绿豆皮纤维素的超声波-微波联合辅助提取及其性质研究

王亚静 陈珊珊 隋思瑶 张 宁 马中苏 张丽萍

绿豆皮纤维素的超声波-微波联合辅助提取及其性质研究

王亚静1陈珊珊1隋思瑶1张 宁1马中苏1张丽萍2

（吉林大学生物与农业工程学院1，长春 130022）
（黑龙江八一农垦大学食品学院2，大庆 163319）

以绿豆皮为原料，采用超声波-微波联合辅助碱法提取其中的纤维素，研究了NaOH质量分数、NaOH添加量、超声波-微波联合作用时间、微波功率及脱色时间这5个因素对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响，并采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对绿豆皮纤维素的微观结构进行了表征。结果表明：与碱提取法、超声波或微波单独辅助碱提取法相比，超声波-微波联合辅助碱提取法能够有效的提高绿豆皮纤维素的得率并改善其理化性质。通过单因素试验得到了绿豆皮纤维素提取的最佳工艺条件：NaOH质量分数10%、NaOH添加量15 mL／g、超声波-微波联合作用时间15 min、微波功率300 W、脱色时间90 min，在此条件下，获得的绿豆皮纤维素得率为44.91%，膨胀力为4.01 mL／g，持水力为7.16 g／g。绿豆皮纤维素的红外光谱分析结果表明，超声波-微波联合辅助碱法提取的绿豆皮纤维素特征峰没有发生明显变化，且木质素残留较少。本研究结果可以为废弃绿豆皮的再利用提供参考。

绿豆皮 纤维素 超声波-微波 得率 膨胀力 持水力

纤维素是自然界中分布最广、含量最多的天然高分子化合物，具有聚合度大、化学性质稳定、可降解等优点［1］，作为一种可再生生物资源受到了越来越多的重视，随着科学技术的不断发展，纤维素除了作为原料广泛应用于食品工业、造纸工业、材料工业等领域外，还被应用于生物医学、石油化工、环境治理等新的应用领域［2-3］。纤维素的膨胀力和持水力等理化性质对其在各个领域的应用有着至关重要的影响。

绿豆又名青小豆，是我国主要粮食作物之一，同时我国也是世界上主要的绿豆生产国和出口国，绿豆资源相当丰富［4］。绿豆皮约占绿豆总质量的7%～10%，是绿豆粉丝、绿豆芽及绿豆糕等产品生产过程的主要废弃物，绿豆皮中含有约50%～60%的纤维素及黄酮类化合物、水溶性多糖、生物碱等活性成分［5］。绿豆皮是难得的膳食纤维来源，纤维含量高、质感好，有利于加工成高纯度、高品质的纤维素，目前国内外对绿豆皮中黄酮类化合物和多糖类抗氧化物质以及色素的提取研究比较多［6-10］，对绿豆皮中纤维素的研究鲜有报道。

目前，国内外已有很多从秸秆、稻草、花生壳和果蔬渣等原料中提取纤维素的研究［11-12］，主要提取方法有机械粉碎法、超声波辅助提取法和微波辅助提取法等物理方法［13］，碱提取法、无机酸处理、有机溶剂法和离子液体法等化学方法以及酶提取法等，其中碱提取法是目前应用最广泛的纤维素提取方法。实际应用中，常常采用2种或2种以上方法组合，取长补短，提高纤维素提取的效果［14］。超声波-微波联合辅助提取法就是将超声波的机械震荡剪切效应与微波辐射热效应相结合，使得反应体系加热更均匀，加速分子运动及分子间氢键的断裂，从而达到提高目标成分的得率、缩短反应时间、改善其物化性能等目的［15-16］。

本研究采用超声波-微波联合辅助碱法提取绿豆皮中的纤维素，研究了NaOH质量分数、NaOH添加量、超声波-微波联合作用时间、微波功率及脱色时间对绿豆皮纤维素得率及理化性质膨胀力和持水力的影响，旨在提高绿豆皮纤维素的得率，改善其理化性质，同时为废弃绿豆皮的再利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

绿豆皮：市售。

XO-SM50型超声波微波组合系统：南京先欧仪器制造有限公司；Nexus-670型傅里叶变换红外光谱仪：美国Nicolet仪器公司。

1.2 试验方法

1.2.1 绿豆皮纤维素提取

工艺流程：绿豆皮→干燥粉碎→过筛→浸泡过夜→超声波-微波联合辅助碱提取→脱色→烘干→粉碎→成品。

将绿豆皮烘干后粉碎过60目筛备用。绿豆皮加水浸泡过夜，过滤得到滤渣，加入氢氧化钠溶液，置于超声波-微波联合反应系统中，取出后将滤渣洗涤至中性；滤渣按照料液比1 g∶10 mL加入次氯酸钠溶液，用10%的盐酸溶液调pH至3～4，于80℃水浴恒温振荡器中脱色，过滤，滤渣洗涤至中性，于50℃下干燥至恒重，粉碎即得绿豆皮纤维素。

