玉米皮纖維素提取工藝優(yōu)化及結(jié)構(gòu)表征

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(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130118)

玉米是我國的第三大糧食作物,年產(chǎn)量約為1.2×109t[1]。玉米在加工過程中會(huì)產(chǎn)生多種副產(chǎn)品,如玉米蛋白、玉米胚芽、玉米皮等。玉米皮約占玉米干質(zhì)量的14%,相比其它的副產(chǎn)品所占比重最大。雖然玉米皮利用轉(zhuǎn)化總量尚可,但是主要用于飼料行業(yè),存在著深加工程度低、附加值小、資源嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象,不符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求[2]。玉米皮中富含膳食纖維、玉米黃色素、玉米纖維油等多種活性成分[3],高附加值潛力大,纖維素屬于膳食纖維中的不可溶膳食纖維。

纖維素是自然界中最豐富的生物質(zhì),僅陸生植物的纖維素年產(chǎn)量可達(dá)500億噸,具有來源廣、可再生、可生物降解、可修飾等性質(zhì)。纖維素晶體表面有許多自由的羥基,可通過物理化學(xué)或生物方法轉(zhuǎn)化獲得各種纖維素衍生物及功能材料[4],廣泛用于醫(yī)藥、能源化工、食品與紡織等領(lǐng)域[5-6],因此纖維素被視為未來重要的綠色清潔能源[7],對于解決世界能源枯竭問題也有重要意義[8]。從以往研究中發(fā)現(xiàn),木質(zhì)素是纖維素提取過程中最難除去的雜質(zhì),而玉米皮的成分中木質(zhì)素含量不足2%[9],相對其他副產(chǎn)物原料秸稈、稻殼、甘蔗渣等低很多,因此玉米皮可以作為纖維素提取的優(yōu)質(zhì)原料。近年來關(guān)于玉米皮中膳食纖維、玉米纖維油、玉米黃色素等功能性成分的提取研究較多,但關(guān)于玉米皮纖維素的提取和工藝優(yōu)化方面的報(bào)道較少[10-12]?，F(xiàn)有的纖維素提取方法中物理法有蒸汽爆破法[13]、微波法和超聲波輔助法等;化學(xué)法有堿液分離法、無機(jī)酸處理法、有機(jī)溶劑法[14]等。但有些方法在實(shí)際操作中存在工藝繁瑣、耗時(shí)長、提取物纖維素含量不高等問題。

本研究以玉米加工副產(chǎn)物玉米皮為原料,利用硝酸-乙醇法提取玉米皮纖維素,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn),優(yōu)化玉米皮纖維素的提取工藝；并利用掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、X-射線衍射儀和熱重分析儀對玉米皮纖維素的微觀形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)、晶型結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性進(jìn)行表征,為提高玉米加工副產(chǎn)物—玉米皮資源的高附加值利用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料與儀器

1.1 材料與儀器

玉米皮 長春大成實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司;濃硝酸、無水乙醇、冰醋酸、硫酸亞鐵銨等 均為分析純級,北京化工廠;實(shí)驗(yàn)用水 為二次蒸餾去離子水。

HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司;ZKJ-1001型循環(huán)水真空抽氣泵 上海嘉鵬科技有限公司;ZD500-3標(biāo)準(zhǔn)分樣振動(dòng)篩 新鄉(xiāng)利達(dá)振動(dòng)篩機(jī)械廠;101A-2E數(shù)顯式電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;JJ224BC型電子天平 常熟市雙杰測試儀器廠;高速萬能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司;SX-8-10型箱式電阻爐 天津市泰斯特儀器有限公司;FTIR-8009型傅里葉紅外光譜儀 日本島津公司;D/max-rB型旋轉(zhuǎn)陽極X-射線衍射儀 日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社;JSM-6610A型掃描電鏡 日本島津公司;TA-60熱失重分析儀 日本島津公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理 經(jīng)去離子水洗凈的玉米皮,自然條件下晾干,之后利用高速萬能粉碎機(jī)對玉米皮進(jìn)行粉碎,將粉碎后的玉米皮粉碎過80目篩,收集篩下物,置于干燥處儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 玉米皮纖維素的提取 取2.00 g預(yù)處理后的玉米皮粉,放入潔凈干燥的錐形瓶中,按照1∶20 g/mL的料液比,倒入硝酸體積分?jǐn)?shù)20%的硝酸-乙醇溶液,裝上冷凝回流管,在90 ℃溫度下水浴加熱2.0 h,反應(yīng)結(jié)束后移去冷凝管,將錐形瓶自水浴中取出,靜置片刻,殘?jiān)湃氩Ａ靶韭┒分羞^濾以除去溶劑,然后用無水乙醇洗滌兩次,最后用熱的去離子水洗至中性,抽濾,105 ℃烘干至質(zhì)量恒定,得到的剩余固體末即玉米皮纖維素[15]。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn) 選擇提取溫度、提取時(shí)間、料液比和硝酸體積分?jǐn)?shù)為考察因素,分別考察提取溫度80、85、90、95、100 ℃,提取時(shí)間1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h、料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/mL,硝酸體積分?jǐn)?shù)10%、15%、20%、25%、30%對粗品中纖維素含量的影響。實(shí)驗(yàn)過程中的固定水平值為:提取溫度90 ℃、提取時(shí)間2.0 h、料液比1∶20 g/mL、硝酸體積分?jǐn)?shù)20%。

1.2.4 Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇對提取物纖維素含量影響較大的三個(gè)因素為響應(yīng)面試驗(yàn)的自變量,以纖維素含量為響應(yīng)指標(biāo),采用Design-Expert 10.0.6軟件設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn),因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.5 纖維素含量測定 參照李春光等[16]測定纖維素含量的方法測定,計(jì)算公式如下。

式中,k為硫酸亞鐵銨的濃度,mol/L;x為對照組滴定所消耗硫酸亞鐵銨的體積,mL;y為溶液所消耗硫酸亞鐵銨的體積,mL;M為提取物的質(zhì)量,g。

1.2.6 掃描電鏡分析(SEM) 采用掃描電鏡-能譜分析儀觀測玉米皮和玉米皮纖維素的表觀形貌,放大倍數(shù)為5000倍,加速電壓為15 kV,樣品表面進(jìn)行60 s噴金處理。

1.2.7 紅外光譜分析(FTIR) 分別稱取玉米皮和玉米皮纖維素2 mg,使其與200 mg在105 ℃條件下烘干至恒重的溴化鉀粉末混合均勻,研磨后壓片,利用傅里葉紅外光譜儀得到紅外光譜圖。測試條件:光譜范圍4000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描范圍為4 000～400 cm-1,掃描次數(shù)32次。

1.2.8 X-射線衍射分析(XRD) 分別將玉米皮和玉米皮纖維素研磨成粉末狀,利用D/max-rB型X射線衍射儀測定其X-射線衍射圖譜。測試條件為:Cu靶,Ka射線,波長為0.154 nm,掃描范圍為2θ=10～60 °,掃描速度為40 °/min,步寬為0.01 °。根據(jù)衍射圖譜強(qiáng)度,利用高度法計(jì)算纖維素結(jié)晶度,公式為:

結(jié)晶度Cr(%)=[(I002-Iam)/I002]×100

式中:Cr是相對結(jié)晶度的百分率,I002為(002)晶面衍射強(qiáng)度,即結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度,Iam是纖維素?zé)o定性區(qū)(2θ=18 °～19 °)處的最小衍射強(qiáng)度,即無定性區(qū)的衍射強(qiáng)度。

