沙蒿微晶纤维素制备工艺及性质研究

温俊峰刘 侠李 霄

(1. 榆林学院化学与化工学院，陕西 榆林 719000；2. 榆林市农产品深加工重点实验室，陕西 榆林 719000)

微晶纤维素(MCC)是天然纤维素解聚到极限聚合度得到的产物，通常为无臭、无味的短棒状或粉末状多孔状颗粒[1-4]，聚合度一般为15～375。MCC具有比表面积大、聚合度高、结晶度高、吸水值高及化学反应活性大等特点，广泛应用于食品、医药、化妆品等工业[5]。在食品行业中，MCC可用作膳食纤维素，也可用作食品添加剂，如食品分散剂、稳定剂、悬浮剂等[6]。MCC由天然纤维素经化学水解法、生物酶法、物理机械法[7]得到，化学水解法操作简便、MCC得率高，是常用的MCC制备方法。目前，由甘蔗渣[8]、菊芋秸秆[9]、芦苇浆粕[10]、石榴皮[11]、芦笋茎秆[12]、沙棘[13]等原料均通过酸水解法得到了理想的微晶纤维素，但以沙蒿制备微晶纤维素鲜有文献报道。

黑沙蒿(Artemisia)又名沙蒿、油蒿，菊科蒿属植物，主要分布于中国陕西、内蒙古、新疆、宁夏和甘肃等地，是沙漠地区防风固沙的先锋植物[14]。黑沙蒿药用价值高，全草均可入药，可治疗风湿性关节炎、感冒头痛、咽喉肿痛、治尿闭症等疾病[15]。黑沙蒿还可用于食品工业，沙蒿籽胶是良好的食品添加剂[16]，沙蒿茎叶粗纤维含量高(29.39%)[17]，是潜在的膳食纤维素资源。近年来，沙蒿飞播面积不断扩大，截至2016年，榆林地区黑沙蒿保存面积约2.67×105hm2，而毗邻的鄂尔多斯地区黑沙蒿面积约2.53×106hm2[18]，资源丰富。黑沙蒿生长期间需进行平茬更新复壮[19]，平茬沙蒿枝条利用不充分，造成资源浪费。

本试验拟以黑沙蒿为原料，通过酸水解法制备微晶纤维素，优化制备工艺，并研究黑沙蒿微晶纤维素的性能，以期为黑沙蒿的开发应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

沙蒿：采自陕西神木；

无水乙醇、硝酸、盐酸、硫酸铜、氨水、氢氧化钠、乙二胺：分析纯。

1.1.2 主要仪器

高速万能粉碎机：FW-100D型，天津鑫博得仪器有限公司；

电子分析天平：GA1003型，上海上平仪器公司；

数控超声波清洗器：KQ2200DV型，昆山市超声仪器有限公司；

磁力加热搅拌器：78-1型，重庆吉祥教学实验设备有限公司；

场发射电子显微镜：SIGMA 300型，德国卡尔蔡司公司；

傅立叶变换红外光谱仪：IR Prestige-21型，日本岛津公司；

X射线衍射仪：GEOLGEM2011型，日本电子公司；

同步热分析仪：LABSYS EVO型，法国塞塔拉姆公司。

1.2 试验方法

1.2.1 沙蒿MCC制备

(1) 原料预处理：沙蒿枝除杂、清洗、烘干、粉碎，过60目筛，以料液比1∶10 (g/mL)用蒸馏水浸泡24 h(脱色)，过滤，低温烘干，备用。

(2) 纤维素提取：采用硝酸-乙醇法提取沙蒿纤维素。具体方法，取沙蒿粉6 g，加入150 mL体积比为1∶4的硝酸—乙醇混合液，100 ℃回流8 h，至固体变白。冷却后过滤，热水洗涤至中性，再用95%的乙醇洗涤3次，于70 ℃烘干。

(3) MCC制备：称取1 g沙蒿纤维素，加入不同浓度、不同体积的盐酸，加热回流，酸解一定时间后，冷却、抽滤，醇洗，干燥，粉碎，得沙蒿MCC。

1.2.2 MCC得率与聚合度测定方法 沙蒿MCC得率按式(1)计算：

(1)