1.2.2 绿豆皮纤维素得率的测定

按照GB／T 744—2004《纸浆抗碱性的测定》测定提取物中绿豆皮纤维素的含量。绿豆皮纤维素得率是指在绿豆皮纤维素提取过程中，得到的绿豆皮纤维素的质量与绿豆皮质量的百分比，按式（1）计算：

式中：m1为绿豆皮的质量／g；m2为绿豆皮提取物的质量／g；c为提取物中绿豆皮纤维素含量／%。

1.2.3 绿豆皮纤维素膨胀力的测定

取一定质量的绿豆皮纤维素（80目）置于刻度试管中，加入过量的去离子水，充分摇匀，室温下静置24 h，记录吸水后绿豆皮纤维素的体积［17］。按照式（2）计算：

式中：V0为绿豆皮纤维素的体积／mL；V1为吸水后绿豆皮纤维素的体积／mL；m为绿豆皮纤维素的质量／g。

1.2.4 绿豆皮纤维素持水力的测定

称量一定质量的绿豆皮纤维素（80目）于离心管中，并加入25 mL去离子水，充分混匀，室温下静

式中：m0为绿豆皮纤维素的质量／g；m1为吸水后绿豆皮纤维素的质量／g。

1.2.5 绿豆皮纤维素红外光谱测定

分别将超声波-微波辅助碱提取法和碱浸提法提取的绿豆皮纤维素样品粉碎研磨后采用KBr压片，利用傅里叶变换红外光谱仪进行红外分析，扫描范围为4 000～400 cm-1。

1.2.6 数据处理

以Origin及DPS软件作为数据处理工具分析试验结果，并采用P＜0.05的Duncan多重比较检验法进行显著性分析。置24 h，在4 000 r／min 的转速下离心10 min，弃掉上清液，称重沉淀［18］。按照式（3）计算：

2 结果与分析

2.1 对照试验结果

根据前期预试验，称取10 g粉碎的绿豆皮，加入100 mL质量分数10%的NaOH，脱色时间为90 min，进行绿豆皮纤维素的提取。对照组使用碱提取法；超声波组是单独超声波辅助碱法提取（超声功率90 W，作用时间15 min）；微波组是单独微波辅助碱法提取（微波功率300 W，作用时间15 min）；超声波-微波组是超声波-微波联合辅助碱法提取（超声波功率90 W，微波功率300 W，作用时间15 min）。不同提取方法对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响如表1所示。由表1可知，超声波-微波组的得率、膨胀力和持水力均明显高于对照组，且差异极显著；超声波-微波组的得率、膨胀力和持水力均大于超声波组和微波组，差异显著；而超声波组与微波组相比，得率、膨胀力与持水力并没有太大的变化，差异不显著。由此可见使用超声波-微波联合辅助碱提取法能够有效的提高绿豆皮纤维素的得率并改善其理化性质。

表1 不同提取方法对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响

2.2 NaOH质量分数

NaOH添加量10 mL／g、超声波-微波联合作用时间15 min、微波功率300 W及脱色时间90 min条件下，NaOH质量分数对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响如图1所示。由图1可知，随着NaOH质量分数的增加，绿豆皮纤维素得率呈现先增大后减小的趋势。这是因为当碱液与绿豆皮反应时，绿豆皮中的蛋白类、黄酮类及色素类等物质被去除，纤维素结构变的松散，NaOH质量分数为5%～10%时，随着NaOH质量分数的增加，大量的半纤维素和果胶从纤维素中分离出来，溶于碱溶液中，纤维素的亲水性增强，使得绿豆皮纤维素的膨胀力和持水力增强，得率也显著升高。当NaOH质量分数大于10%时，由于碱浓度过大，在半纤维素等溶解的时候一部分的绿豆皮纤维素也被分解，从而使得率开始降低，纤维素的结构被破坏，使其膨胀力和持水力下降。因此最佳的NaOH质量分数为10%。

