硫酸水解冰糖橙皮渣工藝研究*

高玉妹，陶能國，劉躍進，石文卿，宋冰

1(湖南澳優(yōu)食品與營養(yǎng)研究院，湖南長沙，410005)2(湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭，411105)

硫酸水解冰糖橙皮渣工藝研究*

高玉妹1，2，陶能國2，劉躍進2，石文卿2，宋冰2

1(湖南澳優(yōu)食品與營養(yǎng)研究院，湖南長沙，410005)2(湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭，411105)

對硫酸水解冰糖橙皮渣的工藝進行了初步探討。單因素實驗表明，H2SO4水解冰糖橙皮渣的適宜單因素條件依次為:溫度120℃，停留時間60 min，H2SO4濃度0.15mol/L，液固比10∶1(g∶mL)。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了L9(34)正交實驗，結(jié)果表明H2SO4水解冰糖橙皮渣的適宜工藝條件為:H2SO4濃度為0.15mol/L;液固比(g∶mL)為10∶1;水解溫度為120℃;停留時間為90 min，在此條件下獲得的還原糖得率高達51.25%，物質(zhì)失重84.1%。說明采用H2SO4水解冰糖橙皮渣是切實可行的。

H2SO4，水解，冰糖橙皮渣，還原糖

柑橘皮渣的主要組成為果膠、纖維素和半纖維素等，約占柑橘皮渣干重的20%～30%［1－3］。特定條件下，果膠、纖維素和半纖維素能轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖，在微生物作用下轉(zhuǎn)化成乙醇［4－9］。美國、希臘等國家已逐步開始利用柑橘皮渣發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇［6，8－9］，我國也已有零星的報道［10］。按照柑橘類果實榨汁和鮮食后約產(chǎn)生20%～30%的皮渣推算，我國每年可產(chǎn)生不少于320萬t的柑橘皮渣，理論上可產(chǎn)生至少1×105萬L燃料乙醇，因此用柑橘皮渣生產(chǎn)燃料乙醇具有廣泛的應(yīng)用前景。

將柑橘皮渣水解成可發(fā)酵性糖是利用柑橘皮渣發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的先決條件之一。果膠酶、纖維素酶和半乳糖苷酶等水解柑橘皮渣可在較短的時間內(nèi)獲得較高的還原糖，但缺點是成本高，且不同公司酶活力差別較大，很難獲得固定的反應(yīng)條件，因而需要反復(fù)優(yōu)化反應(yīng)條件和反應(yīng)體系［7］。有人曾做過估算，柑橘皮渣產(chǎn)燃料乙醇的原料成本約為0.32美元/L，略高于谷物 (0.26～0.32美元/L)，但低于纖維素(0.36～0.43 美元/L)，主要成本在于酶的消耗［11］。堿水解柑橘皮渣方法簡單，但糖得率較低［10］。因此，尋找一種操作簡單、高效且穩(wěn)定的水解方法對利用柑橘皮渣生產(chǎn)燃料乙醇顯得尤為重要。

本研究擬以冰糖橙皮渣為原料，初步探討硫酸水解的影響因素，并通過正交試驗得出最佳水解工藝條件，為開發(fā)柑橘皮渣提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冰糖橙(Citrus sinensis Osbeck)果實購于湘潭大學(xué)購物中心。清洗后，用壓榨機榨汁后，將皮渣在干燥箱中烘干。將烘干的皮渣用粉碎機粉碎后，放入塑料袋中備用。

所用儀器為:SL－250高速萬能粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)，F(xiàn)A1004N分析天平(上海精密科學(xué)儀器廠)，BL 320H電子天平(SHIMADZU公司)，101電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海躍進醫(yī)療器械廠)，MLS－3020立式壓力蒸汽滅菌器(日本SANYO電子有限公司)，PELTA 320酸度計(梅特勒－托利多儀器有限公司)，CL－100電爐(上海日用電爐)。

1.2 實驗方法

1.2.1 冰糖橙皮渣的硫酸水解方法

將冰糖橙皮渣粉碎，過40目篩，加入一定量的硫酸在高溫滅菌鍋中進行水解。水解后，濾液用蒸餾水稀釋至一定體積后，測定其還原糖含量。濾渣用自然水洗至中性后，放入105℃恒溫干燥箱中干燥至恒重，以測定其物質(zhì)失重百分比。

