水溶性亞麻餅粕籽膠固沙劑制備條件研究

閆德仁，曲 娜，薛 博，閆 婷

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010； 2. 內(nèi)蒙古多倫渾善達(dá)克沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 多倫 027300)

亞麻(Linumusitatissimum)，別名胡麻，是我國西部干旱地區(qū)廣泛種植的油料作物，每年可生產(chǎn)大量的亞麻餅粕，而亞麻餅粕含水溶性天然籽膠，其在中性時，粘度最大，且較低濃度也具有較高粘度，籽膠能夠完全溶解于水。因此，亞麻籽膠克服了很多高分子固沙劑水溶性差，噴灑后入滲淺的弊病。所以開發(fā)籽膠固沙劑產(chǎn)品、優(yōu)化科學(xué)配方及其使用技術(shù)，能夠為我國天然綠色植物膠固沙劑研究提供新途徑。目前，我國主要是通過化學(xué)合成高分子、化學(xué)改性等技術(shù)途徑研發(fā)固沙劑，其在使用過程中存在著不同程度的弊端。例如，高成本、薄結(jié)殼、生產(chǎn)工藝復(fù)雜等關(guān)鍵問題并沒有很好解決，限制了化學(xué)固沙劑的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)保型固沙材料研究也取得了明顯進步[1-3]。在考慮各種固沙劑固沙效果的同時，更加重視材料制備和使用過程中的生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性，使其具有使用性能好、資源與能源消耗少、與生態(tài)環(huán)境相容性好等優(yōu)點，并有相關(guān)的專利產(chǎn)品問世，同時也充分體現(xiàn)生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)需求。

例如，馮恩科[4]利用瓜爾膠(GG)、黃原膠(XG)、黃土(loess)和丙烯酸(AA)為原料，采用水溶液聚合法制備了瓜爾膠接枝聚丙烯酸(GG-g-PAA/loess)和黃原膠接枝聚丙烯酸(XG-g-PAA/loess)高吸水性樹脂。侯曉暉等[5]利用沙蒿籽提取沙蒿膠，并通過羧甲基化改性，使沙蒿膠的水不溶物含量由原來的 55% 降至 4%，其粘度提高2倍以上，且改性后提高了沙蒿膠的耐溫性能和抗剪切性能，但改性產(chǎn)物仍存在不易交聯(lián)等缺陷。劉軍等[6]研究了沙蒿膠的固沙效果，認(rèn)為沙蒿膠噴灑質(zhì)量分?jǐn)?shù)以 0.20% 為宜。閆婷等[7]、閆德仁等[8]初步研究了水溶性亞麻餅粕籽膠固沙劑應(yīng)用效果及浸提條件對餅粕籽膠浸出物的影響等問題，其研究成果獲得國家發(fā)明專利授權(quán)(ZL201910279576.9)。因此，進一步研發(fā)亞麻籽膠這種低粘度、強固化的水溶性天然綠色固沙劑的浸提條件，對開發(fā)其產(chǎn)品具有現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究使用的材料為亞麻餅粕，并用清水浸提餅粕研發(fā)水溶性固沙劑。

1.2 試驗設(shè)計

(1) 進行室溫條件浸提試驗。室溫浸提時間分別為8 h、12 h、16 h、24 h、48 h和72 h，餅粕和水的質(zhì)量比例(料液比)分別為 0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 和 3.0%。

(2) 縮短浸提時間試驗。能否通過提高浸提溫度條件，縮短浸提時間，滿足浸出液中籽膠含量的要求。料液比同上，外加熱40 ℃、70 ℃的浸提時間為2 h、4 h和6 h；外加熱100 ℃的浸提時間為1 h、2 h和3 h。每次浸提時間結(jié)束后，補充損失的水分，使浸提液仍然保持在350 mL。

