劉子禎，杜國(guó)軍

(齊齊哈爾大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

我國(guó)黑龍江、新疆、內(nèi)蒙古等地的制糖企業(yè)大都以甜菜為原料生產(chǎn)蔗糖。甜菜在制糖過(guò)程中經(jīng)切絲浸提得到的廢絲稱為廢粕，廢粕通過(guò)擠壓除去大部分水分后得到壓粕，壓粕在高溫下干燥壓成顆粒狀，制得顆粒粕[1]。顆粒粕是甜菜制糖的主要副產(chǎn)品，產(chǎn)量非常大，大約占原料甜菜的15%，主要成分是半纖維素和纖維素，并含有一定的微量元素、蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素[2]。當(dāng)前，纖維素與半纖維素已應(yīng)用于調(diào)味品及食品加工中，對(duì)保持食品品質(zhì)、增加食品營(yíng)養(yǎng)具有重要作用[3]。半纖維素具有良好的生物相容性、可生物降解性、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在合成水凝膠方面也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4-5]。另外，半纖維素在生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞材料領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用[6-8]。纖維素可以改善人體胃腸功能，減輕腸道炎癥，抑制結(jié)直腸腫瘤的發(fā)生[9]。除此之外，纖維素還具有治療糖尿病、降低血壓、減少肥胖癥和便秘的發(fā)生、清除有害物質(zhì)等作用[10]。

目前，甜菜顆粒粕主要作為動(dòng)物飼料加以利用，用途單一，利潤(rùn)較低。如能從中提取半纖維素及纖維素，可以增加甜菜顆粒粕的附加值，提高制糖企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的應(yīng)用前景。半纖維素多采用堿法提取[11]，使用的提取試劑一般為經(jīng)濟(jì)適用的氫氧化鈉。纖維素常用的提取方法有粗分離法和酸提取法[12-13]，經(jīng)酸處理提取的纖維素以其純度高、功能性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)廣為采用，常使用乙酸作為提取試劑，此法雖對(duì)環(huán)境有一定的污染，但可以進(jìn)行乙酸回收加以解決[14]。故本試驗(yàn)采用氫氧化鈉提取半纖維素、乙酸提取纖維素，以期為甜菜顆粒粕的開(kāi)發(fā)利用開(kāi)拓出一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試劑

甜菜顆粒粕：黑龍江東方瑞雪糖業(yè)有限公司；氫氧化鈉：無(wú)錫市晶科化工有限公司；無(wú)水乙醇：濟(jì)南鑫偉達(dá)化工有限公司；乙酸：濟(jì)南喬富化工有限公司；檸檬酸：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；木瓜蛋白酶：河北潤(rùn)步生物科技有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

TW80高能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州金壇良友儀器有限公司；SHZ-D循環(huán)水抽濾機(jī) 鞏義瑞德儀器設(shè)備有限公司；BS124S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；TG29G高速離心機(jī)、DHG-9030A電熱恒溫干燥箱 上海高致精密儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料處理

甜菜顆粒粕利用檸檬酸去除果膠[15]，木瓜蛋白酶去除蛋白[16]，烘干粉碎，過(guò)60目篩，用真空封口袋密封，置于干燥器中保存，待用。

1.3.2 氫氧化鈉提取半纖維素

將處理過(guò)的甜菜顆粒粕在一定溫度下與氫氧化鈉溶液按比例混合，充分反應(yīng)后，抽濾得到濾液，pH值調(diào)為5.0，加入乙醇沉淀后得到半纖維素。以料液比、氫氧化鈉溶液濃度、溫度、時(shí)間為因素，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究各因素對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響。

1.3.3 乙酸提取纖維素

將抽濾得到的濾渣在一定溫度下與乙酸溶液按比例混合，充分反應(yīng)后，除去殘留的木質(zhì)素，得到纖維素。以料液比、乙酸溶液濃度、溫度，時(shí)間為因素，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究各因素對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同條件對(duì)氫氧化鈉提取半纖維素的影響