式中：

Y——沙蒿MCC得率，%；

m1——沙蒿MCC质量，g；

m2——沙蒿纤维素质量，g。

按GB/T 1548—2004法测定黏度，通过聚合度与黏度之间的关系，计算聚合度。

1.2.3 单因素试验设计 固定其它试验条件，分别考察料液比、盐酸浓度、酸解时间和酸解温度对MCC得率与聚合度的影响。

(1) 料液比：在盐酸质量分数为12%，酸解温度70 ℃，酸解时间60 min时，考察料液比1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35 (g/mL)对沙蒿MCC得率与聚合度的影响。

(2) 盐酸浓度：在料液比1∶30 (g/mL)，酸解时间60 min，酸解温度70 ℃时，考察不同盐酸浓度(6%，9%，12%，15%，18%)对沙蒿MCC得率与聚合度的影响。

(3) 酸解时间：在料液比1∶30 (g/mL)，盐酸质量分数15%，酸解温度70 ℃时，考察酸解时间(30，60，90，120，150 min)对沙蒿MCC得率与聚合度的影响。

(4) 酸解温度：在料液比为1∶30 (g/mL)，盐酸质量分数15%，酸解时间60 min时，考察酸解温度(30，50，70，90，110 ℃)对沙蒿MCC得率与聚合度的影响。

1.2.4 响应面(RSM)试验设计 参考单因素试验结果，选取料液比、盐酸浓度、酸解时间、酸解温度为试验因素，利用Design Expert 8.06软件设计四因素三水平试验方案。以沙蒿MCC得率为指标，分析试验结果，确定各因素对沙蒿MCC得率的影响程度及各因素之间的交互作用，优化试验条件，得到沙蒿MCC制备的最佳工艺条件。

1.2.5 MCC性能分析

(1) 结构表征：采用场发射电子显微镜(SEM)观察样品形貌，傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)分析官能团结构，X射线衍射仪(XRD)分析晶体结构与结晶度，同步热分析仪分析样品热性能。

(2) 持水力与溶胀性分析：参照文献[20]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 料液比的影响 由图1可以看出，随溶济增加沙蒿MCC得率先增大后减小，在料液比为1∶30 (g/mL)时得率最高，而聚合度随溶济增加逐渐下降，在料液比为1∶30 (g/mL)时达到最低点，之后趋于稳定。盐酸体积的增加，有利于纤维素颗粒与水解液充分接触，纤维素无定形区氢键可充分水解，因而MCC得率增加，聚合度减小；当盐酸体积增加到一定值时，聚合度达到极限平衡状态，再增大盐酸体积，聚合度保持不变，而随着盐酸用量的增加，部分纤维素的结晶区糖苷键会水解为葡萄糖，使沙蒿MCC得率降低。

图1 料液比对沙蒿MCC得率与聚合度的影响

图1 Effect of solid-to-liquid on yield and degree of polymerizationof (DP) of Artemisia

2.1.2 盐酸浓度的影响 从图2可以看出，随着盐酸浓度的增大，沙蒿MCC的得率先逐渐增大后减小，聚合度逐渐减小。这是因为随着盐酸浓度的增大，纤维素的水解速率加快、水解程度增加，盐酸浓度达到15%时，纤维素水解为微晶纤维素，沙蒿MCC得率最高，水解达到平衡聚合度，之后由于结晶区水解导致葡萄糖的生成，得率下降，而聚合度不受影响，无明显变化。

2.1.3 酸解时间的影响 根据图3可以看出，随着酸解时间

图2 盐酸浓度对沙蒿MCC得率与聚合度的影响

图2 Effect of acid concentration on yield and degree of polymerizationof (DP) of Artemisia

的延长沙蒿MCC得率先增大后减小，聚合度逐渐减小至恒定；在酸解时间为60 min时得率最高，聚合度适中。过长的反应时间会使沙蒿MCC得率显著降低，这是因为酸解时间过长，纤维素无定形区被水解，结晶区也会受到较大程度破坏，导致纤维素过度水解，得率下降。

2.1.4 酸解温度的影响 由图4可知，随着酸解温度的升高，沙蒿MCC得率逐渐增大，在酸解温度为70 ℃时得率达到最高点，之后逐渐下降；聚合度随着酸解温度的升高逐渐减小，70 ℃后趋于稳定。这是因为随着水解温度的升高，天然纤维素分子无定形区糖苷键断裂数增多，当酸解温度为70 ℃时，已全部水解至MCC，达到水解极限平衡态，继续升高温度，聚合度变化不明显。但是继续增大温度，水解程度逐渐加剧，MCCβ-1，4 糖苷键断裂，被水解为溶解态葡萄糖数量增加，故使MCC得率减小。

