石榴廢棄物為資源制備微晶纖維素及膳食纖維工藝研究

施歡賢， 張嚴磊， 宋忠興， 唐志書*

（陜西中醫(yī)藥大學(xué)，陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心/陜西省中藥基礎(chǔ)與新藥研究重點實驗室，陜西 咸陽 712083）

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石榴廢棄物為資源制備微晶纖維素及膳食纖維工藝研究

施歡賢， 張嚴磊， 宋忠興， 唐志書*

（陜西中醫(yī)藥大學(xué)，陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心/陜西省中藥基礎(chǔ)與新藥研究重點實驗室，陜西 咸陽 712083）

摘 要：以石榴皮為原料，硝酸―乙醇法提取纖維素，稀鹽酸水解纖維素制備微晶纖維素。在單因素實驗的基礎(chǔ)上采用正交試驗法研究鹽酸濃度（A）、料液比（B）、水解溫度（C）、水解時間（D）對微晶纖維素得率的影響。結(jié)果顯示，制備石榴皮微晶纖維素的最佳工藝條件為：鹽酸濃度 9%，料液比1∶15，水解溫度100℃，水解時間1.5 h。微晶纖維素的聚合度為287.12 L/g，結(jié)晶度為82.69%，工藝條件穩(wěn)定，產(chǎn)品性能優(yōu)良。以石榴果肉渣為原料，堿法提取膳食纖維，研究NaOH濃度（A）、料液比（B）、提取溫度（C）、對膳食纖維提取效率的影響，結(jié)果顯示最佳提取工藝條件為：溫度100℃，料液比1∶5，NaOH濃度5%。石榴果肉渣膳食纖維完全為可溶性膳食纖維，該膳食纖維為淡黃色的結(jié)晶粉末，其持水力與溶脹性分別高達8.7 g/g與15.5 mL/g。

關(guān)鍵詞：石榴廢棄物；資源化開發(fā)；微晶纖維素；膳食纖維

微晶纖維素（MMC）是天然纖維素水解至極限聚合度的一種纖維素的新形式，具多種優(yōu)良的性能，因此被廣泛應(yīng)用與食品、藥物、化工等各個領(lǐng)域，尤其是重要的藥物輔料，具有廣闊的市場需求［1］，因此開發(fā)微晶纖維素是目前的研究熱點之一。方培蓉等［2］以提取的椰子中果皮纖維素為原料，鹽酸水解制備微晶纖維素，工藝條件為：水解溫度100℃、水解時間70 min、鹽酸質(zhì)量分數(shù)7%、料液比1∶15 （g/mL） ，在此條件下，微晶纖維素得率為97.50%；韓穎等［3］用酸法制備蘆葦微晶纖維素，制備工藝條件為：鹽酸質(zhì)量分數(shù)6%，水解時間60 min，水解溫度80℃，液比1∶10；產(chǎn)物聚合度為270.6 L/g，結(jié)晶度為73.2%，得率為85.4%。作為功能性食品的基料之一，膳食纖維因其獨特的降血糖、控制體重、調(diào)節(jié)腸道菌群等多種功能和作用［4］，越來越受到關(guān)注。膳食纖維主要通過水解豆類及果蔬中的多糖及木質(zhì)素制備［5-6］，水解方法有酶法與化學(xué)法等［7-8］?；瘜W(xué)法中，堿解醇沉因操作簡單、易于控制，因此在膳食纖維制備研究與工業(yè)化生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用［9-12］。

石榴（Punica granarum L.）又名安石榴、丹若等，在我國各地廣泛分布［13］。石榴是美味可口的水果，果肉富含花青素及多可溶性多酚化合物、丹寧、花色素苷等，具有抗動脈粥樣硬化的特性［14］；石榴皮是中國傳統(tǒng)中藥材，主治療細菌性痢疾、真菌引起的皮膚疾病以及多種感染性疾?。?5-16］，從石榴皮中提取的多酚、多糖等活性成分被證明有種藥理活性［17-18］；石榴籽油具有有抗氧化、抗癌、增強免疫力、保護心腦血管獨特的生理活性［19］。因此，目前對石榴的開發(fā)應(yīng)用方面，除當(dāng)做新鮮水果外，以石榴皮提取活性成分、石榴果肉榨汁、石榴籽榨油為主。加工過程中會產(chǎn)生大量的果皮、果肉殘渣，是制備微晶纖維素、膳食纖維的優(yōu)良材料，但是目前鮮見對這些廢棄物進行開發(fā)利用的研究，大多被當(dāng)做廢棄物丟棄，一方面污染環(huán)境，另一方面造成了資源浪費。