(3) 重復(fù)浸提次數(shù)試驗。在亞麻餅粕籽膠浸提過程中，可能存在一次浸提不完全的問題。浸提時間設(shè)計為室溫下浸提24 h、48 h。以24 h提取2次為例，第1次浸提12 h后，用離心機分離上清液(保留三角瓶中的殘體，進行第2次加水并浸提12 h)；24 h提取3次試驗，第1次浸提8 h后，用離心機分離上清液(保留三角瓶中的殘體，進行第2次加水并浸提8 h)；第2次浸提8 h后，用離心機分離上清液(保留三角瓶中的殘體，進行第3次加水并浸提8 h)。

1.3 試驗方法

采用料液比、浸提溫度、浸提時間的單因素組合處理，每種處理3個重復(fù)。

處理后的浸出液放入離心機，用3 000轉(zhuǎn)·min-1分離上清液和殘體，吸取50 mL上清液放入蒸發(fā)皿中，電熱板加熱蒸發(fā)上清液至2 mL，再放入105 ℃烘箱中烘干6 h，電子天平稱重。具體計算公式如下：

Y=(W-W0)/V×100%

(1)

式中：Y為浸出物濃度(%)；W為浸出液和蒸發(fā)皿總烘干重(g)；W0為蒸發(fā)皿烘干重(g)；V為蒸發(fā)皿中吸取的浸提液體積(mL)。

N=(W-W0)/W1×100%

(2)

式中：N為浸出物提取率(%)；W為浸出液和蒸發(fā)皿總烘干重(g)；W0為蒸發(fā)皿烘干重(g)；W1為蒸發(fā)皿中折算的樣品重(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 室溫條件浸提對亞麻餅粕籽膠浸出物的影響

由表1看出，浸出物干重、浸出物濃度隨著料液比、浸提時間的增加而提高，浸出物提取率和料液比、浸提時間無明顯相關(guān)性，基本保持在 16.15%～20.19%，平均值為 18.49%。說明在室溫浸提條件下，能夠從亞麻餅粕中浸出的籽膠比例基本是固定量，或者說，盡管測定樣本存在差異，但亞麻餅粕中籽膠比例的變化不顯著。

隨著料液比的增加和浸提時間的延長，浸出液中籽膠濃度總體呈現(xiàn)出增加的趨勢。例如，料液比為 0.5% 時，浸提時間8～72 h，浸出籽膠濃度只有 0.085%～0.098%，無法滿足浸出液籽膠含量 0.150%～0.200% 的約束要求。而當(dāng)料液比為 1.0%時，浸提時間8～72 h，浸出籽膠濃度在 0.166%～0.196% 之間，平均值為 0.187%，則完全滿足浸出籽膠含量約束指標(biāo)下線值(0.150%)的要求。表明料液比對浸出籽膠含量具有重要影響。當(dāng)料液比為 1.5% 時，浸提時間8～72 h，浸出籽膠濃度在 0.244%～0.291% 之間，平均值為 0.272%；料液比為 2.0% 時，浸提時間8～72 h，浸出籽膠濃度在 0.325%～0.392% 之間，平均值為 0.359%；料液比為 3.0% 時，浸提時間8～72 h，浸出籽膠濃度在 0.484%～0.560% 之間，平均值為 0.525%。說明料液比和浸提時間直接影響著浸出籽膠濃度的變化。

由表1看出，料液比 1.0% 及其以上時，浸提8～72 h，浸出籽膠濃度均大于 0.150%；料液比 1.5% 及其以上時，浸提8～72 h，浸出液籽膠濃度均大于 0.200%。在具體配制固沙劑時，還要考慮材料成本等因素，確定室溫條件浸提8 h或以上、料液比 1.0% 或以上，其浸出液籽膠濃度能夠滿足籽膠含量最低約束指標(biāo)的要求。