1.2.9 熱重分析(TGA) 設(shè)定溫度區(qū)間為50～1000 ℃,載氣為高純度N2混合氣,流量為30 mL/min,升溫速率為10 ℃/min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次取平均值。利用Excel 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),Origin 2017軟件作圖,Design-Expert 10軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 提取溫度對提取物纖維素含量的影響 由圖1可知,提取物纖維素含量隨提取溫度的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢。分析原因,當(dāng)溫度低于95 ℃時(shí),隨著溫度的升高,溶液中酸的反應(yīng)活性增大[17],促使半纖維素和木質(zhì)素等雜質(zhì)溶解,纖維素含量不斷上升,在95 ℃時(shí),纖維素含量達(dá)到最大值;當(dāng)溫度高于95 ℃時(shí),會(huì)導(dǎo)致纖維素發(fā)生部分降解,則纖維素含量下降。因此,選擇的適宜提取溫度為95 ℃。

2.1.2 提取時(shí)間對提取物纖維素含量的影響 由圖2可知,提取物纖維素含量隨提取時(shí)間的延長呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。在2.5 h之前,隨著提取時(shí)間的延長,原料中半纖維素和木質(zhì)素等雜質(zhì)得以與溶液充分反應(yīng),纖維素含量上升;繼續(xù)延長提取時(shí)間,纖維素含量雖然仍有提高,但是增量很小,可能是體系內(nèi)硝酸濃度降低,酸解能力減弱,故從經(jīng)濟(jì)成本和操作工藝兩方面考慮,提取時(shí)間選擇2.5 h為宜。

圖2 提取時(shí)間對提取物纖維素含量的影響Fig.2 Effect of extraction time on cellulose content of extract

2.1.3 料液比對提取物纖維素含量的影響 由圖3可知,提取物纖維素含量隨料液比的增大而呈現(xiàn)先升后降的趨勢。在料液比1∶10～1∶20 g/mL時(shí),玉米皮與溶液的接觸程度不斷增大,半纖維素、木質(zhì)素等雜質(zhì)逐漸被水解去除,料液比大于1∶20 g/mL時(shí),纖維素結(jié)晶區(qū)遭到破壞后氫鍵斷裂,發(fā)生過度水解,纖維素含量下降[18],料液比選擇為1∶20 g/mL為宜。由圖3可知,料液比對提取物纖維素含量影響較小,故不選擇料液比作為響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的自變量。

圖3 料液比對提取物纖維素含量的影響Fig.3 Effect of solid/liquid ratio on cellulose content of extract

2.1.4 硝酸體積分?jǐn)?shù)對提取物纖維素含量的影響 由圖4可知,提取物纖維素含量隨硝酸體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先升后降的趨勢。分析原因,當(dāng)硝酸體積分?jǐn)?shù)在10%～25%,隨著硝酸體積分?jǐn)?shù)的增大,溶液酸解氧化能力增強(qiáng),對溶液蛋白質(zhì)、半纖維素的清除能力提升,所得提取物纖維素含量隨之增大;在硝酸體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí),纖維素含量達(dá)到最大值;繼續(xù)增大硝酸體積分?jǐn)?shù),纖維素分子間的氫鍵結(jié)構(gòu)被破壞被硝酸溶解,生成硝化纖維素,導(dǎo)致纖維素含量降低[19]。因此,選擇的硝酸體積分?jǐn)?shù)為25%。

圖4 硝酸體積分?jǐn)?shù)對提取物纖維素含量的影響Fig.4 Effect of HNO3 volume fraction on cellulose content of extract

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 回歸模型的建立與分析 將表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析,結(jié)果見表3。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Results of Box-Behnken experimental design

表3 方差分析表Table 3 Results of variance analysis

Y=+79.79+0.66A+0.38B+1.36C-0.26AB+0.51AC+1.00BC-2.44A2-1.98B2-1.81C2

2.2.2 響應(yīng)面分析 通過對建立的回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析,得到各因素交互作用對提取物纖維素含量影響的響應(yīng)曲面圖,如圖5所示。

圖5 各因素的交互作用對纖維素含量的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surfaces plots ofvariable parameters on content of cellulose

由圖5與表3可知,提取時(shí)間和硝酸體積分?jǐn)?shù)對提取物纖維素含量的交互作用影響最顯著,曲面較陡;提取溫度和硝酸體積分?jǐn)?shù)對提取物纖維素含量的交互作用影響次之;提取溫度與提取時(shí)間對提取物纖維素含量的交互作用影響較小,相應(yīng)表現(xiàn)為曲線較為平滑。

