正交试验法优化提取甜菜渣纤维素工艺

李 萌，周欣悦，代孟富，尚大勇，罗亚帅，黄欣桐

（1.赤峰学院化学化工学院，内蒙古 赤峰 024000；2.辽宁师范大学化学化工学院，辽宁 大连 116029）

甜菜是中国北部地区制糖业的主要原料，制糖工业的主要副产物就是甜菜渣，中国每年都会产出将近1000万t甜菜渣[1]。甜菜渣是一种非常重要的生物质资源，其含有纤维素、半纤维素和少量其他成分。除极少部分用于饲料以外，剩余的大部分甜菜渣被焚烧或者直接丢弃，不仅浪费资源，还会对环境造成很大的污染。因此，如何充分利用这些甜菜渣资源，成为了人们研究的热点。目前，研究者对甜菜渣的开发利用主要集中在半纤维素、果胶等有效成分的提取，对甜菜渣中含量最多的纤维素的提取和利用却比较少见[2-3]。

纤维素是由葡萄糖分子聚合而成的天然高分子化合物，不溶于水，难溶于一般有机溶剂。纤维素具有耐酸碱、可生物降解、无毒、高强度、高结晶度等优点，它被广泛应用在食品、化工、医学、纺织、造纸等领域，还被用作增强剂应用在材料领域[4-6]。天然纤维素主要和半纤维素等物质紧密粘结在一起，存在于植物的细胞壁中。因此，有必要从甜菜浆中除去这些物质以获得更高含量的纤维素。目前，物理法提取纤维素的方法主要有：如粉碎、蒸汽爆破等；化学法主要有：碱处理、亚硫酸盐处理和酸水解法等[7-11]。本实验以甜菜渣为原料，首先利用单因素实验来探明不同碱处理条件（固液比、氢氧化钠溶液浓度、提取时间、加热温度）对纤维素提取率的影响，再采用正交试验研究甜菜渣纤维素的提取工艺，从而获得最佳工艺条件，为甜菜渣纤维素的提取和应用提供理论依据和实践参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甜菜渣来自赤峰糖厂。

苯、无水乙醇、氢氧化钠、硫酸、蒽酮、乙酸乙酯、微晶纤维素等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

PTHW型-电热套（河南爱博特科技发展有限公司）、DJ120C型-半斤装中药材粉碎机 （浙江省瑞安市春海药材器械厂）、电子天平（上海精密科学仪器有限公司）、电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）、SHD-（Ⅲ）循环式真空泵（河南省予华仪器有限公司）、TU-1910双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）。

1.3 实验步骤

1.3.1 甜菜渣的预处理

用粉碎机将甜菜渣粉碎后，过筛（80目），70℃下干燥，密封，并在阴凉处储存备用。称取适量干燥后的甜菜渣粉末，加入苯/无水乙醇混合溶液（体积比为 2 ∶1），固液比为 1 ∶10，浸提 6 h，干燥后，密封保存，备用。

1.3.2 碱处理

称取一定量的甜菜渣，加入一定质量分数的氢氧化钠溶液，在一定温度下搅拌，然后抽滤，洗涤，直至滤液呈中性，将滤渣干燥，得到纤维素。

1.3.3 纤维素含量的测定

使用TU-1910双光束UV-Vis分光光度计测定经碱处理的甜菜渣中纤维素的含量。首先，用乙酸乙酯制备2%的蒽酮溶液，然后用微晶纤维素配制不同浓度的纤维素标准溶液，在波长623 nm处测量溶液吸光度值以制作标准曲线。根据标准曲线，确定样品中纤维素的含量。

1.3.4 单因素试验

称取 5g脱脂后的甜菜渣，按照 1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30的固液比分别加入 50 mL、75 mL、100 mL、125 mL、150 mL 新 配 制 的 4%NaOH溶液，将混合物在80℃下搅拌反应2 h，抽滤，洗涤，干燥并测定纤维素含量。

在最佳固液比的条件下，分别加入质量浓度为 1%、2%、4%、6%、8%NaOH 溶液，搅拌反应，确定NaOH溶液的最佳浓度。

在最佳固液比、最佳浓度条件下，以搅拌时间（0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h）为变量，确定最佳反应时间。

在最佳固液比、最佳浓度、最佳反应时间条件下，使用不同的加热温度（50℃、60℃、70℃、80℃、90℃）作为变量，确定最佳温度。

1.3.5 正交试验设计

根据单因素试验结果，利用正交试验法，选择四个因素作为自变量：固液比、氢氧化钠浓度、加热时间和加热温度，设计四因素五水平的正交试验表，因子与水平设计如表1。

表1 正交实验因素和水平Table 1 Factor and levels used in RSM design

2 结果与分析

2.1 固液比对甜菜渣纤维素提取率的影响

图1 固液比对甜菜渣纤维素提取率的影响Fig.1 Effect of solid to liquid ratio on the extraction rate of cellulose