因此，本文以石榴加工廢棄物―石榴皮殘渣為原料，硝酸―乙醇法提取纖維素，稀鹽酸水解纖維素制備微晶纖維素；石榴果肉殘渣堿解醇沉法制備膳食纖維。通過單因素實驗和正交試驗優(yōu)化工藝，并測定微晶纖維素與膳食纖維的的主要性能指標(biāo)，為石榴產(chǎn)業(yè)的開發(fā)利用提供新的途徑。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：新鮮成熟石榴采自陜西省西安市臨潼區(qū)，果皮與果肉分離，果皮烘干備用，果肉打漿分離果肉與籽、果肉榨汁、過濾、果肉渣干燥后備用；95%乙醇、無水乙醇、去離子水等試劑及溶劑均為分析純。

儀器：HH-4型電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；101-1電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；Mastersizer 3000粒度分析儀，英國Malvern公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 石榴皮微晶纖維素渣纖維素的制備

參考文獻［2-3］的方法：將石榴皮干燥、粉碎，每次取5 g，料液比1∶20加入硝酸乙醇混合溶液，在80℃下回流，每次2 h，重復(fù)三次，直至固體變白后抽濾，蒸餾水將濾渣洗至中性后，乙醇洗滌，而后干燥粉碎得石榴皮微晶纖維素渣纖維素。 ［2-3］的方法：將石榴皮纖維素，按照一定料液比加入稀鹽酸，在設(shè)定溫度下水解一定時間，而后加入兩倍體積的蒸餾水，抽濾，濾餅蒸餾水洗至中性，干燥粉碎即得石榴皮微晶纖維素。

1.2.2 石榴皮微晶纖維素渣微晶纖維素的制備

微晶纖維素得率/ %=微晶纖維素的質(zhì)量（g）/石榴皮微晶纖維素渣纖維素的質(zhì)量（g）×100

1.2.3 單因素實驗

鹽酸濃度對微晶纖維素得率的影響：每份石榴皮微晶纖維素渣纖維素分別加入質(zhì)量分數(shù)1%、3%、5%、7%、9%、11%的稀鹽酸，料液比1∶5，溫度80℃，時間1 h。料液比對微晶纖維素得率的影響：每份石榴皮微晶纖維素渣纖維素分別加入料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，濃度7%的鹽酸，溫度80℃，時間1 h。溫度對微晶纖維素得率的影響：每份石榴皮微晶纖維素渣纖維素分別在50、60、70、80、90、100℃的溫度下，加入濃度為7%的鹽酸，料液比1∶10，時間1 h。時間對微晶纖維素得率的影響：每份石榴皮微晶纖維素渣纖維素分別水解0.5、1、1.5、2、2.5 h，鹽酸濃度7%，料液比1∶5，溫度90℃。在此基礎(chǔ)上設(shè)計正交試驗，考查鹽酸濃度（A）、料液比（B）、水解溫度（C）、水解時間（D）對微晶纖維素得率的影響，確定石榴皮微晶纖維素渣微晶纖維素制備最佳工藝。

1.2.4 正交實驗設(shè)計

由于微晶纖維素制備是用稀酸水解纖維素至極限聚合度，因此最佳的工藝條件應(yīng)該選擇微晶纖維素產(chǎn)率穩(wěn)定的區(qū)域，這個條件下纖維素水解充分，而產(chǎn)率最高的點恰恰是是纖維素水解最不徹底的點，因此設(shè)計正交實驗因素及水平時應(yīng)該考慮以產(chǎn)率最低的條件為最佳試驗條件。