1.2.2 還原糖含量的測定——斐林試劑法［12］

1.2.3 物質(zhì)失重測定

2 結(jié)果與分析

2.1 水解溫度的確定

稱取2 g冰糖橙皮渣粉末，加入20mL濃度為0.15mol/L 的硫酸溶液，分別在 100，105，110，115，120℃下處理90 min，比較還原糖得率及物質(zhì)失重百分比，結(jié)果如圖1和圖2所示。當(dāng)水解溫度從100℃升至110℃時，還原糖得率以及物質(zhì)失重百分比一直呈上升趨勢。但在110～120℃之間，兩者增長幅度明顯減小，基本保持不變。原因可能是，高溫下纖維素的水解往往伴有木糖、葡萄糖的降解，當(dāng)溫度達到一定程度時，因溫度升高多生成的還原糖被用來降解，這樣還原糖含量會維持在一定水平而不再增加。

圖1 水解溫度對還原糖得率的影響

圖2 水解溫度對物質(zhì)失重百分比的影響

2.2 停留時間的確定

纖維素的水解是以有限速率進行的，需要一定的時間完成。生成的單糖也需要一定時間才能從纖維素內(nèi)部擴散至液相主體，這決定了水解液在反應(yīng)器內(nèi)需要有一定停留時間。另一方面，糖液停留時間的增加將使更多的單糖轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)品，故隨著反應(yīng)時間的增加還原糖濃度會出現(xiàn)極值。因此需要選擇一個合適的反應(yīng)時間。

稱取2 g冰糖橙皮渣粉末，加入20mL濃度為0.15mol/L的硫酸溶液，在120℃下分別處理30，60，90，120，150 min，比較還原糖得率，確定最佳停留時間，結(jié)果如圖3和圖4所示。當(dāng)水解時間從30 min增加到 60 min，還原糖得率從 47.5%增加到49.875%，物質(zhì)失重百分比從79.85%增至81.35%。隨著水解時間的進一步增加，兩者皆呈下降趨勢，當(dāng)時間增加到150 min時，其還原糖得率等于30 min下的還原糖得率，亦為47.5%，而其物質(zhì)失重百分比為79.775%。原因可能是加熱時間過長，部分還原糖發(fā)生了分解或焦碳化反應(yīng)，從而使還原糖得率和物質(zhì)失重百分比降低。

圖3 停留時間對還原糖得率的影響

圖4 停留時間對物質(zhì)失重百分比的影響

2.3 硫酸濃度的確定

工業(yè)上，硫酸濃度越低，工業(yè)成本越低，對設(shè)備的要求也越低，所以在不影響水解效果的情況下，硫酸濃度應(yīng)取最低值。稱取2 g冰糖橙皮渣粉末，分別加入20mL 濃度為0.05，0.1，0.15，0.2，0.25mol/L 的硫酸溶液，在120℃下處理60 min，比較還原糖得率，確定最佳水解濃度，結(jié)果如圖5和圖6所示。當(dāng)硫酸濃度從0.05mol/L升至0.15mol/L時，還原糖得率以及物質(zhì)失重百分比隨著濃度的增加而增加;到0.15mol/L時，還原糖得率和物質(zhì)失重百分比最大。如繼續(xù)增加硫酸濃度，兩者皆呈現(xiàn)下降趨勢。即0.15mol/L是最適硫酸濃度，此時還原糖得率為48.75%，物質(zhì)失重百分比為80.8%。分析可能的原因是，在較低的硫酸濃度下，冰糖橙皮渣中纖果膠、纖維素和半纖維素等的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不能被完全破壞，果膠、纖維素和半纖維素等不能被充分水解。隨著硫酸濃度的增大，樣品中某些物質(zhì)被碳化，形成不溶性固體物質(zhì)，導(dǎo)致水解效率降低，物質(zhì)失重百分比下降。

圖5 硫酸濃度對還原糖得率的影響

圖6 硫酸濃度對物質(zhì)失重百分比的影響

2.4 液固比的確定

稱取2 g冰糖橙皮渣粉末，分別加入12，16，20，24，28mL濃度為0.15mol/L的硫酸溶液，在120℃下處理60 min，比較還原糖得率，確定最佳液固比，結(jié)果如圖7和圖8所示。

當(dāng)液固比(g∶mL)從6∶1 增加到 10∶1 時，還原糖得率以及物質(zhì)失重百分比皆成線性趨勢增長;當(dāng)液固比進一步增大時，還原糖得率略有減少，物質(zhì)失重比也相應(yīng)減少。分析其原因，可能是由于液固比太低，硫酸不能和冰糖橙殘渣充分接觸，致使果膠、纖維素和半纖維素等的水解不徹底;液固比太高，雖然硫酸能和冰糖橙殘渣充分混勻，但生成的還原糖濃度相對降低，從而還原糖得率也偏低。而當(dāng)液固比為10∶1時，冰糖橙皮渣粉末正好在硫酸溶液中分散均勻，水解效果最好。