由图1可知，当固液比为1∶15时，纤维素的提取率为50.6%，达到最大值。随着固液比的减小，甜菜渣纤维素的提取率不断降低，当固液比为为1∶30时，纤维素提取率达到最小值10.3%。这是因为随着氢氧化钠溶液的增加，不仅大量的半纤维素产生水解，而且一部分纤维素也会发生分解。因此，以固液比为1∶15作为纤维素提取的最佳条件。

2.2 NaOH浓度对甜菜渣纤维素提取率的影响

图2 NaOH浓度对纤维素提取率的影响Fig.2 Effect of sodium hydroxide concentration on the extraction rate of cellulose

从图2可知，当NaOH浓度分别为1%、2%、4%、6%和8%时，纤维素的提取率分别为21%、28%、50%、36.4%和15.8%，纤维素提取率随着NaOH浓度的增加而增加，当质量浓度为4%时，达到最大值。如果浓度继续增加，则纤维素提取率将显著降低。这是因为NaOH浓度越高，甜菜渣中的半纤维素和木质素水解越完全，导致纤维素含量的增加。当NaOH质量分数超过4%时，少量纤维素也会发生降解，另一个原因是纤维素与高浓度碱液反应形成碱纤维素。因此，纤维素提取的最佳NaOH浓度为4%。

2.3 提取时间对甜菜渣纤维素提取率的影响

图3 提取时间对甜菜渣纤维素提取率的影响Fig.3 Effect of extraction time on the extraction rate of cellulose

由图3可以看出，随着提取时间的延长，甜菜渣纤维素的提取率先增大后减小。当提取时间为2 h时，纤维素含量达到最大值（51.2%）。在纤维素提取的初始阶段，随着提取时间的增加，甜菜渣中的半纤维素和木质素水解得更充分。然而，当提取时间超过2 h时，纤维素结构会遭到一定程度的破坏，导致一些纤维素降解。综上所述，以2 h作为纤维素提取的最佳提取时长。

2.4 提取温度对甜菜渣纤维素提取率的影响

图4 提取温度对纤维素提取率的影响Fig.4 Effect of temperature on the extraction rate of cellulose

由图4可知，当固液比为1∶15、NaOH浓度4%、提取时间2 h，不同温度对甜菜渣纤维素的提取率有显著影响。从图中可以看出，随着温度的升高，甜菜渣纤维素提取率不断增加，在90℃时达到最大值61%。这是由于随着温度的升高，分子间的碰撞加剧，反应活性极大增强，促使分子间的糖苷键断裂，导致非纤维物质（例如半纤维素和木质素等）被水解，从而使样品中的纤维素含量增加。因此，确定甜菜渣纤维素提取的最佳温度为90℃。

2.5 正交实验

表2 正交实验结果Table 2 Orthogonal experimental results

续表

正交试验设计及结果如表2所示。从表2可以得出结论：各因素对甜菜渣中纤维素含量的影响依次为：固液比>提取温度>提取时间>NaOH浓度。最佳提取工艺为：固液比为1：15，氢氧化钠溶液浓度为4%，提取时间为2 h，提取温度为90℃，此条件下样品中纤维素的含量可达57.4%。

表3 方差分析数据表（α=0.05）able 3 The ANOVA of experiment results(α=0.05)

表3和表4显示的是正交试验的方差分析结果。从表中可以看出，在α=0.01水平下，提取时间和提取温度对纤维素提取率的影响是显著的。而在α=0.05水平下，固液比、提取时间和提取温度对甜菜渣纤维素提取率有显著影响。然而，氢氧化钠溶液浓度对甜菜渣纤维素提取率的影响仍然不明显。

表4 方差分析数据表（α=0.01）Table4 The ANOVA of experiment results（α=0.01）

3 结论

根据单因素试验结果，通过正交试验设计，以甜菜渣纤维素含量为指标，研究了甜菜渣纤维素提取的最佳工艺条件：固液比为1：15，氢氧化钠溶液的质量分数为4%，提取时间为2 h，提取温度为90℃，在此工艺下，甜菜渣纤维素含量达到了57.4%。通过方差分析可以看出，在α=0.05水平下，固液比、提取时间和提取温度对甜菜渣纤维素提取率有显著影响，而氢氧化钠浓度对甜菜渣纤维素提取率的影响不显著。