根據(jù)單因素試驗結(jié)果設(shè)計正交實驗，正交實驗因素及水平如表1所示。

表1 正交實驗因素及水平

1.2.5 堿解醇沉法制備石榴果肉膳食纖維

石榴果肉渣烘干，每次取5 g，以一定料液比，加入一定濃度的NaOH溶液（一定的水浴溫度），果肉完全水解后抽濾，濾液濃縮，5%雙氧水脫色，加入4倍量95%乙醇，結(jié)晶，抽濾、晶體粉碎即為石榴果肉渣膳食纖維。

1.2.6 提取條件的優(yōu)化

氫氧化鈉濃度對石榴果肉膳食纖維提取效率的影響：每份石榴果肉渣分別加入濃度為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%的NaOH溶液，料液比1∶5，提取溫度30℃。料液比對膳食纖維提取效率的影響：每份石榴果肉渣分別加入料液比為1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10的NaOH溶液，NaOH濃度5%，提取溫度30℃。提取溫度對膳食纖維提取效率的影響：每份石榴果肉渣分別置于溫度為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃的水浴中，料液比1∶5，NaOH濃度5%。以水解完全所需時間為指標(biāo)，考查NaOH濃度、料液比、提取溫度對膳食纖維提取效率的影響，確定膳食纖維的最佳提取工藝。

1.2.7 膳食纖維性質(zhì)測定

持水力測定：準確稱取經(jīng)粉碎的可溶性膳食纖維1.00 g放入燒杯中，加入蒸餾水100 mL，在室溫下，電磁攪拌24 h后，加入4倍體積無水乙醇沉淀，抽濾，稱質(zhì)量。按式（1）計算持水力。

溶脹力測定：準確稱取可溶性膳食纖維1.00 g，測量其體積。用移液管準確移取100 mL的蒸餾水加入其中，振蕩均勻后置室溫下放置24 h，加入4倍體積無水乙醇，測量液體中沉淀的膳食纖維體積。按式（2）計算溶脹力。

2 結(jié)果與討論

2.1 石榴皮微晶纖維素制備單因素實驗及結(jié)果

2.1.1 鹽酸濃度對微晶纖維素得率的影響

鹽酸濃度對微晶纖維素得率的影響如圖1所示。由圖1可知，微晶纖維素的得率是隨著鹽酸濃度的增加而降低的，這是因為鹽酸濃度增大有利于纖維素的降解，在鹽酸濃度大于 7%后趨于穩(wěn)定，因此選擇鹽酸質(zhì)量分數(shù)7%為最佳試驗濃度。

2.1.2 料液比對微晶纖維素得率的影響

料液比對微晶纖維素得率的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著料液比的增加，微晶纖維素的得率一直下降，但是總體上料液比對微晶纖維素得率影響較小。料液比大于1∶10之后，微晶纖維素得率趨于穩(wěn)定，變化很小，因此選擇1∶10為最佳試驗料液比。

圖1 鹽酸濃度對微晶纖維素產(chǎn)量的影響

圖2 料液比對微晶纖維素產(chǎn)量的影響

2.1.3 溫度對微晶纖維素得率的影響

溫度對微晶纖維素得率的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著溫度的升高，微晶纖維素的得率變化很快，但是溫度超過 90℃以后，隨著溫度的升高，得率下降趨緩，考慮到節(jié)能等因素，從而選擇 90℃為最佳試驗溫度。

2.1.4 時間對微晶纖維素得率的影響

時間對微晶纖維素得率的影響結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，微晶纖維素的得率隨著水解時間的延長而降低很快，在超過1.5 h時得率趨于穩(wěn)定，此后隨著時間的延長，產(chǎn)量基本不再減少，因此選擇1.5 h為最佳試驗時間。

圖3 溫度對微晶纖維素產(chǎn)量的影響

圖4 時間對微晶纖維素產(chǎn)量的影響

2.1.5 正交試驗及結(jié)果

單因素實驗的基礎(chǔ)上，以微晶纖維素產(chǎn)率為標(biāo)準設(shè)計正交試驗，正交試驗設(shè)計因子水平及結(jié)果如表 2所示。由于微晶纖維素制備是用稀酸水解纖維素至極限聚合度，因此最佳的工藝條件應(yīng)該選擇微晶纖維素產(chǎn)率最低的條件，此時纖維素水解程度最高，最接近極限聚合度。

