山葡萄皮渣纖維素的制備及表征

秦 婷，孫海濤，2，林余波，姚 瑤，邵信儒，2

（1.通化師范學(xué)院制藥與食品科學(xué)學(xué)院，吉林通化 134002；2.通化師范學(xué)院長白山食用植物資源開發(fā)工程中心，吉林通化 134002）

山葡萄皮渣纖維素的制備及表征

秦 婷1，孫海濤1，2，林余波1，姚 瑤1，*邵信儒1，2

（1.通化師范學(xué)院制藥與食品科學(xué)學(xué)院，吉林通化 134002；2.通化師范學(xué)院長白山食用植物資源開發(fā)工程中心，吉林通化 134002）

以山葡萄皮渣為試材，采用酸堿法制備山葡萄皮渣纖維素，研究了提取條件對纖維素得率的影響，優(yōu)化了山葡萄皮渣纖維素的制備工藝，并對纖維素進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，當(dāng)NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)22%，反應(yīng)時(shí)間120 min，反應(yīng)溫度60℃，料液比1∶16（g∶mL） 時(shí)，山葡萄皮渣纖維素的得率最高，為38.89%。通過紅外光譜分析和X射線衍射分析表明，山葡萄皮渣纖維素具有纖維素的典型結(jié)構(gòu)和特征衍射峰，具有較高的結(jié)晶度。

纖維素；提取；山葡萄皮渣；表征

Abstract：Research is based on grape pomace as material，cellulose of grape pomace is prepared using the acid-base method.The effects of extraction conditions on the yield of cellulose are studied.The preparation technology of cellulose is optimized and characterized.The results show that，mass fraction 22%，reaction time 120 min，reaction temperature 60℃，and solid-liquid ratio 1∶16（g∶mL），cellulose of grape pomace extraction rate is 38.89%.Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffraction analysis show that the cellulose of grape pomace has a typical structure and characteristic diffraction peaks of cellulose，and the crystallinity is high.

Key words：cellulose；grape pomace；extraction process；structure characterization

通化地處長白山腳下，有著豐富的山葡萄資源，素有“中國葡萄酒之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。隨著山葡萄酒產(chǎn)量的逐年增長，山葡萄酒副產(chǎn)物也不斷增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)100 L山葡萄酒可產(chǎn)25 kg廢棄物，其中山葡萄皮渣13 kg，山葡萄籽8 kg和山葡萄梗4 kg。最初，這些副產(chǎn)物大多被應(yīng)用于肥料、飼料，甚至被廢棄，利用率較低[1]。研究表明，山葡萄加工廢棄物中蘊(yùn)含著大量的生物活性成分，如原花青素、葡萄籽油、膳食纖維、白藜蘆醇等[2]。因此，從山葡萄皮渣中提取纖維素對深入開發(fā)利用山葡萄皮渣資源具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

試驗(yàn)以山葡萄酒生產(chǎn)的副產(chǎn)物山葡萄皮渣為原料，采用酸堿法制備纖維素并對其進(jìn)行表征，旨在為增加山葡萄皮渣資源的利用途徑和提高山葡萄資源的附加值提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山葡萄皮渣，2016年10月購買于通化市；檸檬酸、碳酸鈉，為食品級；次氯酸鈉，為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DX-2700型XRD儀，丹東浩元儀器有限公司產(chǎn)品；IS50型FT-IR儀，美國Nicolet公司產(chǎn)品；LWF-6Bl型超微粉碎機(jī)，龍微制藥設(shè)備有限公司產(chǎn)品；LGJ-50FD型真空冷凍干燥機(jī)，河南兄弟設(shè)備有限公司產(chǎn)品；KQ-200KDB型高功率數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；PB-10型酸度計(jì)，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；AL104型電子天平，Mettler-Toledo（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 山葡萄皮渣纖維素的制備工藝

山葡萄皮渣經(jīng)清洗、除雜、干燥、超微粉碎后過100目篩，得到山葡萄皮渣粉末。取10 g山葡萄皮渣粉末加入到200 mL蒸餾水，用檸檬酸調(diào)節(jié)pH值為2.0，于80℃水浴中加熱處理60 min，經(jīng)冷卻、過濾后備用。濾渣按料液比1∶16（g∶mL）加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaCO3溶液，在60℃條件下反應(yīng)100 min，抽濾，濾渣洗滌至中性，按質(zhì)量體積比1∶3加入次氯酸鈉；于50℃條件下脫色60 min，抽濾，濾渣洗滌至中性，真空冷凍干燥粉碎后得到山葡萄皮渣纖維素粉末。

1.3.2 山葡萄皮渣纖維素得率的測定

采用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵銨法測定山葡萄皮渣纖維素的含量[3]；山葡萄皮渣纖維素的得率參照文獻(xiàn)[4]的方法測定，按照公式（1）計(jì)算。