图3 酸解时间对沙蒿MCC得率与聚合度的影响

图3 Effect of time on yield and degree of polymerizationof (DP) of Artemisia

图4 酸解温度时沙蒿MCC得率与聚合度的影响

图4 Effect of temperature on yield and degree of polymerizationof (DP) of Artemisia

2.2 响应曲面试验

2.2.1 模型的建立及其试验结果 在综合分析单因素试验结果的基础上，经Box-Behnken设计的四因素三水平的试验方案见表1，所选取的因素水平保证其在最佳水解条件范围内，试验方案及结果见表2。

表1 响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels in response surface experiment

表2 响应曲面试验设计及试验结果Table 2 Response surface design arrangement and experimental results

采用Design Expert 8.06软件对表2中的试验数据进行二次线性回归拟合，得到沙蒿MCC得率(Y)对液料比、盐酸浓度、酸解时间、酸解温度的二次多项回归模型方程：

Y=85.66-1.11A-0.80B-0.86C-2.70D+4.01AB-2.43AC-0.95AD-1.62BC-4.86BD-4.73CD-13.17A2-13.91B2-10.18C2-9.70D2。

(2)

2.2.2 显著性分析 表3为以沙蒿MCC得率为指标经拟合后得到的方差分析结果。

由表3分析结果可知，回归模型P<0.000 1，方差模型为极为显著。一次项D的P<0.05，表明酸解温度对沙蒿MCC得率的线性关系较为显著，其他项表现为不显著。其中二次项A2、B2、C2、D2表现为差异极显著(P<0.000 1)。交互项BD、CD表现为差异显著(P<0.05)，AB、AC、AD、BC表现为差异不显著(P>0.05)。失拟项P为0.310 2>0.05，不显著，说明响应曲面设计试验拟合回归方程具有显著意义。拟合得到模型精密度为11.521 2≫4，表明该模型拟合度和可信度很高可以用于预测[21]。复相关系数为0.930 5，说明相关性较好。校正决定系数为0.861 1，说明86.11%试验数据的变异性可用上述回归模型解释。

2.2.3 响应曲面分析 分析了液料比、盐酸浓度、酸解时间和酸解温度对沙蒿微晶纤维素得率的交互作用影响，其响应曲面图见图5。

图5显示了各因素之间交互作用对响应值的影响情况，响应曲面图开口均向下，说明在试验条件下，响应值即MCC得率有最大值，各试验因素对MCC得率的影响是先增大后减小。比较而言，图5(e)、(f)对应的等高线图接近椭圆形，交互影响比较显著，即盐酸浓度和酸解温度、酸解时间和酸解温度两两的交互作用比较显著。图5(a)～(d)的等高线图更接近圆形，即液料比和盐酸浓度、液料比和酸解时间、液料比和酸解温度、盐酸浓度和酸解时间两两的交互作用不明显。

2.2.4 响应曲面优化工艺结果 通过响应曲面优化结果，得到制备沙蒿MCC的最优工艺为：料液比为1∶29.50 (g/mL)，盐酸浓度为14.96%，酸解时间为60.10 min，酸解温度为70.12 ℃时，理论MCC得率为85.62%。考虑到实际操作条件，将其调整为：料液比取1∶30 (g/mL)，盐酸浓度取15%，酸解时间取60 min，酸解温度取70 ℃。在此最优条件下制备MCC，最终测定沙蒿MCC得率为85.14%，聚合度为182.7。

图5 各因素交互作用对沙蒿MCC得率的影响Figure 5 Effect of interaction of various factors on MCC yield of Artemisia表3 沙蒿MCC得率回归模型方差分析结果

来源平方和自由度均方F值P值显著性模型2 791.82914199.41613.397 81<0.000 1***A14.785114.7850.993 350.335 8B7.58417.5840.509 550.487 1C8.77218.7720.589 370.455 4D87.480187.4805.877 350.029 5*AB64.160164.1604.310 600.056 8AC23.619123.6191.586 890.228 4AD3.57213.5720.239 990.631 8BC10.498110.4970.705 280.415 1BD94.478194.4786.347 540.024 5*CD89.302189.3025.999 800.028 1*A21 124.64711 124.64775.559 52<0.000 1***B21 255.05811 255.05884.321 21<0.000 1***C2671.5501671.55045.118 16<0.000 1***D2610.6281610.62841.025 12<0.000 1***残项208.3801414.884不显著失拟项169.628 1016.9631.750 900.310 2净误差38.75249.688总差3 000.20828校正系数R2=0.930 5R2Adj=0.861 1