2.1.1 料液比對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響

稱取適量去除果膠的甜菜顆粒粕，分別按料液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35加入5%氫氧化鈉溶液，在30 ℃條件下反應(yīng)6 h，研究料液比對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 料液比對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響Fig.1 The effect of solid-liquid ratio on the yield of hemicellulose

由圖1可知，料液比低于1∶25時(shí)，隨著料液比的增加，半纖維素產(chǎn)率也隨之升高，在料液比為1∶25時(shí)，半纖維素產(chǎn)率最高，達(dá)到8.95%，隨后開(kāi)始下降。因此，確定氫氧化鈉提取半纖維素的最適料液比為1∶25。

2.1.2 氫氧化鈉溶液濃度對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響

稱取適量去除果膠的甜菜顆粒粕，分別按料液比1∶25，加入濃度為3%、5%、7%、9%、11%的氫氧化鈉溶液，在30 ℃條件下反應(yīng)6 h，研究氫氧化鈉溶液濃度對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 氫氧化鈉溶液濃度對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響Fig.2 The effect of sodium hydroxide solution concentration on the yield of hemicellulose

由圖2可知，氫氧化鈉溶液濃度低于9%時(shí)，半纖維素產(chǎn)率隨著濃度的增加而升高，在濃度為9%時(shí)，半纖維素產(chǎn)率最高，達(dá)到10.2%，隨后開(kāi)始下降。因此，確定氫氧化鈉提取半纖維素的最適溶液濃度為9%。

2.1.3 溫度對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響

稱取適量去除果膠的甜菜顆粒粕，按料液比為1∶25，加入9%氫氧化鈉溶液，分別在30，40，50，60，70 ℃條件下反應(yīng)6 h，研究溫度對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 溫度對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響Fig.3 The effect of temperature on the yield of hemicellulose

由圖3可知，溫度低于50 ℃時(shí)，半纖維素產(chǎn)率隨著溫度的升高而增加，溫度為50 ℃時(shí)，半纖維素產(chǎn)率最高，達(dá)到14.22%，高于50 ℃后開(kāi)始下降。因此，確定氫氧化鈉提取半纖維素的最適溫度為50 ℃。

2.1.4 時(shí)間對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響

稱取適量去除果膠的甜菜顆粒粕，按料液比1∶25，加入9%氫氧化鈉溶液，在50 ℃條件下分別反應(yīng)2，4，6，8，10 h，研究時(shí)間對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 時(shí)間對(duì)半纖維素產(chǎn)率的影響Fig.4 The effect of time on the yield of hemicellulose

由圖4可知，反應(yīng)時(shí)間低于6 h時(shí)，半纖維素產(chǎn)率隨著時(shí)間的增加而升高，在時(shí)間為6 h時(shí)，半纖維素產(chǎn)率最高，達(dá)到14.71%，高于6 h后開(kāi)始下降。因此，確定氫氧化鈉提取半纖維素的最適時(shí)間為6 h。

2.1.5 氫氧化鈉提取半纖維素的正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以料液比、氫氧化鈉溶液濃度、時(shí)間、溫度為因素進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化提取半纖維素的工藝，因素水平設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 氫氧化鈉提取半纖維素正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 1 The factors and levels design of orthogonal test for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

表2 氫氧化鈉提取半纖維素的正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal test for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

表3 氫氧化鈉提取半纖維素的正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Analysis of orthogonal test results for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

由表1～表3可知，影響半纖維素產(chǎn)率的各因素主次關(guān)系為：氫氧化鈉溶液濃度>時(shí)間>溫度>料液比。氫氧化鈉提取半纖維素的最佳工藝條件為：氫氧化鈉溶液濃度11%、時(shí)間6 h、溫度60 ℃、料液比1∶30，此時(shí)半纖維素的產(chǎn)率為22.7%。

2.2 不同條件對(duì)乙酸提取纖維素的影響

2.2.1 料液比對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響

稱取適量處理后的甜菜顆粒粕濾渣，分別按料液比為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40加入5%的乙酸溶液，水浴加熱溫度50 ℃，反應(yīng)1 h，研究料液比對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 料液比對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響Fig.5 The effect of solid-to-liquid ratio on the yield of cellulose