式中：Y——山葡萄皮渣纖維素得率，%；

m1——山葡萄皮渣提取物的質(zhì)量，g；

m2——山葡萄皮渣粉末的質(zhì)量，g；

c——提取物中山葡萄皮渣纖維素的含量，%。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

按1.3.1所述的方法制備山葡萄皮渣纖維素，分別考查NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)（18%，20%，22%，24%，26%）、反應(yīng)時(shí)間 （60，80，100，120，140 min）、反應(yīng)溫度（40，50，60，70，80℃）、料液比（1∶10，1∶12，1∶14，1∶16，1∶18） 對山葡萄皮渣纖維素得率的影響。固定水平：NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，反應(yīng)時(shí)間100 min，反應(yīng)溫度60℃，料液比1∶16 （g∶mL）。

1.3.4 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)四因素三水平的正交試驗(yàn)，優(yōu)化山葡萄皮渣纖維素制備的最佳工藝條件。

L9（34）正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1L9（34）正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.3.5 FTIR分析

采用ATR測試方法，紅外光譜的掃描范圍為4 000～550 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16次，記錄紅外光譜圖。

1.3.6 XRD分析

取適量試樣平鋪于測試板中央，置于X射線衍射儀測試倉內(nèi)，X光管Cu靶，Ka射線，測量方式：步進(jìn)測量，管電流為40 mA，管壓為40 kV，掃描范圍為5°～50°，步進(jìn)角度為0.020，采樣時(shí)間為0.1 s。利用MDI Jade 6軟件分析X射線衍射圖，確定衍射峰、晶型結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對山葡萄皮渣纖維素得率的影響

由結(jié)果可知，當(dāng)NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在18%～24%時(shí)，隨著NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維素得率顯著提高，并在NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%時(shí)達(dá)到最大值34.99%。這是由于堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，可使山葡萄皮渣的纖維結(jié)構(gòu)松散，增加了對半纖維素溶解的能力，促使山葡萄皮渣中的蛋白質(zhì)和無氮浸出物等堿溶性物質(zhì)不斷溶出，纖維素得率提高。當(dāng)NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過24%時(shí)，纖維素得率逐漸下降。這是由于堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，氧化性增強(qiáng)，纖維素被分解；另外，部分纖維素可與高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿液反應(yīng)生成堿纖維素，從而導(dǎo)致纖維素得率降低[5]。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對山葡萄皮渣纖維素得率的影響

由結(jié)果可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，纖維素得率逐漸增大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到120 min時(shí)達(dá)到最大值32.92%。這是由于隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，使半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)充分溶出，纖維素得率提高。當(dāng)繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間時(shí)，使纖維素結(jié)構(gòu)遭到破壞，發(fā)生降解而使纖維素得率降低。

2.1.3 反應(yīng)溫度對山葡萄皮渣纖維素得率的影響

由結(jié)果可知，當(dāng)反應(yīng)溫度不超過60℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的提高，纖維素得率逐漸增大，在反應(yīng)溫度60℃時(shí)達(dá)到最大值35.32%。這是由于當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，木質(zhì)素不易去除；隨著反應(yīng)溫度的升高，分子運(yùn)動加劇，加強(qiáng)了NaCO3溶液的反應(yīng)活力，促進(jìn)山葡萄皮渣分子間糖苷鍵斷裂，以及木質(zhì)素、半纖維素等物質(zhì)溶出，纖維素得率增大[6]。當(dāng)反應(yīng)溫度超過60℃時(shí)，破壞了部分纖維素結(jié)構(gòu)，使纖維素得率逐漸降低。

2.1.4 料液比對山葡萄皮渣纖維素得率的影響

由結(jié)果可知，隨著料液比的增加，纖維素得率先增大而后降低，在料液比1∶16（g∶mL） 時(shí)達(dá)到最大值。這是由于隨著料液比的增大，山葡萄皮渣粉末更加充分和迅速地與堿液接觸，加強(qiáng)了對山葡萄皮渣中半纖維素和無氮浸出物的水解能力；同時(shí)，隨著料液比增大，在提取過程中目標(biāo)物質(zhì)與溶劑邊界層濃度差變大，纖維素得率提高。但是，過度提高料液比也會導(dǎo)致纖維素的分解，纖維素得率降低。

2.2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)的極差分析見表2，正交試驗(yàn)的方差分析見表3。

由表2和表3可知，對山葡萄皮渣纖維素得率影響最大的是NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度，其次是反應(yīng)時(shí)間，最后是料液比。其中，NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)和反應(yīng)溫度對山葡萄皮渣纖維素得率的影響達(dá)到顯著水平。同時(shí)，經(jīng)分析優(yōu)化得到山葡萄皮渣纖維素的最佳制備工藝組合為A1B2C3D2，即NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)22%，反應(yīng)時(shí)間120 min，反應(yīng)溫度60℃，料液比1∶16。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到山葡萄皮渣纖維素的得率為38.89%，高于試驗(yàn)組，說明試驗(yàn)結(jié)果可靠。

