響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化蘋果渣微晶纖維素制備工藝

郭美麗，羅倉學(xué)*

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化蘋果渣微晶纖維素制備工藝

郭美麗，羅倉學(xué)*

(陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

研究利用蘋果渣纖維素制備微晶纖維素的方法過程。在水解時(shí)間50min、水解溫度100℃條件下，采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)、分析，研究酸水解纖維素制備微晶纖維素時(shí)，各因素料液比、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和次氯酸鈉添加量及3因素間兩兩交互作用對微晶纖維素得率的影響。結(jié)果表明，各因素對得率影響的顯著性表現(xiàn)為鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞料液比＞次氯酸鈉添加量。分析等高線和響應(yīng)面，得出各因素兩兩之間的交互作用對得率都顯著。通過求解回歸方程得出最佳工藝條件為料液比1:25(g/mL)、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、次氯酸鈉添加量2.5mL/100mL，此條件下微晶纖維素制備得率達(dá)到69.5%。

微晶纖維素；得率；響應(yīng)面試驗(yàn)

微晶纖維素(microcrystalline cellulose，MCC)是纖維素降解后聚合度達(dá)到平衡聚合度(level-off degree of polymerization，LODP)時(shí)的產(chǎn)物[1-2]。以酸水解法制備微晶纖維素是目前最常用的方法[3-5]，適當(dāng)?shù)乃峤馐估w維素分子中的1,4-葡糖苷鍵斷裂，聚合度降低，并達(dá)到極限值(LODP)。這一過程中，纖維素分子內(nèi)結(jié)構(gòu)疏松的無定形區(qū)首先被破壞，使之發(fā)生重取向而成更為有序的狀態(tài)，從而使纖維素材料微粉化甚至微晶化[1,6-7]。微晶纖維素是一種非常有價(jià)值的產(chǎn)品[8-9]，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品、輕化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[10-13]，具有極大的市場潛力和廣闊的開發(fā)前景。目前有關(guān)微晶纖維素的開發(fā)利用深受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。

隨著微晶纖維素的廣泛應(yīng)用，利用酸水解法以稻草、蔗渣為原料制備微晶纖維素已成為研究者關(guān)注的開發(fā)利用途徑。近年來，微晶纖維素的制備方法也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，有研究者已經(jīng)成功利用酶水解法制備得到微晶纖維素，該方法制備得到的微晶纖維素聚合度相對較高[14]。本實(shí)驗(yàn)利用蘋果渣纖維素制備微晶纖維素，并采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案優(yōu)化工藝條件[15]，旨在為蘋果渣的高附加值利用途徑提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果渣 陜西海升果汁廠；蘋果渣纖維素由本實(shí)驗(yàn)室硝酸乙醇法提取制備；硝酸(分析純)、98%乙醇、次氯酸鈉(有效氯含量＞10%)、鹽酸(分析純)、CuSO4· 5H2O(分析純)、氨水(分析純)、0.5mol/L硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.1mol/L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、1mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、KI質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、葡萄糖、淀粉指示劑、甲基紅指示劑、甲基橙指示劑、細(xì)銅絲。

1.2 儀器與設(shè)備

DV-III+可編程控制式流變儀、TC-502D可控溫循環(huán)式水浴 美國Brookfield公司；85-2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器 上海浦東物理化學(xué)儀器廠；101-2恒溫鼓風(fēng)干燥箱北京科偉永興儀器有限公司；SHZ-O(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；KQ-200TDV型高頻數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司；MA50 Sartorius快速水分測定儀 德國Sartorius公司；HH-2型恒溫水浴鍋 金壇市富華電器有限公司；BS323S型電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蘋果渣纖維素的提取制備

利用堿液將蘋果渣蒸煮、洗凈晾干、粉碎過篩，然后采用硝酸-乙醇法[16]提取制備蘋果渣纖維素，粉碎、過篩備用。

1.3.2 微晶纖維素的制備工藝流程

蘋果渣纖維素→次氯酸鈉漂洗→水洗→水解→水洗、醇洗、干燥→粉碎→微晶纖維素

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3.3.1 水解時(shí)間的確定

在水解溫度100℃、次氯酸鈉添加量3mL/100mL、料液比1:25(g/mL)、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%條件下，水解10、20、30、40、50、60、70min，以水解達(dá)到平衡聚合度，即以水解產(chǎn)物樣液的黏度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)為最佳水解時(shí)間。

