity of banana root corm

由圖3可知，隨著液料比的逐步減小，香蕉根部球莖粉漿的葡萄糖產(chǎn)率呈先增大后減小的趨勢。液料比在超過20∶1以后，葡萄糖產(chǎn)率呈明顯下降趨勢。這可能是因為香蕉根粉水解本身需要大量的水分，體系水分含量少，不利于反應(yīng)的進行；反應(yīng)體系粘度過大也會影響分子運動，阻止分子遷移，從而減弱物料吸收微波的能力（介質(zhì)損耗）。但反應(yīng)物濃度不是越稀越好，一方面減少生成物的產(chǎn)量，增加成本；另一方面，由于水的比熱較大，如反應(yīng)體系水量過多，會影響溫度的快速上升，進而減緩反應(yīng)速度。因此液料比控制在20∶1較好。

2.1.3 微波輻射功率的影響 不同微波輻射功率對香蕉根部球莖粉漿微波水解的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 微波功率對香蕉根部球莖粉漿水解的影響Fig.4 Effect of microwave power on hydrolyzing serosity of banana root corm

由圖4可知，在微波輻射功率300～500W時，隨著微波輻射功率的增加，香蕉根還原糖得率也在增加，這是因為在此功率范圍內(nèi)，微波輻射和酸的耦合作用能顯著的提高香蕉根的水解速率，提高還原糖的含量，并且在500W時有最大值；當微波功率超過500W以后，還原糖含量開始下降，這可能由于微波輻射功率過大導(dǎo)致反應(yīng)體系溫度過高，使得反應(yīng)產(chǎn)物在酸和熱的作用下發(fā)生復(fù)合反應(yīng)和分解聚合反應(yīng)的速率加快[7-9]，所以微波輻射功率選擇500W時較合適。

2.1.4 微波時間的影響 不同微波時間對香蕉根部球莖粉漿微波水解的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 微波時間對香蕉根部球莖粉漿水解的影響Fig.5 Effect of microwave time on hydrolyzing serosity of banana root corm

由圖5可知，在微波功率一定時，隨著微波輻照時間延長，香蕉根部球莖粉漿的葡萄糖產(chǎn)率呈先增大后減小的趨勢。輻照時間不足香蕉根不能充分水解，葡萄糖產(chǎn)率低；輻照時間過長，反應(yīng)產(chǎn)物的副反應(yīng)時間加長[7-9]，還原糖得率也下降。所以根據(jù)實驗結(jié)果，微波水解時間在25min為好。

2.2 香蕉根干粉微波酸水解響應(yīng)面分析

響應(yīng)面分析法實驗安排及結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面實驗安排及結(jié)果Table 2 The arrangements and results of response surface methodology experiments

采用Design-Expert軟件對所得數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到香蕉根干粉的還原糖得率對酸濃度、液料比、微波時間和功率的二次多項回歸模型為：

Y=-322.58949+504.22744X1+2.50397X2+13.43729X3+0.32773X4-2.84452X1X2-10.21287X1X3-0.01131X3X4-300.83522X12-0.035507X22-0.097714X32式（1）

表3的回歸分析結(jié)果表明，模型式（1）復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.9452，響應(yīng)面回歸模型達到極顯著水平，說明該二次模型能夠擬合真實的實驗結(jié)果，實驗誤差小。同時在所選的各因素水平范圍內(nèi)，X1、X2、X3、X4、X1X3、X3X4、X12、X22、X32對Y的影響非常顯著，X1X2對Y的影響顯著?？梢?，各實驗因素對香蕉根干粉的還原糖得率的影響不是簡單的線性關(guān)系。

表3 回歸分析結(jié)果Table 3 Regress analyzes

各因素之間的響應(yīng)面分析結(jié)果見圖6～圖8。由Design-Expert軟件分析得到響應(yīng)值最大時，對應(yīng)的香蕉根干粉微波水解的最佳條件為：酸濃度0.3mol/L、液料比23mL/g、微波時間20min、微波功率600W，還原糖得率的理論值為48.85%。

圖6 酸濃度與液料比對還原糖得率的影響Fig.6 Response surface of acid content and liquid-solid ratio on the reducing sugar yield

圖7 酸濃度與微波時間對還原糖得率的影響Fig.7 Response surface of acid content and microwave time on the reducing sugar yield

圖8 微波時間與微波功率對還原糖得率的影響Fig.8 Response surface of microwave time and microwave power on the reducing sugar yield

為了驗證響應(yīng)面的可行性，選擇酸濃度0.3mol/L、液料比23mL/g、微波時間20min、微波功率600W對香蕉根干粉進行微波水解驗證實驗。三次平行實驗得到的實際平均還原糖得率為48.95%，以理論值相比，其相對誤差約為0.20%。因此，響應(yīng)面法對香蕉根干粉水解的優(yōu)化是可行的，具有實際應(yīng)用的價值。

3 結(jié)論

通過單因素實驗，確定了各因素對香蕉根部球莖干粉還原糖得率的影響規(guī)律，選取各因素水平值的理想范圍進行響應(yīng)面實驗及回歸分析，確定了最佳的水解工藝參素：酸濃度0.3mol/L、液料比23mL/g、微波時間20min、微波功率600W，還原糖得率的理論值為48.85%，驗證值為48.95%，重復(fù)行實驗結(jié)果好，可為進一步的實驗研究奠定基礎(chǔ)。

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