图1 NaOH质量分数对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响

2.3 NaOH添加量

NaOH质量分数10%、超声波-微波联合作用时间15 min、微波功率300 W及脱色时间90 min条件下，NaOH添加量对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响如图2所示。由图2可知，当NaOH添加量从5 mL／g增加到15 mL／g时，随着NaOH添加量的逐渐增多，绿豆皮可以更均匀地分散在碱液中，接触面积增大，促使绿豆皮中的蛋白质、半纤维素和果胶等溶解在碱液中，纤维素的亲水基团暴露出来，使得绿豆皮纤维素的得率升高，料液比的增大使得颗粒间的间隙增大，纤维颗粒与水接触的就越多［17］，膨胀力和持水力呈现上升的趋势。NaOH添加量大于15 mL／g时，过多的碱液增大了对纤维素网状结构的破坏，降低了纤维素的膨胀力，而对持水力影响不大。因此最佳的NaOH添加量为15 mL／g。

图2 NaOH添加量对绿豆皮纤维素含量及得率的影响

2.4 超声波-微波联合作用时间

NaOH质量分数10%，NaOH添加量15 mL／g、微波功率300 W及脱色时间90 min条件下，超声波-微波作用时间对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响如图3所示。由图3可知，当超声波-微波联合作用时间低于15 min时，超声波的机械剪切作用及微波的热作用破坏了绿豆皮纤维素的结构，使其结构松散，绿豆皮中的蛋白质、淀粉、半纤维素和果胶等被分离出来，纤维素的亲水基团被大量暴露在表面，从而使得超声波-微波联合作用时间越长，绿豆皮纤维素的得率、膨胀力和持水力越大。当超声波-微波联合作用时间大于15 min时，长时间的超声波-微波协同作用使得一部分绿豆皮纤维素粒径变小也溶于碱液中，因此得率又逐渐减小；同时纤维素的空间网状结构被破坏，化学键发生断裂，纤维素以碎片的形式相互堆叠，不能支撑起更大的空间，致使绿豆皮纤维素的膨胀力和持水力减小。因此，本研究将超声波-微波联合作用时间定为15 min。

图3 超声波-微波联合作用时间对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响

2.5 微波功率

NaOH质量分数10%，NaOH添加量15 mL／g、超声波-微波联合作用时间15 min及脱色时间90 min条件下，微波功率对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响如图4所示。

图4 微波功率对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响

由图4可知，当微波功率低于300 W时，随着微波功率的不断增大，微波强度也随之增大，同时微波产生的热效应增强了碱的反应活力，使蛋白质、淀粉等被溶解，破坏了纤维素原有的结构，促使半纤维素、木质素和果胶从纤维素中脱离出来，使绿豆皮纤维素的得率升高；微波产生的热效应使得纤维素运动速率增大，颗粒的表面积增大，亲水基团暴露的更多，膨胀力和持水力增大。微波功率继续增大，微波的热作用继续增强，使得一部分绿豆皮纤维素被分解，导致绿豆皮纤维素得率下降，纤维素的网状结构被破坏，绿豆皮纤维素的膨胀力和持水力开始减弱。因此，本研究最优的微波功率为300 W。

2.6 脱色时间

NaOH质量分数10%，NaOH添加量15 mL／g、超声波-微波联合作用时间15 min及微波功率300 W条件下，脱色时间对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响如图5所示。由图5可知，脱色时间小于90 min时，随着脱色时间的延长，即次氯酸钠的作用时间延长，使得绿豆皮中的木质素被去除的更干净，纤维素更纯，从而提高了绿豆皮纤维素的得率、膨胀力及持水力。当脱色时间大于90 min时，绿豆皮纤维素的得率和理化性质均趋于稳定。因此最佳脱色时间为90 min。

图5 脱色时间对绿豆皮纤维素得率、膨胀力及持水力的影响

由单因素试验发现，绿豆皮纤维素超声波-微波联合辅助碱法提取的最优反应条件为NaOH质量分数10%、NaOH添加量15 mL／g、超声波-微波联合作用时间15 min、微波功率300 W、脱色时间90 min。在此条件下进行验证试验，得到绿豆皮纤维素的得率为44.91%，膨胀力为4.01 mL／g，持水力为7.16 g／g。

2.7 红外光谱分析

超声波-微波联合辅助碱法提取和碱浸提法提取的绿豆皮纤维素傅里叶变换红外光谱图分别如图6和图7所示。3 420 cm-1处的吸收峰是由O—H的伸缩振动引起的，2 920 cm-1处的吸收峰是属于甲基和亚甲基中C—H键的不对称伸缩振动，1 630 cm-1处的吸收峰是由于纤维素中结合水的弯曲振动引起的，1 430 cm-1处的吸收峰显示C—H键的弯曲振动，1 060 cm-1处的吸收峰属于C—O键的反对称伸缩振动，895 cm-1处的吸收峰是由环振动和C—H键变形振动引起的，是纤维素葡萄糖单元之间β糖苷键的特征吸收峰［19］。图6与图7相比，图7中出现了木质素的特征吸收峰（1 510 cm-1），而图6在1 510 cm-1附近并没有出现明显的吸收峰，这说明超声波-微波辅助碱提取法能够更好地去除木质素，且纤维素的特征峰并没有发生明显的变化。