2.3 FTIR分析

山葡萄皮渣原料與纖維素的FTIR對比結(jié)果見圖1。

表2 正交試驗(yàn)的極差分析

表3 正交試驗(yàn)的方差分析

圖1 山葡萄皮渣原料與纖維素的FTIR對比結(jié)果

由圖1可知，山葡萄皮渣原料和纖維素均在3 331 cm-1處有較強(qiáng)的吸收峰出現(xiàn)，這是由O-H伸縮振動產(chǎn)生的吸收峰；山葡萄皮渣原料圖譜在2 922 cm-1和2 852 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為飽和C-H伸縮振動和彎曲振動產(chǎn)生；在2 359 cm-1和1 742 cm-1處出現(xiàn)明顯的吸收峰，此為C=O伸縮振動產(chǎn)生的吸收峰，而在纖維素的圖譜中此峰消失或明顯減弱，說明其被堿液處理去除，同時(shí)表明堿液水解去除了部分半纖維素和木質(zhì)素成分；在1 398 cm-1附近的吸收峰對應(yīng)的是C-H對稱伸縮振動和彎曲振動產(chǎn)生；在903 cm-1和789 cm-1附近產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收峰，此為β-D-葡萄糖基的特征光譜和=C-H面外變形振動吸收，這些吸收峰在纖維素圖譜中被堿液去除而減弱或消失。纖維素圖譜在1 608 cm-1附近的吸收峰為C=C的伸縮振動產(chǎn)生；在1 262 cm-1和1 028 cm-1附近產(chǎn)生C-C骨架伸縮振動峰，對應(yīng)纖維素的異頭碳振動頻率，是纖維素的特征峰[7]。同時(shí)，經(jīng)分析表明，通過試驗(yàn)制備的山葡萄皮渣纖維素具有纖維素的典型特征，并未破壞其基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

2.4 山葡萄皮渣纖維素的XRD分析

山葡萄原料與葡萄皮渣纖維素的XRD結(jié)果見圖2。

圖2 山葡萄原料與山葡萄皮渣纖維素的XRD結(jié)果

由圖2可知，山葡萄皮渣纖維素在2θ=14.8°，16.6°，22.5°和34.6°處出現(xiàn)衍射峰，此為纖維素的特征衍射峰。與之相比，山葡萄皮渣在2θ=16.7°，21.3°，24.3°，27.6°，31.1°，36.4°出現(xiàn)較明顯的衍射峰，纖維素在（002） 特征晶面（2θ=22.6°） 的衍射峰更為尖銳，相對峰強(qiáng)度明顯增大，非晶部分彌散峰明顯減小，這主要由于堿液處理使其纖維素中的雜質(zhì)、木質(zhì)素、半纖維素等去除。山葡萄皮渣纖維素在[101]特征晶面 （2θ=14.83°） 處和（040） 特征晶面（2θ=34.67°） 處出現(xiàn)較弱的衍射峰，進(jìn)一步表明其屬于纖維素Ⅰ晶型。利用MDI Jade 6軟件對XRD譜圖進(jìn)行分峰計(jì)算可知，制備得到的纖維素結(jié)晶度較高，達(dá)到52.7%。

3 結(jié)論

采用酸堿法制備山葡萄皮渣纖維素，通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化了纖維素的最佳制備工藝為NaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)22%，反應(yīng)時(shí)間120 min，反應(yīng)溫度60℃，料液比1∶16；在此條件下，制備山葡萄皮渣纖維素的得率最高為38.89%。通過FTIR分析和XRD分析表明，通過酸堿法制備的山葡萄皮渣纖維素保持著纖維素典型結(jié)構(gòu)和特征；同時(shí)，弱酸弱堿可將山葡萄皮渣中大部分雜質(zhì)和半纖維素去除，山葡萄皮渣纖維素具有纖維素的特征衍射峰，結(jié)晶度達(dá)52.7%。

[1]令博.葡萄皮渣膳食纖維的改性及其生理功能和應(yīng)用研究 [D].重慶：西南大學(xué)，2012.

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[4]陸紅佳，鄭龍輝，劉雄.超聲波輔助酶結(jié)合堿法提取薯渣纖維素的工藝研究 [J].食品工業(yè)科技，2012（1）：234-237.

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[7]Sun X F，Xu F，Sun R C，et al.Characteristics of degraded cellulose obtained from steam-exploded wheat straw[J].Carbohydrate Polymers，2005，60 （1）：15-26.◇

Preparation and Characterization of Cellulose from Grape Pomace

QIN Ting1，SUN Haitao1，2，LIN Yubo1，YAO Yao1，*SHAO Xinru1，2
（1.School of Pharmaceutics and Food Science，Tonghua Normal University，Tonghua，Jilin 134002，China；2.Changbai Mountain Edible Plant Resources Development Engineering Center，Tonghua Normal University，Tonghua，Jilin 134002，China）

TS202.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.09.029

1671-9646（2017） 09b-0011-03

2017-06-30

吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目（JJKH20170436KJ）；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610202013）；通化師范學(xué)院自然科學(xué)科研項(xiàng)目（201647）。

秦 婷（1995— ），女，本科，研究方向?yàn)槭称诽烊划a(chǎn)物提取及功能性研究。

*通訊作者：邵信儒（1981— ），女，博士，副教授，研究方向食品天然產(chǎn)物提取及功能性研究。