玉米皮纤维素提取工艺优化及结构表征

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(吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春 130118)

玉米是我国的第三大粮食作物,年产量约为1.2×109t[1]。玉米在加工过程中会产生多种副产品,如玉米蛋白、玉米胚芽、玉米皮等。玉米皮约占玉米干质量的14%,相比其它的副产品所占比重最大。虽然玉米皮利用转化总量尚可,但是主要用于饲料行业,存在着深加工程度低、附加值小、资源严重浪费的现象,不符合产业发展的要求[2]。玉米皮中富含膳食纤维、玉米黄色素、玉米纤维油等多种活性成分[3],高附加值潜力大,纤维素属于膳食纤维中的不可溶膳食纤维。

纤维素是自然界中最丰富的生物质,仅陆生植物的纤维素年产量可达500亿吨,具有来源广、可再生、可生物降解、可修饰等性质。纤维素晶体表面有许多自由的羟基,可通过物理化学或生物方法转化获得各种纤维素衍生物及功能材料[4],广泛用于医药、能源化工、食品与纺织等领域[5-6],因此纤维素被视为未来重要的绿色清洁能源[7],对于解决世界能源枯竭问题也有重要意义[8]。从以往研究中发现,木质素是纤维素提取过程中最难除去的杂质,而玉米皮的成分中木质素含量不足2%[9],相对其他副产物原料秸秆、稻壳、甘蔗渣等低很多,因此玉米皮可以作为纤维素提取的优质原料。近年来关于玉米皮中膳食纤维、玉米纤维油、玉米黄色素等功能性成分的提取研究较多,但关于玉米皮纤维素的提取和工艺优化方面的报道较少[10-12]。现有的纤维素提取方法中物理法有蒸汽爆破法[13]、微波法和超声波辅助法等;化学法有碱液分离法、无机酸处理法、有机溶剂法[14]等。但有些方法在实际操作中存在工艺繁琐、耗时长、提取物纤维素含量不高等问题。

本研究以玉米加工副产物玉米皮为原料,利用硝酸-乙醇法提取玉米皮纤维素,在单因素实验的基础上,设计响应面优化试验,优化玉米皮纤维素的提取工艺；并利用扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、X-射线衍射仪和热重分析仪对玉米皮纤维素的微观形貌、化学结构、晶型结构及热稳定性进行表征,为提高玉米加工副产物—玉米皮资源的高附加值利用提供理论依据和指导。

1 材料与仪器

1.1 材料与仪器

玉米皮 长春大成实业集团有限公司;浓硝酸、无水乙醇、冰醋酸、硫酸亚铁铵等 均为分析纯级,北京化工厂;实验用水 为二次蒸馏去离子水。

HH-2数显恒温水浴锅 常州澳华仪器有限公司;ZKJ-1001型循环水真空抽气泵 上海嘉鹏科技有限公司;ZD500-3标准分样振动筛 新乡利达振动筛机械厂;101A-2E数显式电热恒温鼓风干燥箱 上海实验仪器有限公司;JJ224BC型电子天平 常熟市双杰测试仪器厂;高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;SX-8-10型箱式电阻炉 天津市泰斯特仪器有限公司;FTIR-8009型傅里叶红外光谱仪 日本岛津公司;D/max-rB型旋转阳极X-射线衍射仪 日本理学电机株式会社;JSM-6610A型扫描电镜 日本岛津公司;TA-60热失重分析仪 日本岛津公司。

1.2 试验方法

1.2.1 原料预处理 经去离子水洗净的玉米皮,自然条件下晾干,之后利用高速万能粉碎机对玉米皮进行粉碎,将粉碎后的玉米皮粉碎过80目筛,收集筛下物,置于干燥处储存备用。

1.2.2 玉米皮纤维素的提取 取2.00 g预处理后的玉米皮粉,放入洁净干燥的锥形瓶中,按照1∶20 g/mL的料液比,倒入硝酸体积分数20%的硝酸-乙醇溶液,装上冷凝回流管,在90 ℃温度下水浴加热2.0 h,反应结束后移去冷凝管,将锥形瓶自水浴中取出,静置片刻,残渣放入玻璃砂芯漏斗中过滤以除去溶剂,然后用无水乙醇洗涤两次,最后用热的去离子水洗至中性,抽滤,105 ℃烘干至质量恒定,得到的剩余固体末即玉米皮纤维素[15]。

