超声辅助碱性过氧化氢法提取玉米皮纤维素及结构表征

徐 忠, 冯昕宁, 谷 芳, 赵 丹

(哈尔滨商业大学食品工程学院，哈尔滨 150076)

玉米是我国的主要粮食作物，年产量约为2.5亿t，玉米麸皮是玉米淀粉加工的副产物，产量占玉米总量的14%～20%，玉米皮主要是作为饲料使用，附加值较低[1,2]，玉米皮中富含膳食纤维、玉米黄色素和玉米多酚等活性成分[3-5]，高附加值开发潜力大，玉米皮纤维素属于膳食纤维中的不溶性膳食纤维，可以作为膳食纤维和膜材料等应用在食品和医药等行业，还可以通过降解和改性等技术制备葡萄糖和纤维素衍生物等产品[6-8]。纤维素的提取方法主要有酸法、碱法和碱性过氧化氢法[9-11]，酸法提取温度高，产品颜色深，碱法和碱性过氧化氢法提取温度低、时间短，可以更有效分离半纤维素和木质素，能够较好地解决纤维素含量低和产品色泽差的问题。

本研究以玉米皮为原料，利用超声辅助碱性过氧化氢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、热重分析仪和激光粒度分析仪对玉米皮纤维素的微观形貌、化学结构、结晶结构、热稳定性和粒度分布进行表征，为玉米皮的综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米皮；正己烷、氢氧化钠、过氧化氢、无水乙醇和硝酸等均为分析纯。

1.2 实验仪器与设备

KQ-500DE超声波清洗器，TG16-WS型离心机，SHZ-DШ循环水式真空泵，TA SDTQ600型综合热分析仪，X'Pert Pro型X-射线衍射仪，HITACHI SU5000型扫描电子显微镜，BT-9300ST型激光粒度分析仪。

1.3 方法

1.3.1 玉米皮的预处理

用高速粉碎机对自然晾干后的玉米皮进行粉碎，粉碎后的玉米皮过80目筛，利用正己烷常温下脱脂，以料液比1∶10 g/mL加入蒸馏水，调节pH为6.5，加入耐高温淀粉酶在95 ℃下搅拌4 min，然后迅速冷却到50 ℃，调节pH为7.5，加入中性蛋白酶后搅拌3 h，抽滤，用蒸馏水洗涤滤渣3次，恒温烘干箱50 ℃烘干，储存备用。

1.3.2 玉米皮纤维素的提取

取10 g预处理后的玉米皮放入干燥的烧杯中，按1∶30的料液比，加入6%的NaOH和0.7%的H2O2混合溶液(300 mL)，置于200 W的超声波清洗器中70 ℃反应60 min，反应结束后抽滤，滤渣用热的蒸馏水洗至中性，50 ℃烘干，粉碎过80目筛，得到的固体粉末即玉米皮纤维素。

1.3.3 单因素实验

选择固液比、超声温度、超声时间、超声功率、NaOH质量分数、H2O2体积分数为考察因素，分别考察固液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)，超声温度(40、50、60、70、80 ℃)，超声时间(50、60、70、80、90 min)，超声功率(150、200、250、300、350 W)，NaOH质量分数(4%、6%、8%、10%、12%)，H2O2体积分数(0.5%、0.7%、0.9%、1.1%、1.3%)对玉米皮纤维素含量的影响。

1.3.4 响应面分析实验

在单因素实验基础上，选择超声条件因素和对纤维素含量影响较大的因素为响应面自变量，以纤维素含量为响应指标，采用Box-Behnken模型设计四因素三水平响应面实验，因素水平见表1。

表1 响应面实验因素水平

1.3.5 纤维素含量测定

参照王林风等[12]的方法测定，称取样品1.00 g(m0)，加入25 mL硝酸-乙醇混合液(体积比为1∶4)，冷凝回流1 h，重复此操作数次直至纤维变白，抽滤除去溶剂，然后用10 mL硝酸-乙醇混合液洗涤残渣，再用热水洗涤直至洗涤液不显酸性，最后用无水乙醇洗涤2次，将滤渣烘干至恒重后称重(m1)。计算公式：纤维素质量分数=m1/m0×100%

1.4 结构分析

1.4.1 扫描电镜分析(SEM)

采用热场发射扫描电镜观察玉米皮和玉米皮纤维素的表面形貌，取样品粉末固定，喷金，扫描电镜观察，加速电压为5 kV。

1.4.2 红外光谱分析(FTIR)