图6 超声波-微波联合辅助碱法提取的绿豆皮纤维素傅里叶变换红外光谱图

图7 碱法提取的绿豆皮纤维素傅里叶变换红外光谱图

3 结论

3.1 超声波-微波联合辅助碱提取法能够有效地提高绿豆皮纤维素的得率并改善其理化性质。

3.2 通过单因素试验得到了超声波-微波辅助碱法提取绿豆皮纤维素的最佳工艺条件为：NaOH质量分数10%、NaOH添加量15 mL／g、超声波-微波联合作用时间15 min、微波功率300 W、脱色时间90 min，在此条件下进行验证试验，得到绿豆皮纤维素的得率为44.91%，膨胀力为4.01 mL／g，持水力为7.16 g／g。

3.3 由绿豆皮纤维素傅里叶变换红外光谱图分析可知，超声波-微波联合辅助碱法提取的绿豆皮纤维素在1 050 cm-1附近没有出现木质素特征吸收峰，纤维素的特征峰也没有发生明显的变化，说明木质素残留较少，且没有破坏纤维素的特征结构。

［1］Toyoko S，Kyosuke K，Kengo S，et al.Preparation of cellulose particles using an ionic liquid［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2014，418：126-131

［2］KaParaju P，Serrano M，Thomsen A B，et al.Bioethanol，biohydrogen and biogas Production from wheat straw in a biorefinery concept［J］.Bioresource Technology，2007，98（6）：1291-1297

［3］陆红佳，文红丽，刘雄.超声波辅助酸法制备纳米薯渣纤维素工艺研究［J］. 中国粮油学报，2012，27（4）：96-100 Lu H J，Wen H L，Liu X.Study on preparation of nanocrystal cellulose by ultrasonic-assisted acid［J］.Journal of the Chinese Cereal and Oils Association，2012，27（4）：96-100

［4］曾志红，王强，林伟静，等.绿豆蛋白营养及功能特性分析［J］. 中国粮油学报，2012，27（6）：51-55

Zeng Z H，Wang Q，Lin W J，et al.Nutritional quality and functional characteristics of mung bean protein［J］.Journal of the Chinese Cereal and Oils Association，2012，27（6）：51-55

［5］杜冰，黄守耀，姜龙波，等.双螺杆挤压对绿豆皮中膳食纤维的改性研究［J］. 食品工业科技，2012，33（10）：170-176

Du B，Huang SY，Jing L B，et al.Study on modified dietary fiber of mung bean hull by twin-screw extrusion［J］.Science and Technology of Food Industry，2012，33 （10）：170-176

［6］Furao L，Qibiao W，Lin L，et al.Antioxidant activities of water-soluble polysaccharide extracted from mung bean（Vigna radiata L.）hull with ultrasonic assisted treatment［J］.Carbohydrate Polymers，2010，81：323-329

［7］Zarina M，Muhammad I，Salim R，et al.Biochemical perspectives of xylitol extracted from indigenous agricultural by-product mung bean（vigna radiata）hulls in a rat model［J］.Society of Chemical Industry，2014，94：969-74

［8］Zhong K，Lin W J，Wang Q，et al.Extraction and radicals scavenging activity of polysaccharides with microwave extraction from mung bean hulls［J］.International Journal of Biological Macromolecules，2012，51：612-617

［9］钟葵，曾志红，林伟静，等.绿豆多糖制备及抗氧化特性研究［J］. 中国粮油学报，2013，28（2）：93-98

Zhong K，Zeng Z H，Lin W J，et al.Study on the preparation of polysaccharides from mung bean seed and anti-oxidant activity［J］.Journal of the Chinese Cereal and Oils Association，2013，28（2）：93-98

［10］王传虎，周丽，吴福勇，等.超临界CO2萃取废弃绿豆种皮中的绿色素［J］. 食品工业科技，2010，31（5）：248-251

Wang C H，Zhou L，Wu F Y，et al.Extraction of green pigment from mung bean skin by supercritical CO2［J］.Science and Technology of Food Industry，2010，31（5）：248-251

