龍眼殼纖維素提取工藝的優(yōu)化及性能測定

方超逸， 楊坤華， 喻朝陽

( 1. 莆田學院 環(huán)境與生物工程學院， 福建 莆田 351100；2. 福建省新型污染物生態(tài)毒理效應與控制重點實驗室， 福建 莆田 351100；3. 福建省高校生態(tài)環(huán)境及其信息圖譜重點實驗室， 福建 莆田 351100 )

0 引言

龍眼含有豐富的糖類、 蛋白質(zhì)、 維生素、 酚類等活性營養(yǎng)物質(zhì)， 具有抗衰老、 補血養(yǎng)氣等功效， 因而備受關注[1]。 龍眼果肉加工過程中會產(chǎn)生許多龍眼殼和龍眼核等廢棄物， 約占龍眼鮮重的三分之一， 目前這些廢棄物還沒有得到合理利用[2]。 已有研究表明， 龍眼殼的最主要成分是粗纖維， 含量為65.7%～79.3%， 且其纖維具有很高的活力， 膨脹力達到5.27 mL·g-1， 持水力達到6.63 g·g-1， 具備制成可降解包裝材料的物化性能[3]。

本實驗以龍眼殼為原材料， 在單因素實驗的基礎上結合Box-Behnken 響應面分析法， 優(yōu)化龍眼殼纖維素提取的工藝條件， 并對其晶體結構、光譜特性、 熱穩(wěn)定性和形貌進行研究。 莆田盛產(chǎn)龍眼， 原料充足， 本研究可為龍眼殼的綜合利用開辟新的途徑； 同時， 本研究也可為后期研究食品包裝領域納米抗菌材料提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試劑

龍眼殼: 購買本市華亭鎮(zhèn)種植的新鮮龍眼，剝殼后對龍眼殼進行清洗、 干燥、 粉碎， 裝入密封袋備用； 纖維素標準品， 純度99%， 購于四川科倫藥業(yè)股份有限公司； 石油醚、 無水乙醇、乙酸、 鹽酸、 硫酸、 硝酸、 氫氧化鈉(NaOH)、過氧化氫均為分析純， 購于天津市森源化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器

DZKW-C 恒溫水浴鍋、 DK-8D 電熱恒溫水槽(上海森信實驗儀器有限公司)； FW-177 粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)； HY-Z 振蕩器、DHG-9240A 鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)； BS-124S 電子分析天平(賽多利斯科學儀器有限公司)； XRD6100 X 射線衍射儀(日本島津)； SU8010 掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；TENSORⅡ傅里葉變換紅外光譜儀(德國布魯克公司)； SDT650 熱重分析儀、 DSC214 差示掃描量熱儀(美國沃特斯公司)。

1.3 龍眼殼主要成分的測定

(1)粗纖維測定: 按照GB/T 5009.10—2003中的方法；

(2)灰分測定: 按照GB 50094—2016 中的方法；

(3) 淀 粉 測 定: 酸 解 法， 參 照 GB/T 5009.9—2008；

(4)蛋白質(zhì)測定: 凱氏定氮法， 參照GB/T 6432—2018；

(5)脂肪測定: 索氏抽提法， 參照 GB/T 5009.6—2003。

1.4 龍眼殼纖維素的提取方法及得率的測定

(1)粗提: 按照 GB/T 5009.10—2003 中的方法提取龍眼殼中的粗纖維。

(2) 純化: 通過堿性過氧化氫法進行純化[4]。 得率的測定: 通過硝酸乙醇法[4]對纖維素得率Y 進行測定。

式(1) 中: M1為純化后的樣品質(zhì)量， g； M2為龍眼殼纖維素的質(zhì)量， g。

1.5 龍眼殼纖維素提取單因素實驗設計

根據(jù)上文所述的方法進行龍眼殼纖維素的純化， 選擇某一因素進行實驗時， 其余因素均選取水平3 的相應參數(shù)。 單因素實驗設計見表1。

表1 單因素實驗

1.6 龍眼殼纖維素提取工藝優(yōu)化實驗

由單因素實驗結果可知， 提取時間對實驗結果影響較小， 故不作為響應面實驗因素， 響應面實驗的提取時間均設定為3 h。 根據(jù)Box-Behnken組合設計原理， 選取對實驗結果影響較大的三個因素的較佳水平進行響應面設計。 響應面因素水平表見表2。

