玉米秸秆微晶纤维素制备及其在可食膜中的应用

2019-05-31李帅谷雨魏登

食品研究与开发 2019年11期

李帅，谷雨，魏登

（吉林农业科技学院，吉林吉林 132101）

微晶纤维素（microcrystalline cellulose，MCC）是一种纯化的、由稀酸水解部分解聚的纤维素，无臭、无味的白色或近白色[1]，由多孔微粒组成的结晶粉末。应用面较广且优异性能突出。由于微晶纤维素具有较多优良性能，国内外需求不断增长，更多的用途也相继被开发出来。将微晶纤维素添加至复合材料中可提高其性能，已成为目前研究的热点之一。

我国玉米秸秆的年产量可达2.2 亿吨，相反玉米秸秆的利用率较低，造成极大的资源浪费。玉米秸秆中含有丰富的纤维素，可至30%～40%。因此以玉米秸秆为原料进行微晶纤维素的制备，这一举措不仅可以显著提高资源利用率，同时也会产生可观的经济效益。目前已有微晶纤维素制备相关报道，主要从菠萝叶、稻草、蔗渣等制备，而以玉米秸秆为原材料制备微晶纤维素却鲜有报道[2]。

可食膜通常具有一定程度的机械性能以及阻隔性能，并且在微生物的作用下可以完全降解，是一种无毒、无害、无污染并具有一定营养价值的膜状材料[3-4]。大豆分离蛋白膜具有较好的阻气性和阻油性，但机械性能差，且易于吸湿。而微晶纤维素具有较强的刚性、结晶度和力学性能等，可提高可食膜的机械强度和阻隔性。

本文以大豆分离蛋白为成膜基材，并添加微晶纤维素，通过流延方法制备可食膜，利用单因素试验研究酸解温度、酸解时间和硫酸体积分数对膜性能的影响，应用响应面试验法建立各因素间的数学模型，得到可食膜备的最佳工艺条件，为可食膜的生产提供参考。

1 材料与设备

1.1 材料与试剂

试验材料与试剂详见表1。

表1 试验材料与试剂Table 1 Experimental materials and reagents

1.2 仪器与设备

试验仪器与设备详见表2。

表2 试验仪器与设备Table 2 Experimental instruments and equipment

续表2 试验仪器与设备Continue table 2 Experimental instruments and equipment

2 方法

2.1 玉米秸秆中纤维素的提取

取玉米秸秆干燥至恒重，去叶，切段，沸水煮1 h，粉碎处理3 min，筛分。将玉米秸秆粉末和蒸馏水按质量比 1∶12 混合，沸水煮 10 min 过滤，取滤渣；按照料液比1∶10（g/mL）的比例，向原材料玉米秸秆粉末中加入3%的NaOH 溶液，调节pH 值为12，取出冷却后过滤，用蒸馏水冲洗滤渣直至pH 值为7；按料液比1∶2（g/mL）向滤渣中加入 10%HCl 溶液，调 pH 值为1～2。然后将混合物置于60℃进行水浴2 h。后冷却过滤，蒸馏水洗滤渣至 pH 值至 7；再以 1∶10（g/mL）加入次氯酸钠漂白，后用10%HCl 溶液将pH 值调至4～5，然后放入80℃水浴中连续搅拌2 h 使其脱色，用蒸馏水冲洗滤渣直至pH 值为7；最后，用95%乙醇脱水处理，置于50℃恒温干燥箱中烘干[5]。

2.2 微晶纤维素制备工艺流程

玉米秸秆微晶纤维素（corn stalk microcrystalline cellulose，CSCMC）→H2SO4水解→振荡→离心→洗涤至中性→干燥→粉碎→过筛→微晶纤维素

2.3 微晶纤维素含量的测定

采用重铬酸钾氧化还原法进行CSCMC 含量的测定。具体操作：精密称取约0.125 g 样品，移入洗净的锥形瓶中，加入25 mL 水，然后准确地把50 mL 重铬酸钾（重铬酸钾4.903 g，加水使其溶解并缓慢加至200 mL）加入其中，混匀，缓缓入加硫酸100 mL，边加入边用玻璃棒搅拌，防止硫酸液体飞溅。然后将混合液放在水浴锅中，迅速加热至沸，常温下自然冷却后，将其引流到250 mL 量瓶当中，用蒸馏水进行定容并充分混匀，从中精确取出50 mL 混合液，另滴加指示液（邻二氮菲）约3 d，用滴定液（0.1 mol/L 硫酸亚铁铵）进行准确滴定，反应终点的表现即为反应液呈灰绿色，空白试验排除误差。其中，每消耗0.1 mol/L 硫酸亚铁铵滴定液1 mL 相当于0.675 mg 纤维素。

