正交試驗(yàn)法優(yōu)化提取甜菜渣纖維素工藝

李 萌，周欣悅，代孟富，尚大勇，羅亞帥，黃欣桐

（1.赤峰學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.遼寧師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116029）

甜菜是中國(guó)北部地區(qū)制糖業(yè)的主要原料，制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)物就是甜菜渣，中國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)出將近1000萬(wàn)t甜菜渣[1]。甜菜渣是一種非常重要的生物質(zhì)資源，其含有纖維素、半纖維素和少量其他成分。除極少部分用于飼料以外，剩余的大部分甜菜渣被焚燒或者直接丟棄，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。因此，如何充分利用這些甜菜渣資源，成為了人們研究的熱點(diǎn)。目前，研究者對(duì)甜菜渣的開發(fā)利用主要集中在半纖維素、果膠等有效成分的提取，對(duì)甜菜渣中含量最多的纖維素的提取和利用卻比較少見[2-3]。

纖維素是由葡萄糖分子聚合而成的天然高分子化合物，不溶于水，難溶于一般有機(jī)溶劑。纖維素具有耐酸堿、可生物降解、無(wú)毒、高強(qiáng)度、高結(jié)晶度等優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用在食品、化工、醫(yī)學(xué)、紡織、造紙等領(lǐng)域，還被用作增強(qiáng)劑應(yīng)用在材料領(lǐng)域[4-6]。天然纖維素主要和半纖維素等物質(zhì)緊密粘結(jié)在一起，存在于植物的細(xì)胞壁中。因此，有必要從甜菜漿中除去這些物質(zhì)以獲得更高含量的纖維素。目前，物理法提取纖維素的方法主要有：如粉碎、蒸汽爆破等；化學(xué)法主要有：堿處理、亞硫酸鹽處理和酸水解法等[7-11]。本實(shí)驗(yàn)以甜菜渣為原料，首先利用單因素實(shí)驗(yàn)來(lái)探明不同堿處理?xiàng)l件（固液比、氫氧化鈉溶液濃度、提取時(shí)間、加熱溫度）對(duì)纖維素提取率的影響，再采用正交試驗(yàn)研究甜菜渣纖維素的提取工藝，從而獲得最佳工藝條件，為甜菜渣纖維素的提取和應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甜菜渣來(lái)自赤峰糖廠。

苯、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉、硫酸、蒽酮、乙酸乙酯、微晶纖維素等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PTHW型-電熱套（河南愛(ài)博特科技發(fā)展有限公司）、DJ120C型-半斤裝中藥材粉碎機(jī) （浙江省瑞安市春海藥材器械廠）、電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、SHD-（Ⅲ）循環(huán)式真空泵（河南省予華儀器有限公司）、TU-1910雙光束紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 甜菜渣的預(yù)處理

用粉碎機(jī)將甜菜渣粉碎后，過(guò)篩（80目），70℃下干燥，密封，并在陰涼處儲(chǔ)存?zhèn)溆?。稱取適量干燥后的甜菜渣粉末，加入苯/無(wú)水乙醇混合溶液（體積比為 2 ∶1），固液比為 1 ∶10，浸提 6 h，干燥后，密封保存，備用。

1.3.2 堿處理

稱取一定量的甜菜渣，加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉溶液，在一定溫度下攪拌，然后抽濾，洗滌，直至濾液呈中性，將濾渣干燥，得到纖維素。

1.3.3 纖維素含量的測(cè)定

使用TU-1910雙光束UV-Vis分光光度計(jì)測(cè)定經(jīng)堿處理的甜菜渣中纖維素的含量。首先，用乙酸乙酯制備2%的蒽酮溶液，然后用微晶纖維素配制不同濃度的纖維素標(biāo)準(zhǔn)溶液，在波長(zhǎng)623 nm處測(cè)量溶液吸光度值以制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，確定樣品中纖維素的含量。

1.3.4 單因素試驗(yàn)

稱取 5g脫脂后的甜菜渣，按照 1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30的固液比分別加入 50 mL、75 mL、100 mL、125 mL、150 mL 新 配 制 的 4%NaOH溶液，將混合物在80℃下攪拌反應(yīng)2 h，抽濾，洗滌，干燥并測(cè)定纖維素含量。

在最佳固液比的條件下，分別加入質(zhì)量濃度為 1%、2%、4%、6%、8%NaOH 溶液，攪拌反應(yīng)，確定NaOH溶液的最佳濃度。

在最佳固液比、最佳濃度條件下，以攪拌時(shí)間（0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h）為變量，確定最佳反應(yīng)時(shí)間。

在最佳固液比、最佳濃度、最佳反應(yīng)時(shí)間條件下，使用不同的加熱溫度（50℃、60℃、70℃、80℃、90℃）作為變量，確定最佳溫度。

1.3.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用正交試驗(yàn)法，選擇四個(gè)因素作為自變量：固液比、氫氧化鈉濃度、加熱時(shí)間和加熱溫度，設(shè)計(jì)四因素五水平的正交試驗(yàn)表，因子與水平設(shè)計(jì)如表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素和水平Table 1 Factor and levels used in RSM design