表2 響應面實驗因素水平表

1.7 龍眼殼纖維素測試與表征

采用 X 射線衍射(X-ray diffraction，XRD)測定試樣的結晶度， 衍射角范圍為 5°～80°， 掃描速度為 2°/min。 根據(jù)文[5]， 計算結晶度 Xc。

式(2) 中: Ic為纖維素002 晶面的衍射強度； Ia為纖維素無定形區(qū)的衍射強度。

采用傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)測定試樣的紅外光譜圖， 掃描范圍 4 000～400 cm-1， 步長 10 cm-1， 每一個樣品掃描3 次。

采用熱重(thermogravimetric analysis，TGA)對試樣進行測定， 升溫速率為20℃/min， 升溫范圍為30℃～600℃， 恒溫時間10 min。

采用差示掃描量熱(differential scanning calorimeter，DSC)測定試樣的熱性能。 升溫范圍為30℃～400℃， 升溫速率為10℃ /min。

采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)觀察纖維素的微觀結構。 取試樣固定噴金， 加速電壓3 kV， 在500、 1000 倍電鏡下觀察樣品表觀形態(tài)。

2 結果與分析

2.1 龍眼殼主要成分分析結果

本實驗測得的龍眼殼主要成分為: 粗纖維，63.27%； 灰分， 10.92%； 淀粉， 6.39%； 蛋白質(zhì)，5.64%； 脂肪， 4.65%。 由結果可知， 龍眼殼中粗纖維含量較高， 是提取纖維素較好的原料來源。

2.2 龍眼殼纖維素提取單因素實驗結果與分析

由圖1(a)可知， 當液料比為20 mL·g-1時龍眼殼纖維素得率達到最大值44%。 這是因為當液料比較低時， 龍眼殼粗纖維與溶液接觸面積不充分， 半纖維素、 木質(zhì)素等物質(zhì)不能完全水解， 故得率較低； 但當液料比高于20 mL·g-1時， 隨著堿液用量增大， 粗纖維中的部分纖維素會被堿液分解， 從而使得纖維素得率下降[6]。由圖1(b)可知， 當NaOH 質(zhì)量分數(shù)為6%時， 纖維素得率達到最大值45%。 這是因為當NaOH 質(zhì)量分數(shù)低于6%時， 堿液濃度過低， 雜質(zhì)不能完全清除， 許多半纖維素和木質(zhì)素也殘留在樣品中， 造成龍眼殼纖維素的得率較低； 而當NaOH質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加時， 高濃度的堿液會使龍眼殼纖維素結構變得松散[7]， 部分纖維素被堿液分解， 使得纖維素得率持續(xù)下降。 由圖1(c)可知，提取溫度為40℃時， 纖維素得率達到最大值37%。 這是因為NaOH 溶液在溫度低于40℃時，活力不強， 水解反應不充分， 使得纖維素的得率不高； 但溫度的升高， 會促使龍眼殼粗纖維中的許多纖維素分子鏈上的糖苷鍵斷裂[8]， 一些龍眼殼纖維素被分解， 從而降低了纖維素的得率。由圖1(d)可知， 提取時間為3 h 時， 纖維素得率達到最大值49%。 這是因為當時間小于3 h 時，粗纖維與堿液接觸時間較短， 兩者不能完全反應， 龍眼殼粗纖維中的木質(zhì)素、 半纖維素沒有被除盡； 當提取時間大于3 h 時， 龍眼殼纖維素會進一步降解為葡萄糖， 使得纖維素得率下降。 但就總體而言， 相較于其他三個因素， 提取時間對纖維素得率的影響較小， 不同提取時間纖維素得率相差不大。