根據(jù)在室內(nèi)噴灑試驗測定的沙結(jié)殼厚度變化數(shù)據(jù)判斷[7]，1.5 cm沙結(jié)殼厚度，其硬度≥0.25 kg·cm-2，浸出籽膠濃度 0.200% 左右。由此認(rèn)為在野外噴灑時，可采用室溫條件浸提8 h或以上、料液比大于 1.5% 或以上，能夠取得固沙劑野外噴灑的預(yù)期效果。

2.2 中溫條件浸提對亞麻餅粕籽膠浸出物的影響

在料液比不變的前提下，通過提高浸提溫度測試是否滿足浸出液籽膠含量要求(大于 0.150%)。由表2看出，料液比 0.5%～1.0%，浸提時間縮短到2 h后，即使提高了浸提溫度，但浸出籽膠率只有 14.42%～17.15%，低于室溫條件浸出籽膠率 16.15%～20.19% 的范圍(表1)。說明提高浸提溫度，如果浸提時間太短則降低了浸出籽膠量，降低了提取效率，餅粕中仍含有相當(dāng)一部分的籽膠沒有浸出。而當(dāng)料液比為 1.0%、浸提4 h及以上，或者料液比為 1.5%、浸提2 h及以上時，隨著料液比的增加，浸出籽膠濃度均大于 0.150% 或 0.200%，表明在一定料液比前提下，通過外加熱處理，縮短浸提時間能夠滿足浸出籽膠濃度含量的約束要求，同時也增加了提取液的生產(chǎn)成本。

由表2中看出，當(dāng)料液比大于 1.0% 時，在料液比相同的條件下，隨著浸提溫度、浸提時間的增加，浸出籽膠率、浸出籽膠濃度總體呈現(xiàn)出增加的趨勢。當(dāng)料液比為 1.0%、浸提2 h，40 ℃條件下浸出籽膠率和浸出籽膠濃度分別為 14.42% 和 0.147%，70 ℃條件下分別為 15.54% 和 0.154%；料液比為 1.0%、浸提4 h，40 ℃條件下浸出籽膠率和浸出籽膠濃度分別為 18.62% 和 0.189%，70 ℃條件下分別為 18.27% 和 0.182%；料液比為 1.0%、浸提6 h，40 ℃條件下浸出籽膠率和浸出籽膠濃度分別為 18.27% 和 0.182%，70 ℃條件下分別為 21.56% 和 0.217%。當(dāng)料液比為 2.0%、浸提2 h，40 ℃條件下浸出籽膠率和浸出籽膠濃度分別為 14.00% 和 0.280%，70 ℃條件下分別為 16.52% 和 0.329%；料液比為 2.0%、浸提4 h，40 ℃條件下浸出籽膠率和浸出籽膠濃度分別為 15.05% 和 0.301%，70 ℃條件下分別為 15.12% 和 0.301%；料液比為 2.0%、浸提6 h，40 ℃條件下浸出籽膠率和浸出籽膠濃度分別為 18.06% 和 0.364%，70 ℃條件下分別為 22.47% 和 0.448%。

由圖1看出，無論料液比如何，浸提6 h處理的浸出籽膠濃度、浸出籽膠率均隨著浸提溫度增加而增加，其增加幅度則隨著料液比增加而加大。料液比為 0.5%，浸提溫度由40 ℃增加到70 ℃時，浸出籽膠濃度和浸出籽膠率分別提高了 30.77% 和 29.39%；料液比為 1.0% 時分別提高了 19.23% 和 18.01%；料液比為 1.5% 時分別提高了 28.95% 和 27.73%；料液比為 2.0% 時分別提高了 23.08% 和 24.42%；料液比為 3.0% 時分別提高了 45.20% 和 46.98%。說明浸提溫度和料液比變化對浸出籽膠量有直接影響，并與室溫條件相比對浸出籽膠量的影響不同。

圖1 浸提6 h不同溫度對餅粕浸出物的影響Fig.1 Effect of different temperatures with extracting for six hours on the extract of cake