2.2.3 優(yōu)化工藝條件確定及驗(yàn)證性試驗(yàn) 通過響應(yīng)面分析得到纖維素提取的優(yōu)化工藝條件為提取溫度95.86 ℃、提取時(shí)間2.6 h、硝酸體積分?jǐn)?shù)27.28%,此條件下提取物纖維素含量為80.19%。結(jié)合試驗(yàn)操作的可能性將工藝條件修正為取提取溫度96 ℃、提取時(shí)間2.6 h、硝酸體積分?jǐn)?shù)27%,進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn),提取物纖維素含量為80.26%±0.88%,此結(jié)果與理論預(yù)測值基本一致,說明該回歸模型擬合程度較好,可以利用該條件提取玉米皮纖維素。

2.3 玉米皮纖維素的表征

2.3.1 掃描電鏡分析(SEM) 圖6為玉米皮和玉米皮纖維素的掃描電鏡圖。由圖6可以看出,玉米皮表面光滑、平整,結(jié)構(gòu)緊密,比表面積較小,附著隨機(jī)分布有大小不等的塊狀物;玉米皮纖維素則表面出現(xiàn)褶皺,比表面積增大,塊狀物很少。分析其原因,提取過程中玉米皮的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)受到破壞,表面因纖維素分子聚集變得粗糙,由于表面包裹的半纖維素和木質(zhì)素被降解,使得其纖維素結(jié)構(gòu)裸露出來[20]。

圖6 玉米皮和玉米皮纖維素的掃描電鏡圖(×5000)Fig.6 The SEM spectra of corn branand corn bran cellulose(×5000)

2.3.2 紅外光譜分析(FTIR) 圖7為玉米皮和玉米皮纖維素的紅外光譜圖。由圖7可知，玉米皮和玉米皮纖維素的紅外吸收峰位置大體一致,說明降解前后纖維素的分子結(jié)構(gòu)并沒有太大變化。圖中898 cm-1處為纖維素中β-D葡萄糖苷鍵的吸收峰,是纖維素的特征結(jié)構(gòu)峰,曲線(b)此處的吸收峰強(qiáng)度增大,說明玉米皮經(jīng)處理后纖維素純度有所提升[21];1018 cm-1處為纖維骨架的C-O伸縮振動(dòng)吸收峰[22],1157 cm-1處為C-O-C的不對稱伸縮振動(dòng)吸收峰[23];1600 cm-1處為纖維素分子吸收水而出現(xiàn)的特征吸收峰[24];2922 cm-1處為C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰;3400 cm-1處附近強(qiáng)度和寬度都較大的為纖維素中O-H的伸縮振動(dòng)吸收峰,曲線(b)此處的吸收峰強(qiáng)度減小,可能是提取過程中纖維素鏈間氫鍵被降解[25],這些吸收峰均為纖維素特征吸收峰。此外,1516 cm-1處代表木質(zhì)素中苯環(huán)的C=C振動(dòng)吸收峰,1732 cm-1處代表木質(zhì)素和半纖維素中羰基伸縮振動(dòng)吸收峰[26],而曲線(b)中1732 cm-1處的特征吸收峰強(qiáng)度明顯減弱,1516 cm-1特征吸收峰則消失,說明在纖維素提取過程中,硝酸-乙醇溶液可以有效去除玉米皮中的木質(zhì)素和半纖維素。

圖7 玉米皮(a)和玉米皮纖維素(b)的紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectrum of corn bran(a)and corn bran cellulose(b)