圖1 單因素實驗結果

2.3 龍眼殼纖維素提取工藝優(yōu)化實驗結果與分析

2.3.1 實驗結果

從上述單因素實驗結果可以得知， 提取時間對龍眼殼纖維素得率影響較小， 可不作為響應面實驗因素， 所以響應面實驗的提取時間都設定為3 h。 響應面實驗設計及結果見表3。

表3 響應面法實驗設計及實驗結果

2.3.2 模型建立及擬合分析

利用Desigh-Expert 軟件可以得到龍眼殼纖維素得率(Y)對提取溫度(A)、 NaOH 質(zhì)量分數(shù)(B)和液料比(C)的二次回歸方程:

用軟件分析纖維素得率的數(shù)學模型，結果見表4。 由F 值可知各因素影響纖維素得率的順序為:C ＞A ＞B。 龍眼殼纖維素得率模型的P 值小于0.0001，這說明回歸模型極顯著，模型失擬項P值0.615 6 ＞0.05，不顯著；此模型的相關校正系了實驗誤差小，該回歸方程的可靠性與擬合度是合理的，可以作為預測纖維素得率最優(yōu)提取工藝參數(shù)的模型。 其中 C、AB、AC、BC 的 P 值均小于0.05， 說明其對纖維素得率有顯著的影響。其中 A2、 B2、 C2的 P 值均低于 0.01， 表明其對纖維素得率有極顯著的影響。

表4 回歸方程方差分析

2.3.3 響應面交互作用分析

三個因素之間兩兩交互作用對纖維素得率影響的響應面圖及等高線圖如圖2、 圖3、 圖4 所示。 響應面圖越陡峭， 交互作用越明顯， 并且等高線的橢圓度也與交互作用的顯著度成正比。 由響應面圖可知， 液料比、 NaOH 質(zhì)量分數(shù)和提取溫度對纖維素得率影響的變化趨勢基本一致， 且隨著三者的增加， 龍眼殼纖維素得率呈現(xiàn)先升后降的趨勢， 響應面圖較陡峭； 由等高線圖可知，兩因素交互作用的等高線均呈橢圓形， 說明兩者之間的交互作用對纖維素得率的影響顯著， 這與表4 的結果相一致。

圖2 NaOH 質(zhì)量分數(shù)與提取溫度交互作用對纖維素得率影響的響應面圖和等高線圖

圖3 液料比與提取溫度交互作用對纖維素得率影響的響應面圖和等高線圖

圖4 液料比與NaOH 質(zhì)量分數(shù)交互作用對纖維素得率影響的響應面圖和等高線圖

2.3.4 提取條件優(yōu)化及模型驗證結果

通過軟件分析與優(yōu)化， 得到龍眼殼纖維素的最佳提取參數(shù)為提取溫度39.47℃、 NaOH 質(zhì)量分數(shù)6.04%、 液料比 19.66 mL·g-1， 龍眼殼纖維素在此條件下的得率為52.34%。 根據(jù)上述最佳提取參數(shù)結合較好控制的實際操作條件， 將最佳實驗參數(shù)修正為: 提取溫度39℃、 NaOH 質(zhì)量分數(shù) 6%、 液料比 20 mL·g-1， 重復實驗 3 次，得到纖維素得率平均值為52.13%。 通過驗證最佳提取參數(shù)的可靠性， 可知該數(shù)據(jù)與模型預測的數(shù)據(jù)非常接近。