1.3.3.2 料液比的確定

以微晶纖維素得率為指標(biāo)，在水解溫度100℃、次氯酸鈉添加量3mL/100mL、水解時(shí)間50min、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%條件下，研究料液比1:15、1:20、1:25、1:30、1:35(g/mL)對微晶纖維素制備得率的影響。

1.3.3.3 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

料液比1:25(g/mL)，其他條件同1.3.3.2節(jié)，研究鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、4%、5%、6%、7%對微晶纖維素制備得率的影響。

1.3.3.4 次氯酸鈉添加量的確定

料液比1:25(g/mL)，其他條件同1.3.3.2節(jié)，研究次氯酸鈉添加量1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mL/100mL對微晶纖維素制備得率的影響。

1.3.4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取料液比、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、次氯酸鈉添加量為試驗(yàn)因素，采用Design Expert 7.1.3軟件設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)方案。應(yīng)用響應(yīng)曲面分析法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定因素之間的交互作用對酸水解纖維素制備微晶纖維素得率的影響，優(yōu)化利用蘋果渣纖維素制備微晶纖維素的工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 水解時(shí)間的確定

本實(shí)驗(yàn)中，將水解得到的樣品用銅氨溶液將其溶解，配制成質(zhì)量濃度0.04g/100mL的纖維素-銅氨溶液。最后應(yīng)用DV-III+可編程控制式流變儀測定其黏度值來判斷水解達(dá)到極限聚合度的時(shí)間。聚合度越高黏度越高，當(dāng)纖維素水解成為微晶纖維素時(shí)，其聚合度下降到極限聚合度，則樣品的銅氨溶液將出現(xiàn)黏度值由逐漸下降到趨于平衡的現(xiàn)象。

圖1 樣液黏度與水解時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Viscosity change during hydrolysis

由圖1可知，水解50min時(shí)，樣液的黏度值由下降趨勢轉(zhuǎn)為趨于平緩。這說明在酸水解過程中，水解到50min時(shí)，纖維素已經(jīng)降解到了微晶纖維素階段，此時(shí)其聚合度也即微晶纖維素的極限聚合度，這個(gè)時(shí)間即為纖維素水解成微晶纖維素的時(shí)間。超過這個(gè)時(shí)間聚合度下降不大，如果繼續(xù)水解，將使纖維素降解到低于微晶纖維素的極限聚合度階段。所以纖維素水解到微晶纖維素最佳時(shí)間為50min。

2.1.2 料液比的確定

由圖2可知，料液比在1:15～1:25(g/mL)時(shí)，微晶纖維素的得率緩慢提高。原因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)體系內(nèi)液體的量較小時(shí)，水解液流動性小，不能充分地與纖維素顆粒表面接觸，進(jìn)而纖維素的非結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)不能得到充分降解，微晶纖維素的得率不高。微晶纖維素的得率在料液比1:25(g/mL)時(shí)出現(xiàn)最大值后，隨著液體量的增大水解強(qiáng)烈，有部分已經(jīng)降解為葡萄糖，得率下降。所以料液比控制在1:25(g/mL)左右為宜。

圖2 料液比與得率的關(guān)系Fig.2 Effect of material/liquid ratio on microcrystalline cellulose yield

2.1.3 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

由圖4可知，次氯酸鈉添加量從1.0mL/100mL增加到2.0mL/100mL時(shí)，得率逐漸升高，大于2.0mL/100mL之后，得率開始迅速升高。達(dá)到2.5mL/100mL時(shí)得率最大，之后開始緩慢降低。這是因?yàn)槔w維素經(jīng)次氯酸鈉漂洗后，水洗不完全，殘余的ClO-伴隨著鹽酸的加入形成HClO，會輔助鹽酸降解纖維素使其生成微晶纖維素，從而使其得率有所升高。但是，隨著次氯酸鈉添加量的升高，水洗之后，ClO-殘余量也會有所增加，之后水解工藝中鹽酸的加入，體系內(nèi)的HClO量也迅速增加，輔助鹽酸水解纖維素降解嚴(yán)重，微晶纖維素得率降低。所以次氯酸鈉的添加量控制在2.5mL/100mL左右為宜。