由圖5可知，料液比低于1∶25時(shí)，隨著料液比的增加，纖維素產(chǎn)率也隨之升高，當(dāng)料液比為1∶25時(shí)，纖維素產(chǎn)率最高，達(dá)到20.49%，隨后開(kāi)始下降。因此，確定乙酸提取纖維素的最適料液比為1∶25。

2.2.2 乙酸溶液濃度對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響

稱取適量處理后的甜菜顆粒粕濾渣，按料液比1∶30分別加入5%、10%、15%、20%、25%的乙酸溶液，水浴加熱溫度50 ℃，反應(yīng)1 h，研究乙酸溶液濃度對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 乙酸溶液濃度對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響Fig.6 The effect of acetic acid solution concentration on the yield of cellulose

由圖6可知，乙酸溶液濃度低于10%時(shí)，纖維素產(chǎn)率隨著濃度的增加而升高，當(dāng)濃度為10%時(shí)，纖維素產(chǎn)率最高，達(dá)到22.22%，隨后開(kāi)始下降。因此，確定乙酸提取纖維素的最適溶液濃度為10%。

2.2.3 溫度對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響

稱取適量處理后的甜菜顆粒粕濾渣，按料液比1∶30加入15%乙酸溶液，分別在50，60，70，80，90 ℃的條件下反應(yīng)1 h，研究溫度對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 溫度對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響Fig.7 The effect of temperature on the yield of cellulose

由圖7可知，溫度低于60 ℃時(shí)，纖維素產(chǎn)率隨著溫度的升高而增加，溫度為60 ℃時(shí)，纖維素產(chǎn)率最高，達(dá)到21.26%，高于60 ℃后開(kāi)始下降。因此，確定乙酸提取纖維素的最適溫度為60 ℃。

2.2.4 時(shí)間對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響

稱取適量處理后的甜菜顆粒粕濾渣，按料液比1∶30加入10%乙酸溶液，在60 ℃條件下分別反應(yīng)1，1.5，2，2.5，3 h，研究時(shí)間對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 時(shí)間對(duì)纖維素產(chǎn)率的影響Fig.8 The effect of time on the yield of cellulose

由圖8可知，反應(yīng)時(shí)間低于2 h時(shí)，纖維素產(chǎn)率隨著時(shí)間的增加而升高，當(dāng)時(shí)間為2 h時(shí)，半纖維素產(chǎn)率最高，達(dá)到22.82%，高于2 h后開(kāi)始下降。因此，確定乙酸提取纖維素的最適時(shí)間為2 h。

2.2.5 乙酸提取纖維素的正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以料液比、乙酸溶液濃度、溫度、時(shí)間為因素進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化乙酸提取纖維素的提取工藝，因素水平設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～表6。

表4 乙酸提取纖維素的正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 4 The factors and levels design of orthogonal test for extraction of cellulose with acetic acid

表5 乙酸提取纖維素的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of orthogonal test for extraction of cellulose with acetic acid

表6 乙酸提取纖維素的正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 6 Analysis of orthogonal test results for extraction of cellulose with acetic acid

由表4～表6可知，影響纖維素產(chǎn)率的各因素主次關(guān)系為：乙酸溶液濃度>時(shí)間>溫度>料液比。乙酸提取纖維素的最佳工藝條件為：乙酸溶液濃度為15%、時(shí)間1.5 h、溫度60 ℃、料液比1∶25，此時(shí)纖維素的產(chǎn)率為22.88%。

3 結(jié)論

以除去果膠及蛋白質(zhì)的甜菜顆粒粕為原料，采用氫氧化鈉提取半纖維素，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定了半纖維素的最佳提取工藝為：氫氧化鈉溶液濃度11%、料液比1∶30、溫度60 ℃、時(shí)間6 h，半纖維素產(chǎn)率為22.7%；采用乙酸除去殘留的木質(zhì)素，獲得纖維素，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定了纖維素的最佳提取工藝為：乙酸溶液濃度15%、料液比1∶25、溫度60 ℃、時(shí)間1.5 h，纖維素產(chǎn)率為22.88%。