1.2.3 单因素实验 选择提取温度、提取时间、料液比和硝酸体积分数为考察因素,分别考察提取温度80、85、90、95、100 ℃,提取时间1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h、料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/mL,硝酸体积分数10%、15%、20%、25%、30%对粗品中纤维素含量的影响。实验过程中的固定水平值为:提取温度90 ℃、提取时间2.0 h、料液比1∶20 g/mL、硝酸体积分数20%。

1.2.4 Box-Behnken中心组合试验设计 在单因素实验的基础上,选择对提取物纤维素含量影响较大的三个因素为响应面试验的自变量,以纤维素含量为响应指标,采用Design-Expert 10.0.6软件设计三因素三水平响应面试验,因素水平见表1。

表1 响应面试验因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.5 纤维素含量测定 参照李春光等[16]测定纤维素含量的方法测定,计算公式如下。

式中,k为硫酸亚铁铵的浓度,mol/L;x为对照组滴定所消耗硫酸亚铁铵的体积,mL;y为溶液所消耗硫酸亚铁铵的体积,mL;M为提取物的质量,g。

1.2.6 扫描电镜分析(SEM) 采用扫描电镜-能谱分析仪观测玉米皮和玉米皮纤维素的表观形貌,放大倍数为5000倍,加速电压为15 kV,样品表面进行60 s喷金处理。

1.2.7 红外光谱分析(FTIR) 分别称取玉米皮和玉米皮纤维素2 mg,使其与200 mg在105 ℃条件下烘干至恒重的溴化钾粉末混合均匀,研磨后压片,利用傅里叶红外光谱仪得到红外光谱图。测试条件:光谱范围4000～400 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描范围为4 000～400 cm-1,扫描次数32次。

1.2.8 X-射线衍射分析(XRD) 分别将玉米皮和玉米皮纤维素研磨成粉末状,利用D/max-rB型X射线衍射仪测定其X-射线衍射图谱。测试条件为:Cu靶,Ka射线,波长为0.154 nm,扫描范围为2θ=10～60 °,扫描速度为40 °/min,步宽为0.01 °。根据衍射图谱强度,利用高度法计算纤维素结晶度,公式为:

结晶度Cr(%)=[(I002-Iam)/I002]×100

式中:Cr是相对结晶度的百分率,I002为(002)晶面衍射强度,即结晶区的衍射强度,Iam是纤维素无定性区(2θ=18 °～19 °)处的最小衍射强度,即无定性区的衍射强度。

1.2.9 热重分析(TGA) 设定温度区间为50～1000 ℃,载气为高纯度N2混合气,流量为30 mL/min,升温速率为10 ℃/min。

1.3 数据处理

所有实验均重复三次取平均值。利用Excel 2017软件进行数据统计,Origin 2017软件作图,Design-Expert 10软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 提取温度对提取物纤维素含量的影响 由图1可知,提取物纤维素含量随提取温度的升高呈现先升后降的趋势。分析原因,当温度低于95 ℃时,随着温度的升高,溶液中酸的反应活性增大[17],促使半纤维素和木质素等杂质溶解,纤维素含量不断上升,在95 ℃时,纤维素含量达到最大值;当温度高于95 ℃时,会导致纤维素发生部分降解,则纤维素含量下降。因此,选择的适宜提取温度为95 ℃。

2.1.2 提取时间对提取物纤维素含量的影响 由图2可知,提取物纤维素含量随提取时间的延长呈现逐渐上升的趋势。在2.5 h之前,随着提取时间的延长,原料中半纤维素和木质素等杂质得以与溶液充分反应,纤维素含量上升;继续延长提取时间,纤维素含量虽然仍有提高,但是增量很小,可能是体系内硝酸浓度降低,酸解能力减弱,故从经济成本和操作工艺两方面考虑,提取时间选择2.5 h为宜。

图2 提取时间对提取物纤维素含量的影响Fig.2 Effect of extraction time on cellulose content of extract

2.1.3 料液比对提取物纤维素含量的影响 由图3可知,提取物纤维素含量随料液比的增大而呈现先升后降的趋势。在料液比1∶10～1∶20 g/mL时,玉米皮与溶液的接触程度不断增大,半纤维素、木质素等杂质逐渐被水解去除,料液比大于1∶20 g/mL时,纤维素结晶区遭到破坏后氢键断裂,发生过度水解,纤维素含量下降[18],料液比选择为1∶20 g/mL为宜。由图3可知,料液比对提取物纤维素含量影响较小,故不选择料液比作为响应面优化试验的自变量。

