咖啡果殼微晶纖維素制備及其吸附性能研究

王 碩 李 森 李嘉怡 陳 譽 羅 磊

(上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093)

咖啡果殼是咖啡果除去咖啡豆的外層部分，主要包括外果皮、果肉和種殼3部分[1]，是咖啡豆加工的主要副產(chǎn)物，除小部分用作肥料外大部分被丟棄，不但污染環(huán)境還造成資源浪費[2]。其富含纖維素、蛋白質(zhì)、維生素、總糖等成分，其中纖維素和總糖含量顯著高于其他成分。通常情況下，咖啡果殼中纖維素占比24.5%、半纖維素為29.7%、木質(zhì)素為23.7%，是微晶纖維素的良好來源。

微晶纖維素是纖維素酸水解至極限聚合度所得的一種可自由流動的纖維素晶體物質(zhì)，無味、無臭、不溶于水，呈顆粒狀、短棒狀或膠體狀，擁有很強的吸水性[3]，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、材料等行業(yè)[4]。由于良好的吸附性能，微晶纖維素能夠起到凈化的作用，可將水中危害離子吸附除去[5-6]，還能用于食品工業(yè)中色素的吸附[7]。此外，薛玉清等[8]發(fā)現(xiàn)微晶纖維素可以作為優(yōu)良的穩(wěn)定劑，加入到中性乳飲料中可以使其更加穩(wěn)定且不影響口感。黃敏[9]研究表明，微晶纖維素加入到面包后能增強其保水性，從而延長保質(zhì)期。Xu等[10]制備了高直鏈淀粉/微晶纖維素藥物遞送載體，發(fā)現(xiàn)其胃內(nèi)漂浮性和緩釋性能優(yōu)異。大多數(shù)情況下，微晶纖維素與其他材料混合后形成的新復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和最大失重速率溫度均有所提高[11]。趙晨飛等[12]研究發(fā)現(xiàn)，特定的微晶纖維素和聚已內(nèi)酯按一定比例混合后可制成有優(yōu)良降解性的可回收二次利用的打印材料。

龐軍浩等[13]指出微晶纖維素可通過對原料的水解來制備，水解步驟主要包括無機酸堿的水解、無機鹽的水解和纖維素酶的水解。李帥等[14]利用酸水解法制備了玉米秸稈微晶纖維素。黃華等[15]利用亞氯酸鈉除去木質(zhì)素，氫氧化鈉溶液除去半纖維素，再通過酸水解制備了茶渣微晶纖維素。溫俊峰等[16-17]采用硝酸—乙醇法提取纖維素，纖維素酸水解制備了沙蒿微晶纖維素和山葡萄梗微晶纖維素。研究擬以咖啡果殼為原料，以得率和吸附能力為指標，采用單因素試驗和正交試驗，在不同酸解條件下進行微晶纖維素提取工藝優(yōu)化，旨在為咖啡果殼的綜合利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

咖啡果殼：市售；

鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

香精：食品級，上海維塔化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

分析電子天平：FA2004型，上海良單儀器儀表有限公司；

恒溫水槽與水浴鍋：BWS-0505型，上海一恒科學儀器有限公司；

水流抽氣泵：A-3S型，日本EYELA公司；

電熱鼓風干燥箱：DHG-9003型，上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 咖啡果殼纖維素提取 參照李婉月等[18]的方法并修改：將干燥咖啡果殼粉碎，過60目篩，95%乙醇提取，抽濾，濾渣于50 ℃烘干至恒重，得咖啡果殼纖維素。

1.2.2 咖啡果殼微晶纖維素制備 參照陳燁等[19]的方法，并按式(1)計算咖啡果殼微晶纖維素得率。

(1)

式中：

Y——得率，%；

m1——微晶纖維素質(zhì)量，g；

m0——纖維素質(zhì)量，g。

1.2.3 吸附性能測定 參照李小紅等[20]的方法，并按式(2)計算咖啡果殼微晶纖維素對香精的吸附能力。

(2)

式中：

A——吸附能力；

m2——吸附香精后微晶纖維素質(zhì)量，g。

1.2.4 單因素試驗

(1)酸解時間：固定水浴溫度60 ℃，鹽酸質(zhì)量分數(shù)10%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)1∶16(g/mL)，考察酸解時間(20，50，80，110，140 min)對咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力的影響。

(2)鹽酸質(zhì)量分數(shù)：固定水浴溫度60 ℃，酸解時間50 min，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)1∶16(g/mL)，考察鹽酸質(zhì)量分數(shù)(2%，6%，10%，14%，18%)對咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力的影響。

(3)料液比：固定水浴溫度60 ℃，酸解時間50 min，鹽酸質(zhì)量分數(shù)10%，考察料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)[1∶10，1∶16，1∶22，1∶28，1∶34(g/mL)]對咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力的影響。

(4)酸解溫度：固定酸解時間50 min，鹽酸質(zhì)量分數(shù)10%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)1∶16(g/mL)，考察酸解溫度(20，40，60，80，100 ℃)對咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力的影響。