† ***为差异极显著(P<0.001)；**为差异高度显著(P<0.01)；*为差异显著(P<0.05)。

2.3 沙蒿MCC表征

2.3.1 扫描电镜(SEM)分析 图6(a)、(b)分别为沙蒿纤维素和沙蒿MCC放大600倍的图像，从中可以看出，沙蒿纤维素和沙蒿MCC呈棒状结构，沙蒿MCC形状较为均匀，且长度变短，经放大1 000倍后[图6(c)]可观察到表面结构较粗糙、疏松，比表面积增大，从而达到MCC许多物化性能的提高。

图6 沙蒿纤维素和沙蒿MCC的SEM图Figure 6 SEM of Artemisia cellulose and Artemisia MCC

2.3.2 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析 由图7可看出，沙蒿纤维素和沙蒿MCC的出峰位置和峰强度基本一致。沙蒿纤维素在3 425 cm-1处的强宽吸收峰代表O—H伸缩振动，在619 cm-1处的吸收代表O—H的面外弯曲振动，沙蒿MCC的O—H伸缩振动红移至3 435 cm-1，且峰形较为光滑，面外弯曲振动峰蓝移至617 cm-1处，说明酸解后纤维素分子中羟基间的氢键有所减少。图谱中2 918 cm-1处的峰为—CH2—的C—H伸缩振动峰，1 630 cm-1处吸收峰为O—H的弯曲振动，1 435 cm-1处的峰为—CH2的弯曲振动，1 060 cm-1处的强吸收峰为纤维骨架上 C—O 的振动峰。可见，酸水解制备沙蒿MCC的反应过程并未改变纤维素基本化学结构，推断纤维素晶型为I型(1 435 cm-1处特征峰)[22]。

图7 沙蒿纤维素和沙蒿MCC的红外光谱图Figure 7 FTIR spectra of Artemisia cellulose and Artemisia MCC

2.3.3 X-衍射(XRD)分析 由图8可知，沙蒿纤维素和沙蒿MCC在2θ为16.44°，22.26°，34.8°处均有3个衍射峰，22.26°处峰较强而其它2处峰较弱。2θ=16.44°处的峰为纤维素Ⅰ型101面衍射峰，2θ=22.26°处的峰为002面衍射峰，2θ=34.4° 为004面衍射峰，说明沙蒿纤维素与沙蒿MCC为纤维素 I 型结构[23]。沙蒿MCC在22.5°处衍射峰强度与沙蒿纤维素相比明显加强，且峰形较尖锐。利用Segal公式求得沙蒿纤维素和沙蒿MCC的相对结晶度分别为63.91和72.85，说明经酸水解后纤维素结晶度升高。

图8 沙蒿纤维素和沙蒿MCC的XRD图Figure 8 XRD patterns of Artemisia cellulose and Artemisia MCC

2.3.4 热稳定性分析 图9为沙蒿纤维素和沙蒿MCC的热重曲线图。可以看出，在60 ℃左右，2个样品都出现轻微的质量损失，这是样品中所残留小分子的挥发引起的。沙蒿纤维素与沙蒿MCC的初始降解温度约为240 ℃，到380 ℃时质量基本稳定，沙蒿MCC的最大降解温度为356 ℃，此时的失重率为82.21%，沙蒿纤维素的最大降解温度为343 ℃，相对应的失重率为47.14%。通过比较，可以看出沙蒿MCC较沙蒿纤维素，最大降解温度高，稳定较好。

2.4 沙蒿MCC持水力和溶胀性测试结果

经试验测得沙蒿MCC的膨胀力为12.5 mL/g，持水力为13.875 g/g，膨胀力和持水力均较大，可满足膳食纤维的指标要求。

3 结论

响应曲面法有效地优化了盐酸水解法制备沙蒿MCC的工艺，并筛选出影响沙蒿MCC得率与聚合度的重要因素。在最优条件下制备得到沙蒿MCC得率为85.14%，聚合度为182.7，与响应面分析结果接近。试验结果显示，沙蒿MCC膨胀力和持水力均较大，是理想的膳食纤维，可用作食品添加剂。酸水解法得到的沙蒿MCC呈棒状，但长短粗细不均匀，这是本试验的不足之处，有待进一步优化试验条件，实现MCC的外观形貌均一性。