由圖2看出，浸提4 h處理的浸出籽膠濃度、浸出籽膠率變化特征和浸提6 h處理(圖1)不同。盡管浸出籽膠濃度和浸出籽膠率均隨著浸提溫度增加而增加，其增加幅度隨著料液比的增加而趨平緩，增加幅度均在 15.50%～26.40%(平均 21.10%)。說明相同料液比和相同浸提溫度條件下，浸提時間由6 h縮短到4 h時，浸出籽膠濃度和浸出籽膠率也降低。例如，料液比 0.5%、浸提溫度40 ℃時，浸提6 h，浸出籽膠率和浸出籽膠濃度為 20.37% 和 0.105%，而浸提4 h分別為 18.76% 和 0.091%；浸提溫度70 ℃時，浸提6 h，浸出籽膠率和浸出籽膠濃度為 24.62% 和 0.126%，浸提4 h分別為 23.66% 和 0.119%。

圖2 浸提4 h不同溫度對餅粕浸出物的影響Fig.2 Effect of different temperatures with extracting for four hours on the extract of cake

2.3 高溫條件浸提對亞麻餅粕籽膠浸出物的影響

由表3看出，通過外加熱100 ℃高溫處理，將浸提時間壓縮到3 h以內(nèi)，能夠提高浸出籽膠濃度和浸出籽膠率，但是設(shè)備、場地、基建和生產(chǎn)過程的成本高。

外加熱100 ℃、相同料液比條件下，以浸提1 h處理浸出液籽膠濃度和浸出籽膠率為基礎(chǔ)進行計算(對照)，當(dāng)料液比為 0.5% 時，浸提2 h處理浸出籽膠濃度和浸出籽膠率分別提高了 43.02% 和 43.49%，浸提3 h處理分別提高了 62.79% 和 63.14%。料液比 1.0% 時，浸提2 h處理分別提高了 95.68%和 52.08%，浸提3 h處理分別提高了 106.47% 和 105.80%。料液比 1.5% 時，浸提2 h處理分別提高了 30.77% 和 30.50%，浸提3 h處理分別提高了 80.77% 和 80.43%。料液比 2.0% 時，浸提2 h處理分別提高了 24.25% 和 24.39%，浸提3 h處理分別提高了 46.41% 和 46.49%。料液比 3.0% 時，浸提2 h處理分別提高了 30.24% 和 29.99%，浸提3 h處理分別提高了 50.99% 和 50.79%。從浸出液籽膠濃度、浸出籽膠率凈增加量看，浸提3 h處理的效果較好，說明外加熱100 ℃條件下，隨著相同料液比和浸提時間增加，浸出籽膠濃度、浸出籽膠率亦增加，且增加的幅度有降低的趨勢。

表3 100 ℃條件下浸提時間對餅粕浸出物的影響Tab.3 Effect of extraction time at 100 ℃ on the extract of cake

由表4看出，料液比 0.5% 時，100 ℃浸提條件下的浸出液籽膠濃度、浸出籽膠率分別比70 ℃浸提條件提高 43.02%、42.99%；料液比 1.0% 時，分別提高了 36.77%、36.79%；料液比 1.5% 時，分別提高 11.93%、11.83%；料液比 2.0% 時，分別提高 25.38%、25.51%；料液比 3.0% 時，分別提高 61.52%、61.37%。從不同料液比總平均值看，100 ℃浸提條件下的浸出液籽膠濃度、浸出籽膠率分別比70 ℃浸提條件平均提高 35.72%、35.70%。

表4 不同溫度浸提2 h對餅粕浸出物的影響Tab.4 Effect of different temperatures with extracting for two hours on the extract of cake

2.4 浸提次數(shù)對對亞麻餅粕籽膠浸出物的影響

在亞麻餅粕在浸提過程中，可能存在一次浸提不完全的情況，為此設(shè)計了提取次數(shù)試驗。由表5看出，盡管料液比不同，但室溫浸提24 h(1次浸提24 h)，其浸提出籽膠量占3次浸提總籽膠量的平均值為 77.23%。同樣，常溫浸提條件48 h，第1次浸提出液籽膠量占3次浸提總籽膠量的平均值為 80.04%。從浸提物成本、效率等考慮，為減少浪費，提取1次即可。