圖7 液固比對還原糖得率的影響

圖8 液固比對物質(zhì)失重百分比的影響

2.5 硫酸水解最佳工藝條件的選擇

在上述單因素實驗的基礎(chǔ)上，分別選取對水解影響較顯著的溫度(℃)，停留時間(min)，濃度(mol/L)，液固比的4個因素的3個較優(yōu)水平，用L9(34)正交試驗對水解工藝條件作進一步優(yōu)化。正交實驗及結(jié)果見表1、表2。

表1 硫酸水解正交實驗表

表2 水解正交實驗結(jié)果

由于極差R越大，各影響因素對于實驗結(jié)果的影響也就越大［3］，由表2可以看出，因素C的極差R最大，即硫酸濃度是主要影響因素，其次為液固比。各因素對水解硫酸影響的大小順序為C ＞D ＞A ＞B。

由表2可知，硫酸濃度以k2值最大，為48.97;液固比以k2值最大，為48.67;水解溫度以k3值最大，為48.6;停留時間以k3值最大，為48.57。故最佳工藝條件組合為C2D2A3B3，即硫酸濃度為0.15mol/L;液固比10∶1;水解溫度為 120℃，停留時間為90 min。為了確認正交試驗較優(yōu)組合條件的再現(xiàn)性，以C2D2A3B3為水解條件進行試驗，結(jié)果還原糖得率為51.25%，物質(zhì)失重百分比為84.1%，高于正交試驗中的最高還原糖得率和最大物質(zhì)失重百分比。

3 討論

以冰糖橙皮渣為原料，依次對影響酸水解的4個因素(溫度、時間、濃度和液固比)進行了初步研究，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了L9(34)正交實驗，得到硫酸水解冰糖橙皮渣的最佳工藝條件為:硫酸濃度為0.15mol/L;液固比(g∶mL)為10∶1;水解溫度為120℃;停留時間為90 min，在此條件下獲得的還原糖得率為51.25%，物質(zhì)失重百分比為84.1%，略高于酶水解的伏令夏橙和葡萄柚果皮還原糖含量(分別為50.1%和41.6%)，這說明采用硫酸水解柑橘皮渣是切實可行的。

在研究的4個因素中，硫酸濃度和液固比對還原糖得率影響較大，而溫度和停留時間影響相對較小。本研究所用的硫酸濃度只有0.15mol/L，介于強酸與弱酸之間，是一種“溫和型酸”，操作安全，對外界環(huán)境條件要求較低。液固比控制在10∶1既可保證材料與溶液充分接觸，不僅可以獲得較高還原糖得率，還可避免反應(yīng)產(chǎn)物黏度過高對后續(xù)發(fā)酵過程的影響［11］。在所研究溫度范圍內(nèi)，低于110℃還原糖得率較低，故稀硫酸水解柑橘皮渣的溫度最好控制在110℃以上，這一結(jié)果與以往稀酸處理要求在高溫下進行的報道類似［14］。最佳工藝條件下反應(yīng)時間影響最小，但過長的加熱時間會使還原糖發(fā)生分解或焦碳化，因而從經(jīng)濟的角度，以及產(chǎn)物的組成考慮，60 min比90 min更為合適。

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Study on the Technology of Sulfuric Acid Hydrolysis on Crystallized Sugar Marinated Orange Peel Residue

Gao Yu-mei1，2，Tao Neng-guo2，Liu Yue-jin2，Shi Wen-qing2，Song Bing2
1(Food and Nutritional Institute of Hunan Ausnutria，Changsha 410005，China)2(College of Chemical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China)

The technology of sulfuric acid hydrolysis on orange peel residue products was studied in this paper.Results showed that the optimum condition for single factor experiments was:temperature 120°C;time 60 min;sulfuric acid concentration 0.15mol/L;liquid-solid ratio 10∶1.Then a L9(34)orthogonal experiment was designed.The results showed the optimum pretreatment was 0.15mol/L of sulfuric acid;10∶1 of liquid－solid ratio;120 °C for 90 min.Under these conditions，the yield of reducing sugar was up to 51.25%，and the weight loss was 84.1%.It indicated that the use of sulfuric acid hydrolysis crystallized sugar marinated orange peel residue was feasible.

sulfuric acid，hydrolysis，Bingtang sweet orange residue，reducing sugar

碩士(陶能國教授為通訊作者，Te:0731－58292246，E-mail:nengguotao@126.com)。

*國家自然科學(xué)基金(30901010)資助

2010－05－07，改回日期:2010－09－07