［11］陈尚钘，勇强，徐勇，等.稀酸预处理对玉米秸秆纤维组分及结构的影响［J］. 中国粮油学报，2011，26（6）：13-19

Chen SY，Yong Q，Xu Y，et al.Effects of dilute acid pretreatment on fiber components and structure of corn stover［J］.Journal of the Chinese Cereal and Oils Association，2011，26（6）：13-19

［12］Chemar JH，Kristy D C，Michael L C.Chemical functionalization and characterization of cellulose extracted from wheat staw using acid hydrolysis methodologies ［J］.International Journal of Polymer Science，2015，http：／／dx.doi.org／10.1155 ／2015 ／293981

［13］Wang Z，Sun X X，Lian Z X，et al.The effects of ultrasonic／microwave assisted treatment on the properties of soy protein isolate／microcrystalline whean-bran cellulose film［J］.Journal of Food Engineering，2013，114（2）：183-191

［14］高璇，陆书明.纤维素提取分离技术研究进展［J］.德州学院学报，2012，28（2）：69-72

Gao X，Lu SM.Research progress in extraction and separation of cellulose［J］.Journal of Dezhou University，2012，28（2）：69-72

［15］Saha M，Eskicioglu C，Marin J.Microwave，ultrasonicand chemo-mechanical pretreatments for enhancing methane potential of pulp mill wastewater treatment sludge［J］.Bioresource Technology，2011，102（17）：7815-7826

［16］Li H，Liu E T，Chan F，et al.Fabrication of ordered flower-like ZnO nanostructures by a microwave and ultrasonic combined technique and their enhanced photocatalytic activity［J］.Materials Letters，2011，65（23／24）：3440-3443

［17］高宇萍，韩育梅，李周永，等.超声波处理对水不溶性膳食纤维膨胀力及持水力的影响［J］.食品工业科技，2012，33（16）：299-301

Gao Y P，Han Y M，Li Z Y，et al.Effect of ultrasonic treatment on expansive force and water-holding capacity of insoluble dietary fiber［J］.Science and Technology of Food Industry，2012，33（16）：299-301

［18］梅新，木泰华，陈学玲，等.超微粉碎对甘薯膳食纤维成分及物化特性影响［J］. 中国粮油学报，2014，29（2）：76-81

Mei X，Mu T H，Chen X L，et al.Effect of micronization on composition and physicochemical properties of sweet potato dietary fiber［J］.Journal of the Chinese Cereal and Oils Association，2014，29（2）：76-81

［19］蓝武.木质纤维在离子液体中的溶解以及组分分离［D］.广州：华南理工大学，2012

Lan W.Dissolution and fractionation of lingocellulosic biomass in ionic liquids［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2012.

Study on Cellulose Extraction from Mung Bean Hull by the Ultrasonic Microwave-Assisted Alkaline Extraction and Its Properties

Wang Yajing1Chen Shanshan1Sui Siyao1Zhang Ning1Ma Zhongsu1Zhang Liping2
（College of Biological＆ Agricultural Engineering，Jilin University1，Changchun 130022）
（College of Food Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University2，Daqing 163319）

Cellulose was extracted from mung bean hull by ultrasonic microwave-assisted alkaline extraction.The effects of five factors on the yield，swelling capacity and water holding capacity of mung bean hull cellose were investigated including NaOH，the addition of NaOH，ultrasonic microwave synergy time，microwave power and decoloring time，and the microstructures of mung bean hull cellulose were characterized by FT-IR.The contrast test results showed that ultrasonic microwave-assisted alkaline extraction method could effectively improve the yield and physicochemical properties of mung bean hull cellulose，compared with alkaline extraction，ultrasonic-assisted alkaline extraction and microwave-assisted alkaline extraction.According to the single factor experiment results，the optimal technology parameters were as follows：the mass fraction of NaOH：10%，the addition of NaOH：15 mL／g，ultrasonic microwave synergy time：15 min，microwave power：300 W，decoloring time：90 min；and under the conditions，the yield of mung bean hull cellulose was44.91%，the swelling capacity was4.01 mL／g，and the water holding capacity was 7.16 g／g.The infrared spectrum analysis results showed that the characteristic peak of mung bean cellulose extracted by alkali with ultrasonic microwave-assisted had no obvious change and the cellulose had less residual lignin.The results could provide a reference for the abandoned mung bean hull recycling.

mung bean hull，cellulose，ultrasonic-microwave，yield，swelling capacity，water holding capacity

TS214.9

A

1003-0174（2016）09-0119-07

国家星火计划（2013GA670001）

2015-01-04

王亚静，女，1991年出生，硕士，食品科学与工程

张丽萍，女，1957年出生，教授，杂粮深加工