表5 浸提次數(shù)對浸出籽膠量的影響 (單位：g)Tab.5 Effect of extraction times on the extract of cake

從不同料液比和不同浸提次數(shù)對亞麻餅粕籽膠浸出物的影響(圖3)可知，24 h浸提1次浸出籽膠率平均為 19.51%，48 h浸提1次浸出籽膠率平均為 19.68%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于24 h浸提2次、3次浸出平均籽膠率 3.65%、2.13% 和48 h浸提2次、3次浸出平均籽膠率 2.89%、2.04%。

從不同料液比和不同浸提次數(shù)的浸出液籽膠濃度變化(圖4)可知，隨著料液比的增加，浸出液籽膠濃度顯著增加，但仍然是第1次提取液中的籽膠濃度最大。其中，24 h浸提1次籽膠濃度 0.098%～0.594%，其平均值為 0.313%；48 h浸提1次籽膠濃度 0.102%～0.576%，其平均值為 0.312%。當(dāng)料液比為 0.5% 時，24 h浸提1次，其浸出液籽膠濃度為 0.096%，48 h浸提1次為 0.102%；料液比為 1.0% 時，24 h浸提1次，其浸出液籽膠濃度為 0.192%，48 h浸提1次為 0.201%；料液比為 1.5% 時，24 h浸提1次，其浸出液籽膠濃度為 0.288%，48 h浸提1次為 0.288%；料液比為 2.0% 時，24 h浸提1次，其浸出液籽膠濃度為 0.393%，48 h浸提1次為 0.393%；料液比為 3.0% 時，24 h浸提1次，其浸出液籽膠濃度為 0.591%，48 h浸提1次為 0.576%。

圖3 不同料液比和不同浸提次數(shù)對浸出籽膠率的影響Fig.3 Effect of different ratio of solid to liquid and extracting times on the rate of extracted seed gum

說明，無論料液比例、浸提時間如何，浸提1次即可提取總籽膠量的 77.23%～80.04%。除料液比 0.5%，24 h浸提1次浸出籽膠濃度較低外，其余浸提1次的浸出籽膠濃度均滿足浸出液籽膠含量要求(大于0.15%)。

圖4 不同料液比和不同浸提次數(shù)對浸出液籽膠濃度的影響Fig.4 Effect of different ratio of solid to liquid and extracting times on the concentration of leaching liquor

3 結(jié)論

(1)室溫浸提條件下，能夠從亞麻餅粕中浸出的籽膠比例基本是固定量，由于浸提時料液比例不同，隨著料液比的增加和浸提時間的延長，浸出液籽膠濃度總體呈增加的趨勢。

(2)通過外加熱處理，并縮短浸提時間能夠滿足浸出液籽膠濃度含量不低于 0.15% 的約束要求，但隨著料液比和浸提溫度的增加，浸出籽膠濃度和浸出籽膠率均表現(xiàn)出增加的趨勢，且增加幅度隨著料液比的增加而趨平緩，說明浸提溫度和料液比變化對浸出籽膠量有直接影響。

(3)在亞麻籽膠浸提過程中，存在著1次浸提不完全的問題，室溫浸提條件下，隨著浸提次數(shù)的增加，其浸提出的籽膠量顯著降低，室溫浸提第1次浸提籽膠量占3次浸提總籽膠量平均值的 77.23%～80.04%。

(4)從亞麻籽膠浸提物成本、浸提效率以及固沙劑中籽膠含量等綜合因素考慮，建議室溫浸提1次、浸提8 h或以上、料液比 1.5% 或以上，其浸提液籽膠濃度大于 0.200%，可滿足固沙劑產(chǎn)品中籽膠含量的要求。