由正交試驗的K值及R值可見，四個因素對微晶纖維素產(chǎn)量影響的大小為A＞C＞B＞D，即鹽酸濃度＞反應(yīng)溫度＞料液比＞反應(yīng)時間。優(yōu)選出微晶纖維素得率最低的試驗條件為 A3B3C3D2，即鹽酸質(zhì)量分數(shù)9%、料液比為1∶15、溫度100℃、反應(yīng)時間1.5 h。

表2 正交實驗結(jié)果

2.1.6 最佳工藝條件穩(wěn)定性試驗

在最佳工藝條件下，進行三次平行試驗進行穩(wěn)定性驗證，其結(jié)果如表3所示。由表3可知，在最佳工藝條件下，微晶纖維素的得率為30.88%，工藝條件穩(wěn)定。

表3 最佳條件穩(wěn)定性試驗

2.1.7 最佳工藝條件下產(chǎn)品性能測試

由表4可知，在最佳工藝條件下，微晶纖維素的聚合度為287.12 L/g，結(jié)晶度為82.69%，工藝條件穩(wěn)定，產(chǎn)品性能優(yōu)良。另外，使用Mastersizer 3 000粒度分析儀，對石榴皮微晶纖維素的粒徑進行了測試，結(jié)果顯示石榴皮微晶纖維素粒度均小于1 000 μm。

表4 產(chǎn)品性能

2.2 石榴果肉渣膳食纖維制備工藝的優(yōu)化

2.2.1 氫氧化鈉濃度對膳食纖維提取效率的影響

由圖5可知，提取溫度30℃、料液比1∶5的條件下，石榴果肉膳食纖維的提取時間隨著氫氧化鈉濃度的增加而減少。但是隨著氫氧化鈉濃度的增大，水解液顏色加深，后續(xù)脫色變得困難，導(dǎo)致最終產(chǎn)物的外觀顏色欠佳，且由圖5可知，氫氧化鈉濃度在大于5以后曲線的變化趨緩，因此綜合考慮選擇5%為最佳氫氧化鈉濃度。

圖5 氫氧化鈉濃度對膳食纖維提取效率的影響

2.2.2 料液比對膳食纖維提取效率的影響

在確定了氫氧化鈉濃度之后，對料液比進行了優(yōu)化選擇，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，NaOH濃度5%、溫度30℃條件下，料液比小于1∶5石榴果肉膳食纖維的提取時間隨著料液比的增大變化顯著，應(yīng)該是料液比越大，更有利于膳食纖維的溶出，當(dāng)料液比大于 1∶5后，雖然也有變化，但是整體上影響特別小，且考慮到大的料液比會給后續(xù)濃縮及醇沉帶來麻煩，因此選擇1∶5為最佳的料液比。

圖6 料液比對膳食纖維提取效率的影響

2.2.3 提取溫度對膳食纖維提取效率的影響

通過對氫氧化鈉濃度及料液比的優(yōu)化選擇，石榴膳食纖維的提取效率大大提高，在此基礎(chǔ)上對溫度進行優(yōu)化選擇，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，在料液比為1∶5，氫氧化鈉濃度5%的條件下，膳食纖維的提取效率隨溫度的變化尤其顯著，溫度低于80℃的條件下，膳食纖維的提取時間隨溫度變化稍緩，溫度大于80℃以后時間驟然縮短，尤其當(dāng)溫度提高到100℃時，水解可以在15 min之內(nèi)完成，因此選擇100℃為最佳提取溫度。

圖7 提取溫度對膳食纖維提取效率的影響

2.2.4 石榴果肉渣膳食纖維的性能指標(biāo)

通過條件篩選與優(yōu)化，得出石榴果肉渣堿解醇沉制備膳食纖維的工藝條件為：氫氧化鈉濃度 5%，料液比1∶5，提取溫度100℃，在此條件下，15 min內(nèi)果肉渣可以被完全水解，后經(jīng)5%雙氧水脫色，95%乙醇醇沉制得石榴果肉膳食纖維粉。