2.4 結構表征

2.4.1 XRD 測定結果分析

XRD 測定結果見圖 5。 由圖 5 可知， 纖維素標準品和龍眼殼纖維素的衍射峰位置基本一致。纖維素Ⅰ型結晶結構(101)晶面、 (002)晶面和(040) 晶面的衍射峰在 2θ ＝ 15.4°、 22.1° 和34.6° 出現(xiàn)， 說明從龍眼殼中提取出來的纖維素與纖維素標準品的晶體類型一致， 其原有的晶體結構未受提取過程影響。 龍眼殼纖維素的衍射峰比龍眼殼更加突出， 表明在 2θ ＝ 15.4°、 22.1°和34.6° 三處位置上， 龍眼殼纖維素的結晶度明顯提高， 說明龍眼殼粗纖維中的半纖維素和木質(zhì)素的確被堿液和過氧化氫去除。 并且通過計算可知， 龍眼殼的結晶度為29.37%， 而龍眼殼纖維素的結晶度為61.23%， 也證實了龍眼殼纖維素結晶度的提高[9]。 姚進等研究表明， 未經(jīng)處理的油茶果殼原料纖維素含量不高， 亞硫酸鹽蒸煮預處理可破壞非結晶區(qū)域， 使得油茶果殼纖維素結晶度得到顯著提高[10]， 與本文的分析相一致。

圖5 纖維素標準品、 龍眼殼纖維素和龍眼殼的XRD 光譜圖

2.4.2 FTIR 測定結果分析

FTIR 測定結果見圖 6。 由圖 6 可知， 纖維素標準品、 龍眼殼纖維素和龍眼殼在3345 和2880 cm-1處均產(chǎn)生了吸收峰， 這兩者分別與纖維素分子中眼殼紅外光譜圖在1973cm-1附近出現(xiàn)了由半纖維素羥基引起的吸收峰， 在1510cm-1出現(xiàn)了由木質(zhì)素中和β-糖苷鍵彎曲振動吸收峰。 對比龍眼殼纖維素和纖維素標準品的紅外光譜圖， 二者的特征峰絕大部分可對應上， 說明從龍眼殼中提取的纖維素仍保持著基本化學結構。 李昊等研究結果表明， 通過堿性過氧化氫法提取蜜柚幼果中的纖維素， 大部分的半纖維素和木質(zhì)素被去除[11]， 這與本文得到的結果相同。

圖6 纖維素標準品、 龍眼殼纖維素和龍眼殼的FTIR 圖

2.4.3 TGA 及 DSC 測定結果分析

TGA 實驗結果見表 5 及圖 7。 一般認為， 樣品在100℃～150℃失去結晶水和結合水， 若樣品中含有較多的溶劑殘留， 則有可能觀察到一個明個吸收峰在龍眼殼纖維素紅外光譜圖的對應位置上明顯減弱， 說明在提取過程有效去除了龍眼殼中的半纖維素和木質(zhì)素； 龍眼殼纖維素光譜圖中存在纖維素分子的特征吸收譜帶， 1 442、 1 024 以及895 cm-1處均為纖維素結構的特征峰， 分別對顯的失重峰， 而圖7 中并沒有明顯的失重峰， 說明溶劑殘留不多或者殘留溶劑的揮發(fā)性與水接近。 由圖7 可知， 熱重曲線前段平緩， 龍眼殼在200℃左右質(zhì)量開始驟變， 說明樣品開始熱降解，其分解溫度主要集中于200℃～360℃， 這是因為高溫加熱除去了樣品中的半纖維素、 木質(zhì)素和單寧等物質(zhì)[12]。 與龍眼殼相比， 龍眼殼纖維素和纖維素標準品的初始熱分解溫度均上升到300℃以上， 說明去除了龍眼殼粗纖維中的雜質(zhì)后， 纖維素純度及結晶度變高， 熱穩(wěn)定性也得到相應提升。 TGA 測定結果表明， 經(jīng) 600℃熱處理， 龍眼殼纖維素的質(zhì)量殘余率為10%， 這也說明提取的龍眼殼纖維素具有較好的熱穩(wěn)定性。 龍眼殼纖維素和纖維素標準品熱失重圖變化趨勢基本一致， 說明所提取的龍眼殼纖維素具備普通纖維素的基本熱力學性能。 由圖 8 可知， 三條 DSC 曲線均在80℃ 左右出現(xiàn)吸收峰， 這是由于纖維素表面自由水蒸發(fā)引起的。 相較于龍眼殼原料， 纖維素標準品和龍眼殼纖維素的DSC 曲線在333℃左右均有明顯的吸峰， 其對應的是纖維素的晶區(qū)熔點， 該處是纖維素典型的分解吸熱峰， 纖維素在180℃ 左右時能分解成葡聚糖， 氣化的溫度在330℃左右。 這也說明了， 在提取過程中成功地去除了木質(zhì)素和半纖維素等物質(zhì)， 得到結晶度較高的龍眼殼纖維素， 其熱穩(wěn)定性顯著提升， 這與TGA 的分析結果一致。