2.4 微晶纤维素得率的计算

式中：V空为空白消耗硫酸亚铁铵滴定液的体积，mL；V样为样品消耗硫酸亚铁铵滴定液的体积，mL；C 为硫酸亚铁铵滴定液的浓度，mol/L；W 为玉米秸秆质量，g；Y 为微晶纤维素得率，%。

2.5 微晶纤维素提取单因素试验

选取对CSCMC 得率影响较为显著的硫酸体积分数、酸解温度、酸解时间3个因素，试验设计方案见表3。

表3 单因素试验水平表Table 3 Levels of single factor experiment

2.6 微晶纤维素提取响应面试验

选取酸解温度（X1）、硫酸体积分数（X2）、酸解时间（X3）为试验因素，以 CSMCC 得率（Y）为响应值，试验设计方案见表4。

表4 响应面分析因素水平表Table 4 Factors and levels of response surface

2.7 玉米秸秆微晶纤维素在可食膜中的应用

2.7.1可食膜制备

称取大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）3.5 g/100 mL，溶于蒸馏水中，并不断搅拌使之分散，并置于80℃恒温水浴中加热30 min，加入适量的丙三醇溶液，充分搅拌。用氢氧化钠溶液调节pH 值，将混合的液体倒入烧杯中，添加一定量制备好的CSCMC，不断搅拌使之均匀。真空脱气（0.09 MPa，2 h），流延成膜。空白对照无微晶纤维素添加[6]。

2.7.2 膜性能指标测定

2.7.2.1 抗张强度（tensile strength，TS）

参照GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的测定》进行测定。

式中：F 为试样断裂时承受的最大张力，N；A 为试验前试样的横截面积，mm2。

2.7.2.2 断裂伸长率（elongation，E）

断裂伸长率是指膜受到张力至断裂时所增加的长度与原试样长度的百分比。

即：

式中：L0为膜样测试前的长度，mm；L 为膜样在断裂时的长度，mm。

2.7.2.3 水蒸气透过系数（moisture vapor permeability，WVP）

参照GB/T 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法（杯式法）》和GB/T 16928-1997《包装材料试验方法》进行测定。

2.7.2.4 氧气透过率（oxygen permeability，OP）

参照GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法》压差法进行测定[7]。

2.7.3 微晶纤维素对可食膜性能的影响

以 SPI 为原料，MCC 添加量 0.5、0.75、1、1.25、1.5 g/100 mL，同时进行空白试验，考察其对SPI 膜机械性能和阻隔性能的影响。

3 结果与分析

3.1 单因素试验结果与分析

3.1.1 酸解温度对CSCMC 得率的影响

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酸解温度对CSCMC 得率的影响见图1。

图1 酸解温度对CSCMC 得率的影响Fig.1 Effects of acid hydrolysis temperature on CSCMC yield

如图1所示，随着酸解温度的增加，CSCMC 的得率逐渐增大。这是由于CSCMC中糖苷键的活化能随温度升高也随之增加，故断裂程度增大，聚合度降低，得率增加；当温度超过75℃时，CSCMC 的得率逐渐降低，这是因为高温导致小的纤维素片段降解为小分子糖，使得率降低[2]。因此，酸解最佳温度为75℃。

3.1.2 硫酸体积分数对CSCMC 得率的影响

酸解体积分数对CSCMC 得率的影响见图2。

图2 硫酸体积分数对CSCMC 得率的影响Fig.2 Effects of sulfuric acid volume fraction on CSCMC yield

如图2 看出，随着硫酸体积分数的不断增加，CSCMC 得率逐渐增大。这是由于当硫酸体积分数过低时，体系环境中的酸度较低，对玉米秸秆纤维素的降解力度较低；后随着硫酸体积分数增加，当硫酸体积分数超过8%时，CSCMC 得率降低，这是因为硫酸质量分数过高时，纤维素又过度降解，导致MCC 的得率下降。因此，硫酸最佳体积分数为8%。

3.1.3 酸解时间对CSCMC 得率的影响

酸解时间对CSCMC 得率的影响见图3。

图3 酸解时间对CSCMC 得率的影响Fig.3 Effects of acid hydrolysis time on CSCMC yield

如图3所示。可以看出，随着酸解时间的增加，CSCMC 得率呈现先增后减的的趋势。这是因为随着反应时间的延长，CSCMC 分子糖苷键断裂程度增大，得率增加[8]。当时间继续增加超过80 min 时，得率逐渐降低，这是由于导致过长的反应时间导致部分纤维素水解成葡萄糖，使得率降低。因此最佳酸解时间为80 min。