1.2.5 正交優(yōu)化試驗 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以酸解時間、鹽酸質(zhì)量分數(shù)、料液比和酸解溫度為考察因素，以咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力為評價指標，進行四因素三水平正交試驗設(shè)計，優(yōu)化咖啡果殼微晶纖維素制備工藝。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 采用IBM SPSS Statistics 26軟件進行顯著性分析，P<0.05為有顯著性差異；使用Graphpad Prism 8.0軟件作圖。正交試驗數(shù)據(jù)采用Minitab15進行極差和方差分析。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化和工業(yè)化程度顯著提高，縣域經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，人口密度不斷增加，人均生活水平飛速提高，城鎮(zhèn)污水廠用水量和排水量都在大量增加 [1]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計：在全國22000多個縣鄉(xiāng)、城鎮(zhèn)中，直接污水排放量約占全國總排污量的50%以上，這一現(xiàn)象的主要原因是該地區(qū)用于污水處理的基礎(chǔ)設(shè)施相當不健全[2]。近年來相關(guān)地區(qū)對原有污水處理廠進行改擴建或者新建污水廠，這些污水廠工業(yè)污水都占有一定占比，污水可生化性較低，氮、磷比較高，在污水廠全面達標GB 18918－2002一級A排放標準存在一定壓力[3，4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 酸解時間對咖啡果殼微晶纖維素制備的影響 由圖1可知，隨著酸解時間的增加，微晶纖維素得率和香精吸附率呈先降低再增加后減少的趨勢，當酸解時間為110 min時，咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力最強。吸附率與微晶纖維素結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，時間過短酸液無法與纖維素充分混勻，不能有效去除無定型區(qū)，因此得率和吸附率都較低，而時間過長除了破壞纖維素無定型區(qū)的糖苷鍵外還可能會對部分晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，得率和吸附率也會下降。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2 鹽酸質(zhì)量分數(shù)對咖啡果殼微晶纖維素制備的影響

由圖2可知，微晶纖維素得率隨鹽酸質(zhì)量分數(shù)的增大呈先增加后降低的趨勢；吸附性能隨鹽酸質(zhì)量分數(shù)的增加呈先下降后上升再下降的趨勢；當鹽酸質(zhì)量分數(shù)為14%時，得率最高，吸附能力最強。鹽酸質(zhì)量分數(shù)較小，不能完全除去纖維素無定型區(qū)，導(dǎo)致得率和吸附率較低；而鹽酸質(zhì)量分數(shù)過高，酸解過度會造成微晶纖維素的分解，使得率和吸附率下降。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.3 料液比對咖啡果殼微晶纖維素制備的影響 由圖3 可知，當料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶22(g/mL)時，微晶纖維素得率最高；當料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶28(g/mL)時，香精吸附能力最強。適當?shù)牧弦罕仁顾崤c纖維素充分接觸反應(yīng)從而除去無定型區(qū)，而當液體過多時，物料單位質(zhì)量接觸到的酸濃度相對較低，反而對微晶纖維素得率產(chǎn)生不良影響。綜合比較，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶22(g/mL)最佳。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.4 酸解溫度對咖啡果殼微晶纖維素制備的影響 由圖4可知，隨著酸解溫度的上升，咖啡果殼微晶纖維素得率逐漸下降，香精吸附能力先增加后降低。當酸解溫度為40 ℃時，微晶纖維素得率最高；當酸解溫度為80 ℃時，微晶纖維素的吸附能力最強。這可能是因為隨著酸解溫度的升高，相同時間內(nèi)酸解度增加，因而微晶纖維素得率減小，但在此過程中也會對微晶纖維素的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響使其吸附性能增加。試驗使用鹽酸水解，推測溫度升高可能會造成鹽酸揮發(fā)性增加，使纖維素產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)，其具體原因有待進一步驗證。綜上，最適酸解溫度為60 ℃。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 正交試驗結(jié)果與分析

正交試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表

由表2可知，各因素對咖啡果殼微晶纖維素得率的影響為料液比>酸解時間>鹽酸質(zhì)量分數(shù)>酸解溫度。當酸解時間為95 min，鹽酸質(zhì)量分數(shù)為16%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶22(g/mL)，酸解溫度為50 ℃時，微晶纖維素得率為84.13%，此時對香精的吸附能力為0.61 g/g。各因素對吸附性能的影響為酸解溫度>料液比>酸解時間>鹽酸質(zhì)量分數(shù)。當酸解時間為95 min，鹽酸質(zhì)量分數(shù)為16%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶22(g/mL)，酸解溫度為60 ℃時，得到的咖啡果殼微晶纖維素對香精的吸附能力最強為0.89 g/g，此時微晶纖維素得率為80.03%。由于酸解溫度對咖啡果殼微晶纖維素得率的影響較小而對香精吸附能力影響最大，因此以香精吸附能力最強時的制備條件作為咖啡果殼微晶纖維素制備的最佳工藝條件。

表2 正交試驗結(jié)果

2.3 咖啡果殼微晶纖維素掃描電鏡分析

由圖5可知，咖啡果殼微晶纖維素呈棒狀，表面存在孔隙和裂縫。而吸附香精后微晶纖維素形貌產(chǎn)生了變化，由于香精的吸附，微晶纖維素表面孔隙和裂縫減少，表面更加光滑。

圖5 電鏡下對香精吸附前后的咖啡果殼微晶纖維素

3 結(jié)論

試驗發(fā)現(xiàn)，料液比和酸解時間對咖啡果殼微晶纖維素影響較大，而酸解溫度和料液比對制備的微晶纖維素的香精吸附性能影響較大。微晶纖維素的最佳制備工藝為酸解時間95 min，鹽酸質(zhì)量分數(shù)16%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)1∶22(g/mL)，酸解溫度60 ℃，該條件下咖啡果殼微晶纖維素得率為80.08%，香精吸附能力為0.89 g/g。由于香精吸附性能僅僅是微晶纖維素中的一個質(zhì)量指標，后續(xù)可根據(jù)不同的應(yīng)用需求對制備工藝進行優(yōu)化。