2.3.3 X-射線衍射分析(XRD) 圖8為玉米皮和玉米皮纖維素的XRD譜圖。由圖8可以看出,處理前后二者的纖維素特征峰位置基本一致,只是衍射強(qiáng)度不同,說明玉米皮經(jīng)硝酸-乙醇溶液提取后原有的纖維素晶型沒有發(fā)生改變。玉米皮的XRD圖譜中在21.8°處出現(xiàn)強(qiáng)衍射峰,在16.8 °、34.9 °處出現(xiàn)弱的衍射峰;纖維素的XRD圖譜中在21.8 °處出現(xiàn)強(qiáng)衍射峰,在15.3 °、34.8 °處出現(xiàn)較弱的衍射峰。2θ=15.3°對應(yīng)纖維素晶體的101晶面,2θ=21.8 °對應(yīng)晶體002晶面,2θ=34.8 °對應(yīng)晶體004晶面,可以確定玉米皮纖維素屬于纖維素I型。其中圖譜中曲線(a)在2θ=15.3 °附近處未出現(xiàn)明顯衍射峰;曲線(b)較曲線(a)在2θ=21.8 °處特征峰峰型更窄、更尖銳,是由于纖維素結(jié)晶區(qū)裸露出來后,吸收強(qiáng)度增大,結(jié)晶度增加,002晶面衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)[27]。處理前后物質(zhì)結(jié)晶度指數(shù)由37%結(jié)晶度增加至56%,結(jié)晶度相對增加。利用硝酸-乙醇溶液可以有效去除纖維素表面包裹的半纖維素、木質(zhì)素,得到下結(jié)晶度更大的纖維素。

圖8 玉米皮(a)和玉米皮纖維素(b)的XRD譜圖Fig.8 The XRD spectrum of cornbran(a) and corn bran cellulose(b)

2.3.4 熱重分析(TGA) 圖9為玉米皮和玉米皮纖維素的熱重曲線圖,由圖9可知,在溫度低于100 ℃,由于二者中含有的少量水分,樣品中會(huì)出現(xiàn)了很小的重量損失。之后隨著溫度的上升,玉米皮與玉米皮纖維素的TGA曲線則呈現(xiàn)出不同的熱分解過程。玉米皮在208 ℃時(shí)熱分解過程,296 ℃時(shí),達(dá)到熱分解最大溫度,隨后分解程度減緩,但在341 ℃是出現(xiàn)熱分解程度加快的現(xiàn)象,之后在349 ℃時(shí)又達(dá)到熱分解最大溫度,1000 ℃時(shí)樣品中殘余量在11%左右。玉米皮纖維素只存在出一次降解過程,在222 ℃時(shí)開始熱分解過程,334 ℃時(shí),達(dá)到熱分解最大溫度,1000 ℃時(shí)樣品殘余量在6%左右。由此得出,提取物熱分解溫度高于玉米皮,這是因?yàn)槔w維素?zé)峤鉁囟雀哂诎肜w維素和木質(zhì)素,前者半纖維素與木質(zhì)素及非結(jié)晶組分被大部分去除,而且纖維素的結(jié)晶度更大,故熱穩(wěn)定性優(yōu)于玉米皮。

圖9 玉米皮(a)和玉米皮纖維素(b)的TGA曲線Fig.9 TGA curves of corn bran(a) and corn bran cellulose(b)

3 結(jié)論

玉米皮纖維素提取各工藝因素對玉米皮纖維素含量的影響程度為硝酸體積分?jǐn)?shù)>提取溫度>提取時(shí)間,最佳工藝條件為料液比1∶20 g/mL、硝酸體積分?jǐn)?shù)27%、提取溫度96 ℃、提取時(shí)間2.6 h,此時(shí)提取物纖維素含量為80.26%±0.88%,與理論預(yù)測值擬合程度高,可利用該條件提取玉米皮纖維素。實(shí)驗(yàn)用到的乙醇可通過旋蒸處理重復(fù)利用,一定程度上節(jié)約了成本,在工業(yè)上有廣闊的應(yīng)用前景。

通過對玉米皮纖維素進(jìn)行表征分析可知,硝酸-乙醇溶液處理可將半纖維素和木質(zhì)素大部分去除;纖維素晶型仍為I型,結(jié)晶度為56%;熱分解溫度為222 ℃,熱穩(wěn)定性優(yōu)于玉米皮。