2 結(jié)果與分析

2.1 固液比對(duì)甜菜渣纖維素提取率的影響

圖1 固液比對(duì)甜菜渣纖維素提取率的影響Fig.1 Effect of solid to liquid ratio on the extraction rate of cellulose

由圖1可知，當(dāng)固液比為1∶15時(shí)，纖維素的提取率為50.6%，達(dá)到最大值。隨著固液比的減小，甜菜渣纖維素的提取率不斷降低，當(dāng)固液比為為1∶30時(shí)，纖維素提取率達(dá)到最小值10.3%。這是因?yàn)殡S著氫氧化鈉溶液的增加，不僅大量的半纖維素產(chǎn)生水解，而且一部分纖維素也會(huì)發(fā)生分解。因此，以固液比為1∶15作為纖維素提取的最佳條件。

2.2 NaOH濃度對(duì)甜菜渣纖維素提取率的影響

圖2 NaOH濃度對(duì)纖維素提取率的影響Fig.2 Effect of sodium hydroxide concentration on the extraction rate of cellulose

從圖2可知，當(dāng)NaOH濃度分別為1%、2%、4%、6%和8%時(shí)，纖維素的提取率分別為21%、28%、50%、36.4%和15.8%，纖維素提取率隨著NaOH濃度的增加而增加，當(dāng)質(zhì)量濃度為4%時(shí)，達(dá)到最大值。如果濃度繼續(xù)增加，則纖維素提取率將顯著降低。這是因?yàn)镹aOH濃度越高，甜菜渣中的半纖維素和木質(zhì)素水解越完全，導(dǎo)致纖維素含量的增加。當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)4%時(shí)，少量纖維素也會(huì)發(fā)生降解，另一個(gè)原因是纖維素與高濃度堿液反應(yīng)形成堿纖維素。因此，纖維素提取的最佳NaOH濃度為4%。

2.3 提取時(shí)間對(duì)甜菜渣纖維素提取率的影響

圖3 提取時(shí)間對(duì)甜菜渣纖維素提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the extraction rate of cellulose

由圖3可以看出，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，甜菜渣纖維素的提取率先增大后減小。當(dāng)提取時(shí)間為2 h時(shí)，纖維素含量達(dá)到最大值（51.2%）。在纖維素提取的初始階段，隨著提取時(shí)間的增加，甜菜渣中的半纖維素和木質(zhì)素水解得更充分。然而，當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)2 h時(shí)，纖維素結(jié)構(gòu)會(huì)遭到一定程度的破壞，導(dǎo)致一些纖維素降解。綜上所述，以2 h作為纖維素提取的最佳提取時(shí)長(zhǎng)。

2.4 提取溫度對(duì)甜菜渣纖維素提取率的影響

圖4 提取溫度對(duì)纖維素提取率的影響Fig.4 Effect of temperature on the extraction rate of cellulose

由圖4可知，當(dāng)固液比為1∶15、NaOH濃度4%、提取時(shí)間2 h，不同溫度對(duì)甜菜渣纖維素的提取率有顯著影響。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，甜菜渣纖維素提取率不斷增加，在90℃時(shí)達(dá)到最大值61%。這是由于隨著溫度的升高，分子間的碰撞加劇，反應(yīng)活性極大增強(qiáng)，促使分子間的糖苷鍵斷裂，導(dǎo)致非纖維物質(zhì)（例如半纖維素和木質(zhì)素等）被水解，從而使樣品中的纖維素含量增加。因此，確定甜菜渣纖維素提取的最佳溫度為90℃。

2.5 正交實(shí)驗(yàn)

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental results

續(xù)表

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。從表2可以得出結(jié)論：各因素對(duì)甜菜渣中纖維素含量的影響依次為：固液比>提取溫度>提取時(shí)間>NaOH濃度。最佳提取工藝為：固液比為1：15，氫氧化鈉溶液濃度為4%，提取時(shí)間為2 h，提取溫度為90℃，此條件下樣品中纖維素的含量可達(dá)57.4%。

表3 方差分析數(shù)據(jù)表（α=0.05）able 3 The ANOVA of experiment results(α=0.05)

表3和表4顯示的是正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果。從表中可以看出，在α=0.01水平下，提取時(shí)間和提取溫度對(duì)纖維素提取率的影響是顯著的。而在α=0.05水平下，固液比、提取時(shí)間和提取溫度對(duì)甜菜渣纖維素提取率有顯著影響。然而，氫氧化鈉溶液濃度對(duì)甜菜渣纖維素提取率的影響仍然不明顯。

表4 方差分析數(shù)據(jù)表（α=0.01）Table4 The ANOVA of experiment results（α=0.01）

3 結(jié)論

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以甜菜渣纖維素含量為指標(biāo)，研究了甜菜渣纖維素提取的最佳工藝條件：固液比為1：15，氫氧化鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，提取時(shí)間為2 h，提取溫度為90℃，在此工藝下，甜菜渣纖維素含量達(dá)到了57.4%。通過(guò)方差分析可以看出，在α=0.05水平下，固液比、提取時(shí)間和提取溫度對(duì)甜菜渣纖維素提取率有顯著影響，而氫氧化鈉濃度對(duì)甜菜渣纖維素提取率的影響不顯著。