图3 料液比对提取物纤维素含量的影响Fig.3 Effect of solid/liquid ratio on cellulose content of extract

2.1.4 硝酸体积分数对提取物纤维素含量的影响 由图4可知,提取物纤维素含量随硝酸体积分数的增大呈现先升后降的趋势。分析原因,当硝酸体积分数在10%～25%,随着硝酸体积分数的增大,溶液酸解氧化能力增强,对溶液蛋白质、半纤维素的清除能力提升,所得提取物纤维素含量随之增大;在硝酸体积分数为25%时,纤维素含量达到最大值;继续增大硝酸体积分数,纤维素分子间的氢键结构被破坏被硝酸溶解,生成硝化纤维素,导致纤维素含量降低[19]。因此,选择的硝酸体积分数为25%。

图4 硝酸体积分数对提取物纤维素含量的影响Fig.4 Effect of HNO3 volume fraction on cellulose content of extract

2.2 响应面优化试验

2.2.1 回归模型的建立与分析 将表2的试验数据进行多元回归分析,结果见表3。

表2 Box-Behnken试验设计及结果Table 2 Results of Box-Behnken experimental design

表3 方差分析表Table 3 Results of variance analysis

Y=+79.79+0.66A+0.38B+1.36C-0.26AB+0.51AC+1.00BC-2.44A2-1.98B2-1.81C2

2.2.2 响应面分析 通过对建立的回归模型进行响应面分析,得到各因素交互作用对提取物纤维素含量影响的响应曲面图,如图5所示。

图5 各因素的交互作用对纤维素含量的响应面图Fig.5 Response surfaces plots ofvariable parameters on content of cellulose

由图5与表3可知,提取时间和硝酸体积分数对提取物纤维素含量的交互作用影响最显著,曲面较陡;提取温度和硝酸体积分数对提取物纤维素含量的交互作用影响次之;提取温度与提取时间对提取物纤维素含量的交互作用影响较小,相应表现为曲线较为平滑。

2.2.3 优化工艺条件确定及验证性试验 通过响应面分析得到纤维素提取的优化工艺条件为提取温度95.86 ℃、提取时间2.6 h、硝酸体积分数27.28%,此条件下提取物纤维素含量为80.19%。结合试验操作的可能性将工艺条件修正为取提取温度96 ℃、提取时间2.6 h、硝酸体积分数27%,进行3次验证试验,提取物纤维素含量为80.26%±0.88%,此结果与理论预测值基本一致,说明该回归模型拟合程度较好,可以利用该条件提取玉米皮纤维素。

2.3 玉米皮纤维素的表征

2.3.1 扫描电镜分析(SEM) 图6为玉米皮和玉米皮纤维素的扫描电镜图。由图6可以看出,玉米皮表面光滑、平整,结构紧密,比表面积较小,附着随机分布有大小不等的块状物;玉米皮纤维素则表面出现褶皱,比表面积增大,块状物很少。分析其原因,提取过程中玉米皮的细胞壁结构受到破坏,表面因纤维素分子聚集变得粗糙,由于表面包裹的半纤维素和木质素被降解,使得其纤维素结构裸露出来[20]。

图6 玉米皮和玉米皮纤维素的扫描电镜图(×5000)Fig.6 The SEM spectra of corn branand corn bran cellulose(×5000)

2.3.2 红外光谱分析(FTIR) 图7为玉米皮和玉米皮纤维素的红外光谱图。由图7可知，玉米皮和玉米皮纤维素的红外吸收峰位置大体一致,说明降解前后纤维素的分子结构并没有太大变化。图中898 cm-1处为纤维素中β-D葡萄糖苷键的吸收峰,是纤维素的特征结构峰,曲线(b)此处的吸收峰强度增大,说明玉米皮经处理后纤维素纯度有所提升[21];1018 cm-1处为纤维骨架的C-O伸缩振动吸收峰[22],1157 cm-1处为C-O-C的不对称伸缩振动吸收峰[23];1600 cm-1处为纤维素分子吸收水而出现的特征吸收峰[24];2922 cm-1处为C-H的伸缩振动吸收峰;3400 cm-1处附近强度和宽度都较大的为纤维素中O-H的伸缩振动吸收峰,曲线(b)此处的吸收峰强度减小,可能是提取过程中纤维素链间氢键被降解[25],这些吸收峰均为纤维素特征吸收峰。此外,1516 cm-1处代表木质素中苯环的C=C振动吸收峰,1732 cm-1处代表木质素和半纤维素中羰基伸缩振动吸收峰[26],而曲线(b)中1732 cm-1处的特征吸收峰强度明显减弱,1516 cm-1特征吸收峰则消失,说明在纤维素提取过程中,硝酸-乙醇溶液可以有效去除玉米皮中的木质素和半纤维素。