分别称取少量玉米皮和玉米皮纤维素纤维素样品，加入定量的溴化钾进行混合，在玛瑙研钵中研磨均匀后压片，利用傅里叶变换红外光谱仪，得到红外光谱图。

1.4.3 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X'Pert Pro型X射线衍射仪测定其X-射线衍射图谱，测试衍射角2θ范围是1°～60°，扫描速度为0.02(°)/s。

1.4.4 热重分析(TGA)

采用TA SDTQ600综合热分析仪测定玉米皮和玉米皮纤维素热重曲线，以氮气为载气，设定温度区间为0～800 ℃，流量为 30 mL/min，升温速率为10 ℃/min。

1.4.5 粒度分析

采用BT-9300ST型激光粒度分布仪测定玉米皮和玉米皮纤维素纤维素的粒度分布，参数设置：散射光角度固定为90°，温度为25 ℃，光源为固定激光，操作波长为658 nm，运行20 s，颗粒的折射指数为1.53。

1.5 数据统计与分析

所有实验均重复3次并取平均值。利用Excel 2007软件进行数据统计，Origin 2018进行作图，Design-Expert 8进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 超声时间对玉米皮纤维素含量的影响

不同超声时间对玉米皮纤维素含量的影响如图1所示。纤维素的含量随着超声提取时间的增加呈现先升后降的趋势。在70 min之前，随着超声时间的增加，玉米皮原料中半纤维素和木质素等杂质与提取溶液充分反应，纤维素含量上升，超声提取时间为70 min时纤维素含量达到最大，超过70 min后纤维素发生部分降解使纤维素含量下降[13]。

2.1.2 超声温度对玉米皮纤维素含量的影响

图1为超声温度对玉米皮纤维素含量的影响，纤维素的含量随着超声提取温度的升高呈现先升后降的趋势。当超声提取温度低于70 ℃时，随着提取温度的升高，溶液中碱和过氧化氢的反应活性增大，促进半纤维素和木质素的溶解，纤维素含量不断上升，当提取温度达到70 ℃时，纤维素含量达到最大值，当温度高于70 ℃时，会导致纤维素发生部分降解，纤维素含量下降[13]。

2.1.3 超声功率对玉米皮纤维素含量的影响

由图1可知，纤维素的含量随着超声提取功率的升高呈现先升后降的趋势。当超声功率低于200 W时，随着超声功率的增加，超声波振动频率增大，促进了半纤维素和木质素的溶解，玉米皮纤维素含量随之升高，当超声功率达到200 W时，纤维素含量达到最大值。当超声功率高于200 W时，超声波产生的微射流会对玉米皮纤维素产生较大的冲击力，从而破坏纤维素的结构，引起纤维素分子断裂，导致纤维素含量下降[13]。

2.1.4 料液比对玉米皮纤维素含量的影响

由图1可知，纤维素含量随料液比的增大而呈现先升后降的趋势。当料液比小于1∶30时，随着料液比的增加，玉米皮与溶液的接触程度不断增大，半纤维素和木质素逐渐被水解去除，当料液比达到1∶30时纤维素含量达到最大，在料液比大于1∶30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[14]。

2.1.5 NaOH质量分数对玉米皮纤维素含量的影响

由图1可知，玉米皮纤维素含量随着NaOH质量分数的增加呈现先升后降的趋势。分析原因，当NaOH质量分数为4%～8%时，随着NaOH质量分数的增大，溶液溶解能力增强，对溶液半纤维素和木质素的清除能力提升，所得提取物纤维素含量随之增大，在NaOH质量分数为8%时，纤维素含量达到最大。继续增加NaOH质量分数，部分纤维素会被分解，导致纤维素含量下降，并且会影响纤维素的色泽[9]。

图1 不同反应因素对玉米皮纤维素含量的影响

2.1.6 H2O2体积分数对玉米皮纤维素含量的影响

由图1可知，玉米皮纤维素含量随H2O2体积分数的增加呈现先升后降的趋势。当H2O2体积分数为0.4%～0.7%时，随着H2O2体积分数的增加，溶液氧化能力增强，对玉米皮中的木质素去除能力提高，从而使纤维素含量增加，在H2O2体积分数为0.7% 时，纤维素含量达到最大。继续增加H2O2体积分数，部分纤维素会被氧化分解，导致纤维素含量下降[15]。

2.2 响应面分析实验

2.2.1 响应面模型建立与显著性检验

表2 响应曲面实验设计及其结果

表3 玉米皮纤维素提取工艺的回归分析

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进行响应面分析，结果可知，超声温度和NaOH质量分数对提取物纤维素含量的交互作用影响最显著；超声温度和超声功率对提取物纤维素含量的交互作用影响较显著；其次是超声时间和超声温度对提取物纤维素含量的交互作用影响、超声时间和NaOH质量分数对提取物纤维素含量的交互作用影响及超声功率和NaOH质量分数对提取物纤维素含量的交互作用影响；超声时间和超声功率对提取物纤维素含量的交互作用影响较小。