表5 不同處理階段樣品的降解溫度

圖7 纖維素標準品、 龍眼殼纖維素和龍眼殼熱失重圖

圖8 纖維素標準品、 龍眼殼纖維素和龍眼殼的DSC 曲線

2.4.4 SEM 觀察結果分析

將龍眼殼放大500 倍和1 000 倍， 觀察其微觀結構， 由圖9 可知， 龍眼殼主要為無規(guī)則形狀， 部分呈現(xiàn)出塊狀， 大部分相互堆疊一起，這是由于未經(jīng)提取分離成分較多， 并且機械粉碎破壞了龍眼殼整體結構， 使其分解成細小塊狀。 在放大500 倍和1 000 倍下觀察龍眼殼纖維素微觀結構， 從圖10 中可以清晰地觀察到， 龍眼殼纖維素形狀明顯變得較為規(guī)則， 呈棒狀居多， 且可觀察到棒與棒粘結、 堆疊的現(xiàn)象， 這是因為堿性過氧化氫溶液破壞了與纖維素密切連接的木質(zhì)素和半纖維素， 纖維素被成功分離提取； 纖維素管表面存在凹槽和裂紋， 這是由于在提取過程中， 酸堿的加入破壞了纖維素細胞壁保護層結構， 形成了粗糙的表面。 張輝用掃描電鏡對提取得到的油茶殼纖維素的微觀形態(tài)進行觀察， 結果表明， 油茶殼呈塊狀結構， 水解后的油茶殼纖維素由于木質(zhì)素等保護層被破壞，故表面粗糙呈褶皺狀[13]， 這與本文結果相一致。

圖9 龍眼殼微觀結構

圖10 龍眼殼纖維素微觀結構

3 結論

本實驗以龍眼殼為原料提取纖維素， 通過單因素及Box-Behnken 響應面實驗確定了提取龍眼殼纖維素的最佳工藝條件為: 提取時間3 h、 提取溫度 39℃、 NaOH 質(zhì)量分數(shù) 6%、 液料比 20 mL·g-1， 在此條件下， 其得率可達到52.13%；XRD 測定結果表明， 龍眼殼纖維素與纖維素標準品的晶體類型相一致， 其結晶度為61.23%；FTIR 測定結果表明， 龍眼殼纖維素存在纖維素特征吸收峰； TGA 及DSC 測定結果表明， 龍眼殼纖維素的熱分解溫度超過300℃， 同時， 經(jīng)600℃熱處理， 質(zhì)量殘余率為10%， 也說明提取的龍眼殼纖維素具有較好的熱穩(wěn)定性； SEM 觀察結果表明， 龍眼殼纖維素呈棒狀結構居多， 存在無規(guī)則裂紋， 棒與棒之間有粘連和堆疊的現(xiàn)象。

本實驗可為龍眼殼纖維素提取方法的優(yōu)化提供參考， 具有一定的實踐意義。 通過一系列的測定， 得到龍眼殼纖維素的各項性能指標， 為后續(xù)龍眼殼納米纖維素及電紡膜的制備提供性能上的參考依據(jù)， 以期為龍眼殼的綜合利用開辟新的途徑。