图7 玉米皮(a)和玉米皮纤维素(b)的红外光谱图Fig.7 FTIR spectrum of corn bran(a)and corn bran cellulose(b)

2.3.3 X-射线衍射分析(XRD) 图8为玉米皮和玉米皮纤维素的XRD谱图。由图8可以看出,处理前后二者的纤维素特征峰位置基本一致,只是衍射强度不同,说明玉米皮经硝酸-乙醇溶液提取后原有的纤维素晶型没有发生改变。玉米皮的XRD图谱中在21.8°处出现强衍射峰,在16.8 °、34.9 °处出现弱的衍射峰;纤维素的XRD图谱中在21.8 °处出现强衍射峰,在15.3 °、34.8 °处出现较弱的衍射峰。2θ=15.3°对应纤维素晶体的101晶面,2θ=21.8 °对应晶体002晶面,2θ=34.8 °对应晶体004晶面,可以确定玉米皮纤维素属于纤维素I型。其中图谱中曲线(a)在2θ=15.3 °附近处未出现明显衍射峰;曲线(b)较曲线(a)在2θ=21.8 °处特征峰峰型更窄、更尖锐,是由于纤维素结晶区裸露出来后,吸收强度增大,结晶度增加,002晶面衍射峰强度增强[27]。处理前后物质结晶度指数由37%结晶度增加至56%,结晶度相对增加。利用硝酸-乙醇溶液可以有效去除纤维素表面包裹的半纤维素、木质素,得到下结晶度更大的纤维素。

图8 玉米皮(a)和玉米皮纤维素(b)的XRD谱图Fig.8 The XRD spectrum of cornbran(a) and corn bran cellulose(b)

2.3.4 热重分析(TGA) 图9为玉米皮和玉米皮纤维素的热重曲线图,由图9可知,在温度低于100 ℃,由于二者中含有的少量水分,样品中会出现了很小的重量损失。之后随着温度的上升,玉米皮与玉米皮纤维素的TGA曲线则呈现出不同的热分解过程。玉米皮在208 ℃时热分解过程,296 ℃时,达到热分解最大温度,随后分解程度减缓,但在341 ℃是出现热分解程度加快的现象,之后在349 ℃时又达到热分解最大温度,1000 ℃时样品中残余量在11%左右。玉米皮纤维素只存在出一次降解过程,在222 ℃时开始热分解过程,334 ℃时,达到热分解最大温度,1000 ℃时样品残余量在6%左右。由此得出,提取物热分解温度高于玉米皮,这是因为纤维素热解温度高于半纤维素和木质素,前者半纤维素与木质素及非结晶组分被大部分去除,而且纤维素的结晶度更大,故热稳定性优于玉米皮。

图9 玉米皮(a)和玉米皮纤维素(b)的TGA曲线Fig.9 TGA curves of corn bran(a) and corn bran cellulose(b)

3 结论

玉米皮纤维素提取各工艺因素对玉米皮纤维素含量的影响程度为硝酸体积分数>提取温度>提取时间,最佳工艺条件为料液比1∶20 g/mL、硝酸体积分数27%、提取温度96 ℃、提取时间2.6 h,此时提取物纤维素含量为80.26%±0.88%,与理论预测值拟合程度高,可利用该条件提取玉米皮纤维素。实验用到的乙醇可通过旋蒸处理重复利用,一定程度上节约了成本,在工业上有广阔的应用前景。

通过对玉米皮纤维素进行表征分析可知,硝酸-乙醇溶液处理可将半纤维素和木质素大部分去除;纤维素晶型仍为I型,结晶度为56%;热分解温度为222 ℃,热稳定性优于玉米皮。