2.2 蘋果渣微晶纖維素制備工藝響應(yīng)曲面分析

采用Box-Behnken模型以微晶纖維素得率為指標(biāo)，在水解時(shí)間50min、水解溫度100℃的條件下，選取料液比(X1)、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X2)、次氯酸鈉添加量(X3)進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)。試驗(yàn)方案及結(jié)果見表1、2。由圖3可知，隨著鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，微晶纖維素得率先增大后減少。在鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時(shí)，得率出現(xiàn)最大值。分析其原因，當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，

圖3 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與得率的關(guān)系Fig.3 Effect of hydrochloric acid concentration on microcrystalline cellulose yield

表1 蘋果渣微晶纖維素制備響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Variables and their coded levels in CCD design

反應(yīng)體系內(nèi)酸性環(huán)境不強(qiáng)，纖維素降解力度不夠，生成微晶纖維素的得率不高。但是當(dāng)鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，使得纖維素嚴(yán)重降解，微晶纖維素的得率降低。所以鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%左右為宜。

2.1.4 次氯酸鈉添加量的確定

圖4 次氯酸鈉添加量與得率的關(guān)系Fig.4 Effect of the amount of added sodium hypochlorite on microcrystalline cellulose yield

表2 蘋果渣微晶纖維素制備響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 CCD design scheme and corresponding experimental results

各因素經(jīng)多元回歸擬合，得回歸方程：

從表3分析結(jié)果看，模型P＜0.0001，表明該二次方程模型極顯著，可以應(yīng)用進(jìn)行工藝條件的優(yōu)化。各因素中鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響極顯著，料液比影響顯著，次氯酸鈉添加量影響不顯著。在所選取的各因素水平范圍內(nèi)，按照對指標(biāo)值的影響排序：鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞料液比＞次氯酸鈉添加量。

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Analysis of variance of established regression model for microcrystalline cellulose yield

2.2.1 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與料液比交互作用對得率的影響

圖5 料液比和鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對得率影響的等高線和響應(yīng)面Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of hydrochloric acid concentration and material/liquid ratio on microcrystalline cellulose yield

由圖5可知，在次氯酸鈉添加量2.5mL/100mL時(shí)，結(jié)合等高線和響應(yīng)面分析，料液比的最佳水平為1:25(g/ mL)。由等高線圖中的料液比為1:25(g/mL)點(diǎn)向著橢圓圓心輻射，在鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)兩線相交于橢圓的圓心，得率存在一個(gè)最大值。同樣從響應(yīng)面圖也可以看出在料液比與鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用下存在一個(gè)得率最大值。當(dāng)料液比一定時(shí)，隨著鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，得率逐漸升高。而當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，得率隨著料液比的增大先升高后又降低。

2.2.2 料液比與次氯酸鈉添加量的交互作用對得率的影響

圖6 次氯酸鈉添加量與料液比對得率影響的等高線和響應(yīng)面Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of the amount of added sodium hypochlorite and material/liquid ratio on microcrystalline cellulose yield

由圖6可知，在鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時(shí)，料液比與次氯酸鈉添加量的交互作用與得率呈拋物線型關(guān)系，且存在一個(gè)極大值點(diǎn)。由等高線圖可以看出，該等高線接近圓形圖案，可以推出其兩因素的交互作用對得率影響極顯著，從回歸方程中也可以看出此二次項(xiàng)呈高度顯著性(P＜0.01)。得率隨著料液比與次氯酸鈉添加量的增加先升高后降低。這是因?yàn)榱弦罕扰c次氯酸鈉添加量太低時(shí)，水解力度不夠，纖維素不能夠降解為微晶纖維素，所以得率低。但是當(dāng)料液比與次氯酸鈉添加量太高時(shí)，纖維素降解力度太大，有部分水解為葡萄糖單體，得率反而降低。