與常見的制備膳食纖維原材料相比，石榴果肉所含的膳食纖維完全為可溶性膳食纖維，對其進行了持水力與溶脹性的性能檢測，結(jié)果如表5，由表5可知，該膳食纖維為淡黃色的結(jié)晶粉末，其持水力與溶脹性分別高達8.7 g/g與15.5 mL/g，遠遠高于文獻報道的其他原料制備的膳食纖維。

表5 石榴果肉渣膳食纖維的性能指標(biāo)

3 結(jié)論

以石榴皮殘渣制備藥用輔料微晶纖維素；果肉榨汁后的殘渣為原料制備膳食纖維。優(yōu)選出微晶纖維素最佳工藝條件為：鹽酸質(zhì)量分數(shù)9%，料液比為1∶15，溫度100℃，反應(yīng)時間1.5 h，微晶纖維素的聚合度為287.12 L/g，結(jié)晶度為82.69%，工藝條件穩(wěn)定，產(chǎn)品性能優(yōu)良；堿解醇沉法制備石榴果肉渣的最佳提取工藝條件為：溫度100℃，料液比為1∶5，NaOH濃度5%。石榴果肉渣膳食纖維完全為可溶性膳食纖維，該膳食纖維為淡黃色的結(jié)晶粉末，其持水力與溶脹性分別高達8.7 g/g與15.5 mL/g，遠遠高于文獻報道的其他原料制備的膳食纖維，具有很好的開發(fā)潛力。研究為石榴資源的綜合開發(fā)利用、提高石榴資源的經(jīng)濟附加值提供了新的途徑。

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中圖分類號：TS201.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-8405（2016）02-0052-08

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.02.01

收稿日期：2015-09-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（81373978）；國家十二五“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項（2011ZX09401-308-036，2011ZX09401-308-037）；陜西省協(xié)同創(chuàng)新計劃項目（2015xt-52）。

作者簡介：施歡賢（1991～），男，碩士研究生；研究方向：中藥學(xué)。940516359@qq.com

* 通訊作者：唐志書（1972～），男，博士，教授；研究方向：中藥藥劑學(xué)。tzs6565@163.com

Preparation of Microcrystalline Cellulose and Dietary Fiber using the Waste of Pomegranate as the Raw Material

SHI Huan-xian， ZHANG Yan-lei， SONG Zhong-xing， TANG Zhi-Shu*
（Shaanxi Collaborative Innovation Center of Industrialization of Traditional Chinese Medicine Resources / Shaanxi Key Laboratory of New Drugs and Bioactive Constituents of Traditional Chinese Medicine， Shaanxi University of Chinese Medicine； Xian yang 712083， China）

Abstract:Cellulose was prepared from the skin of the pomegranate by the method of nitric acid-ethanol， it was then dealt with hydrochloric acid to obtain microcrystalline cellulose. Based on single factor tests， effect of concentration of hydrochloric acid （A）， ratio of material to liquid （B）， hydrolysis temperature （C）， hydrolysis time （D） on the yield of microcrystalline cellulose was studied by orthogonal test. The optimized process for preparing the microcrystalline cellulose of the pomegranate was: hydrochloric acid 9%， ratio of material to liquid 1∶15，reaction time 1.5 h， and reaction temperature 100℃. The polymerization degree and crystallinity of the microcrystalline cellulose was 287.12 L/g and 82.69% respectively. The dietary fiber was extracted from the pulp of the pomegranate. The effects of NaOH concentration （A）， ratio of material to liquid （B）， extraction temperature （C） on the extraction efficiency of dietary fiber were studied. The results showed that the optimized condition was: ratio of material to liquid 1∶5 at 100℃ with NaOH concentration of 5%. The dietary fiber of the pomegranate pulp was completely soluble dietary fiber， it was a light yellow crystalline powder， Its water holding capacity and swelling were as high as 8.7 g/g and 15.5 mL/g respectively.

Key words:pomegranate waste； resource development； microcrystalline cellulose； dietary fiber