2.2.3 优化工艺条件确定及验证性试验

利用Design-Expert软件求解二次多项式回归方程得到玉米皮纤维素工艺的最佳条件为：超声时间为73.05 min，超声温度为71.38 ℃，超声功率为200.14 W，NaOH用量为8.18%，最佳纤维素质量分数为83.359 7%。由于实际条件受到一定的限制，将工艺条件修正为：超声时间为70 min，超声温度为70 ℃，超声功率为200 W，NaOH质量分数为8%。为了验证最佳条件的可靠性，在此条件下做3组重复实验，纤维素质量分数分别为83.2%、83.6%和83.8%，求平均值为83.53%，与理论值的相对误差为0.002 3%。因此响应面优化法得到的最佳工艺条件具有使用价值。

2.3 玉米皮纤维素的表征

2.3.1 红外光谱分析(FTIR)

图2 玉米皮和玉米皮纤维素的红外光谱图

2.3.2 扫描电镜分析(SEM)

由图3可以看出，玉米皮表面比较光滑和平整，结构紧密，随机分布有少量块状物，玉米皮纤维素的表面则出现褶皱结构，块状物也较少，这是因为碱性过氧化氢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，表面包覆的半纤维素及木质素被降解，使得玉米皮纤维素裸露出来[16]。

图3 玉米皮和玉米皮纤维素的扫面电镜图(× 5 000)

2.3.3 X-射线衍射分析(XRD)

由图4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，说明玉米皮经碱性过氧化氢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21.57°处出现强衍射峰，在15.01°、34.41°处出现弱的衍射峰，可以确定玉米皮纤维素属于纤维素I型。纤维素的XRD图谱中在15.3°、34.5°出现了低强度峰，在22.07°出现了高强度峰，峰型较窄和尖锐，这是由于纤维素结晶区裸露出来后，吸收强度增大，衍射峰强度增强。利用超声辅助碱性过氧化氢溶液提取可以有效去除玉米皮纤维素表面包裹的半纤维素和木质素，得到结晶度较大的纤维素[11]。

图4 玉米皮和玉米皮纤维素的XRD谱图

2.3.4 热重分析(TG)

由图5可知，在温度低于100 ℃时，由于二者中含有少量水分，样品中会出现很小的质量损失。之后随着温度的上升，玉米皮与玉米皮纤维素的热分解过程TGA曲线则呈现出一定的差别。玉米皮在228 ℃时开始热分解过程，312 ℃时达到热分解最大温度，随后分解程度减缓，玉米皮纤维素在242 ℃时开始热分解过程，328 ℃时达到热分解最大温度，随后分解程度减缓，800 ℃时样品残余量约10%。可见，玉米皮纤维素热分解温度高于玉米皮，分析原因是纤维素热解温度高于半纤维素和木质素，玉米皮纤维素中半纤维素与木质素及非结晶组分被大部分去除，导致纤维素的结晶度增加，故热稳定性优于玉米皮[17]。

图5 玉米皮和玉米皮纤维素的热重分析

2.3.5 粒度分析

由图6可以看出，玉米皮颗粒的粒径分布在0.44～727.8 μm，从粗颗粒到41.08 μm，这些颗粒的含量占总颗粒的10%，当颗粒到371.9 μm时颗粒所占比例为90%，平均粒径为159.3 μm，颗粒主要集中在108.2～312.0 μm。玉米皮纤维素中颗粒的粒径分布在0.544～809.1 μm，从粗颗粒到16.11 μm这些颗粒的含量占10%，当颗粒到76.28 μm时颗粒所占的含量为90%，平均粒径是111.0 μm，颗粒主要集中在108.2～252.5 μm。

图6 玉米皮和玉米皮纤维素的粒度分析

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超声时间>超声温度>氢氧化钠浓度>超声功率，最佳工艺条件为：超声温度70 ℃、超声时间70 min、超声功率200 W、NaOH质量分数8%、H2O2体积分数0.7%、固液比1∶30 g/mL，在此条件下纤维素质量分数为83.34%。通过对玉米皮纤维素进行表征分析可知，超声辅助碱性过氧化氢法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，热分解最大温度为328 ℃，热稳定性优于玉米皮，纤维素粒度减小，平均粒径为111.0 μm。