2.2.3 次氯酸鈉添加量與鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用對得率的影響

圖7 次氯酸鈉添加量與鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對得率影響的等高線和響應(yīng)面Fig.7 Response surface and contour plots showing the effects of the amount of added sodium hypochlorite and hydrochloric acid concentration on microcrystalline cellulose yield

由圖7可知，在料液比1:25(g/mL)情況下，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，得率隨著次氯酸鈉添加量的增大先迅速升高后又迅速降低，這是因?yàn)樵谟么温人徕c漂洗纖維素工藝后，水洗不夠徹底時(shí)殘存的ClO-伴隨著鹽酸的加入形成HClO，而HClO會輔助鹽酸部分氧化降解纖維素，但是當(dāng)次氯酸鈉添加量增高時(shí)，ClO-的殘存量也相應(yīng)增高，纖維素的氧化降解嚴(yán)重，使得率降低。而當(dāng)次氯酸鈉添加量一定時(shí)，得率隨著鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大緩慢升高。

2.3 最佳工藝條件的確定與驗(yàn)證

表4 模型的驗(yàn)證結(jié)果Table 4 Results of verification of optimal conditions

通過Design Expert 7.1.3軟件求解回歸方程，求得最佳料液比1:25.45、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、次氯酸鈉添加量2.53mL/100mL，此時(shí)預(yù)測得率的理論值為70%。考慮到實(shí)際操作性，選最佳料液比1:25(g/mL)、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、次氯酸鈉添加量2.5mL/100mL，為檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用最佳條件做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得率可達(dá)69.5%，與理論值基本一致。

進(jìn)一步驗(yàn)證該方程的有效性和合適性，隨機(jī)做6組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見表4。利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，實(shí)際值與預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)為0.996。說明該方程與實(shí)際情況擬合很好，該模型可以用來優(yōu)化工藝。

3 結(jié) 論

利用蘋果渣纖維素酸水解制備微晶纖維素，當(dāng)水解溫度100℃、水解時(shí)間50min時(shí)，通過響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，建立回歸模型。依據(jù)回歸分析確定各工藝條件的影響因素，確定工藝間的交互作用對得率的影響。通過求解回歸方程得出最佳工藝條件為料液比1:25(g/mL)、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、次氯酸鈉添加量2.5mL/100mL，在此工藝條件下，微晶纖維素制備的得率可達(dá)69.5%。

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Optimization of the Preparation of Microcrystalline Cellulose from Apple Pomace

GUO Mei-li，LUO Cang-xue*
(College of Life Science and Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

Rinsing with sodium hypochlorite and hydrolysis with hydrochloric acid are two key procedures for the preparation of microcrystalline cellulose from apple pomace. In the present study, based on single factor experiments, by which hydrolysis time of 50 min and temperature of 100 ℃ were determined, the pairwise interactive effects of material/liquid ratio, hydrochloric acid concentration and the amount of sodium hypochlorite addition on microcrystalline cellulose yield were discussed by central composite design (CCD) in combination with response surface analysis. The significance of the above three factors affecting microcrystalline cellulose yield decreased in the following order: hydrochloric acid concentration ＞ material/liquid ratio ＞ the amount of added sodium hypochlorite. Analysis based on response surface and contour plots showed that all the pairwise interactions significantly affected microcrystalline cellulose yield. The regression equation based on the results from CCD design was resolved, and the results indicated that the optimal amount of added sodium hypochlorite for rinsing apple cellulose was 2.5 mL/100 mL, and that the optimal hydrolysis effect was achieved by the use of 6% hydrochloric acid to hydrolyze the substrate diluted 25-fold by volume. Under these conditions, a microcrystalline cellulose yield of 69.5% was obtained.

microcrystalline cellulose；yield；response surface analysis

TQ353.423

A

1002-6630(2011)04-0054-05

2010-04-19

科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)(NCSTE-2007-JKZX-317)

郭美麗(1984—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称芳庸ぜ百Y源綜合利用。E-mail：guomeili2011@126.com

*通信作者：羅倉學(xué)(1959—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)槭称芳庸ぜ百Y源綜合利用。E-mail：luocx@sust.edu.cn