3.2 响应面优化试验结果与分析

3.2.1 响应面模型的建立与分析

表5 响应面试验方案及结果Table 5 Design and result of Box-Behnken

选取酸解温度（X1）、硫酸体积分数（X2）、酸解时间（X3）为试验因素，CSCMC 的得率（Y）为响应值，多元回归拟合得到的回归方程为：

Box-Behnken 分析结果如表6所示。

表6 Box-Behnken 结果分析Table 6 Analysis of results of Box-Behnken design

对二次回归方程进行方差分析经其显著性分析可知，其中回归模型的差异已达到了极显著的差异水平（即 P〈0.000 1）模型 P=0.000 1，表明该二次回归模型差异极显著。失拟项P=0.199 8，不显著；决定系数R2=0.995 5，建立的回归方程和试验测试的实际结果在很大程度上两者保持一致，即试验结果的测量误差较小，模型能够在一定范围内分析和预测响应值评分Y[9]。建立的回归模型当中，众多模型之间：X3、X12、X22、X32、X1X2、X1X3的影响极显著，X1、X2、X2X3显著。

3.2.2 响应面及等高线分析结果

利用Design-Expert 7.1.3 软件对二次回归方程进行分析，得到三因素间两两交互作用对CSMCC 得率影响的等高线图和响应面三维立体图4～图6。

图4 酸解温度与硫酸体积分数交互作用对CSCMC 得率的影响Fig.4 Effect of interaction between acid hydrolysis temperature and sulfuric acid volume fraction on CSCMC yield

图5 酸解温度与酸解时间交互作用对CSCMC 得率的影响Fig.5 Effect of interaction between acid hydrolysis temperature and acid hydrolysis time on CSCMC yield

图6 酸解时间与硫酸体积分数交互作用对CSCMC 得率的影响Fig.6 Effect of interaction between acid hydrolysis time and sulfuric acid volume fraction on CSCMC yield

通过考察响应曲面的变化情况以及等高线的稀疏程度可以直观地反映出酸解温度（X1）、硫酸体积分数（X2）、酸解时间（X3）3个因素间两两交互作用对MCC得率的影响。其中当等高线呈马鞍形或椭圆形时表明交互作用显著；但当等高线呈圆形时表明交互作用不显著[10-11]。因此影响CSCMC 得率（Y）的主次顺序为酸解时间、酸解温度、硫酸体积分数，即 X3〉X1〉X2。

3.2.3 回归方程综合寻优与试验验证

根据二次回归方程预测：当酸解温度75.34℃、硫酸体积分数8.03%、酸解时间86.20 min 时，CSCMC 得率为62.67%。考虑到实际操作方便和节省开支等因素，工艺参数修正为：酸解温度75℃、硫酸体积分数8 %、酸解时间86 min，采用修改后的工艺参数进行试验，CSCMC 得率为63.27%。

3.3 玉米秸秆微晶纤维素在可食膜中的应用

3.3.1 微晶纤维素添加量对可食膜机械性能（TS、E）的影响

CSCMC 添加量对可食膜机械性能的影响见图7。

图7 CSCMC 添加量对可食膜机械性能的影响Fig.7 Effect of CSCMC addition on mechanical properties of edible film

如图7所示。随着CSCMC 添加量的增加，可食膜的TS 呈现先增大后减小、E 逐渐减小的趋势，这是由于添加了CSCMC 的SPI 膜结构变得更为致密，柔韧性降低，TS 增大；当CSCMC 的添加量继续增加时，过多的CSCMC 在SPI 膜液中产生团聚现象，导致其分散性降低，可食膜结构松散，甚至出现龟裂，表现为TS 和E均显著降低[12]。

3.3.2 微晶纤维素添加量对可食膜阻隔性能（WVP、OP）的影响

CSCMC 添加量对可食膜阻隔性能的影响见图8。

图8 CSCMC 添加量对可食膜阻隔性能的影响Fig.8 Effect of CSCMC addition on the barrier properties of edible film

如图8所示。随着CSCMC 添加量的增加，可食膜的WVP、OP 呈现先减小后增大的趋势，这是由于随着CSCMC 的增加，使得SPI 与CSCMC 之间形成分子间氢键，从而形成了致密网状结构，降低了水蒸气和氧气的透过性，使得 WVP、OP 减小[13]。然而，随着 CSCMC的添加量继续增加，减少了分子间氢键的形成，使得网状结构疏松，更多的水蒸气和氧气穿透可食膜，降低了可食膜的阻隔性能，使得可食膜WVP 和OP 增加。