馬鈴薯渣纖維素的純化及納纖化

崔懂禮，楊雅興，金 燕，王 璠，何 展，孔令南，張銘炯，劉澤華

（天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457）

馬鈴薯渣纖維素的純化及納纖化

崔懂禮，楊雅興，金 燕，王 璠，何 展，孔令南，張銘炯，劉澤華

（天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457）

采用化學法、生物法以及生物化學法純化馬鈴薯渣中的纖維素，并用H2O2對薯渣纖維素進行漂白，得到純化的馬鈴薯渣纖維素；采用高壓均質機對薯渣纖維素進行納纖化處理.利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）和激光粒度儀對薯渣纖維素進行觀察和表征，采用X射線衍射儀對薯渣纖維素的結晶性質進行檢測.結果表明：3種方法所得產物的得率不同，順序為生物法＞生物化學法＞化學法，以化學法所得產物最為純凈；純化后薯渣纖維素的ISO白度從22.6%提高到84.0%；高壓均質處理之前呈片狀結構，處理后呈現明顯的微纖化，寬度達到100，nm以下；薯渣纖維素經純化以及高壓均質化后，其結晶結構均為纖維素I型，但高壓均質處理對纖維素結構有一定的破壞作用，導致結晶度有所下降.

馬鈴薯渣；纖維素；純化；納纖化；結晶性能

1 材料與方法

1.1 原料與設備

將市售馬鈴薯用組織粉碎機進行粉碎后，邊洗滌邊過100目網篩，得到粗薯渣；氫氧化鈉、質量分數30%過氧化氫、碘，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；去離子水，實驗室自制；中溫液化淀粉酶，酶活4，000，U/g，諾維信生物技術有限公司.

KS-767Ⅱ型組織粉碎機，廣州市祈和電器有限公司；GJJ-0.06/70型高壓均質機，上海東華高壓均質機廠；Motic BA600-4型光學顯微鏡，麥克奧迪實業集團有限公司；SU1510型掃描電子顯微鏡（SEM），日本株氏會社日立高新技術那珂事業所；D/max 2500，PC型X射線衍射儀（XRD），日本Rigaku公司；90，Plus型激光粒度儀，日本BIC公司；白度儀，瑞典L&W公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 化學法

將粗薯渣于質量分數2%的NaOH水溶液中，80，℃處理2，h，冷卻，洗滌至中性，然后在相同條件下重復一次堿處理.用質量分數2%的H2O2在pH 10～11、65，℃的恒溫水浴鍋中漂白1.5，h，終止反應，充分洗滌、過濾，得到純化的薯渣纖維素，置于冰箱內冷藏備用.

1.2.2 生物法

將粗薯渣、去離子水加入三角瓶中，調節pH 6～7，加入一定量的中溫液化淀粉酶，于70，℃的恒溫水浴鍋中處理2，h，充分洗滌、過濾，在相同條件下重復一次酶處理.用質量分數2%的H2O2在pH 10～11、65，℃的恒溫水浴鍋中漂白1.5，h，終止反應，充分洗滌、過濾，得到純化的薯渣纖維素，冷藏備用.

1.2.3 生物化學法

先按照1.2.2節中的酶處理方法進行一次酶處理，再按照1.2.1節的方法進行堿處理一次.最后進行H2O2漂白處理.

1.2.4 薯渣纖維素的高壓均質化處理

將純化后的薯渣纖維素（本實驗采用化學法得到的薯渣纖維素）于去離子水中稀釋至固含量1%，室溫高壓均質處理，循環量1.5，L/min，循環20次.

1.2.5 薯渣纖維素的表征

參照GB/T 7974—2002《紙、紙板和紙漿亮度（白度）的測定》，進行薯渣纖維素的白度測定；樣品經赫氏試劑染色后用光學顯微鏡觀察薯渣纖維素形態；樣品經冷凍干燥、噴金處理后用掃描電鏡進行薯渣纖維素的微觀形貌觀察；將樣品稀釋于去離子水中，超聲振蕩后，用激光粒度儀進行尺寸及其分布的測定；樣品經冷凍干燥、研磨處理后，用壓片成形器進行壓片，得到表面平整光滑的樣品，采用X射線衍射儀（Cu靶，Kα射線，Ni濾波）對薯渣纖維素的結晶性能進行表征［10］.采用X射線衍射曲線相對高度法進行計算，對于纖維素I型，結晶度Xc計算公式為

式中：I002為（002）晶面衍射強度；Iam為無定形區衍射強度，對于纖維素I型，Iam為2θ=18.0° 位置的衍射強度.

2 結果與討論

2.1 不同處理方法的比較

馬鈴薯渣純化的3種方法的比較結果見表1.由表1可知：總得率由高到低順序為生物法＞生物化學法＞化學法.可見，化學法對于薯渣的作用比其他方法要劇烈，它除了對馬鈴薯中的淀粉有糊化降解作用之外，還對其中的纖維有一定的降解作用，對其中的單寧、脂類、蛋白質等雜質也有去除作用.生物法的得率明顯高于化學法和生物化學法，因為酶處理相對溫和，且具有專一性，對薯渣中的其他物質作用小，仍會保留在薯渣中.淀粉定性檢測結果以I2溶液與淀粉作用后深藍色出現量的多少表示，“+”越多表明淀粉含量相對越高，“-”表示無顯色，即不含淀粉.由表1可知：薯渣雖經兩次酶處理后仍能檢測出淀粉，說明它不能滲透到細胞內部，使組織粉碎過程未破裂的細胞中的淀粉得以保留.因此僅采用酶處理在本實驗中不能完全除去薯渣中的淀粉.

表1 薯渣3種不同純化方法的比較Tab. 1 Comparison of three different methods for potato residue purification

化學法得率雖然較低，但所得薯渣纖維素最為純凈，因此在后續的實驗及表征均采用的化學法樣品.

2.2 薯渣纖維素形態表征

經化學處理后，馬鈴薯渣的顏色發生了明顯的變化，如圖1所示.

圖1 化學法處理過程中薯渣白度的變化Fig. 1 Brightness changes of potato residue after chemical treatment

馬鈴薯中含有酚類物質，維持其細胞的呼吸作用.當馬鈴薯削皮或粉碎后，細胞中的酚類物質便在酚酶的作用下與空氣中的氧化合，產生大量的醌類物質，使細胞迅速地變成褐色，即酶促褐變作用.未處理的薯渣，隨著存放時間的延長，顏色越來越深直至深褐色.由圖1可知：經過化學處理后，薯渣的白度明顯提高.經過一次堿處理，ISO白度即可從22.6%提高到50.1%，說明堿在去除薯渣中淀粉的同時，發色物質被大量溶出；經過H2O2漂白后，ISO白度提高到了84.0%，這是由于H2O2的氧化作用破壞了薯渣中的發色結構如醌式結構，使其變成了無色的其他結構.實驗過程中還發現，經漂白后的薯渣纖維素白度穩定性好.

光學顯微鏡下（同倍數）觀察到化學法處理的薯渣形態結構如圖2所示.由圖2可以看到：未處理的粗薯渣呈透明片狀結構，經過堿處理以及H2O2漂白，形態結構仍然呈片狀，說明化學處理只是去除掉薯渣中的淀粉等雜質，對其形態的影響卻不大.但是，當薯渣纖維素經高壓均質處理后，片狀結構基本消失，呈現出分散的碎片狀，說明高強度的物理剪切對于破壞片狀的細胞壁結構有明顯的作用.

圖2 薯渣纖維素的光學顯微鏡形貌觀察Fig. 2Optical microscopy images of cellulose from potato residue after chemical treatment

薯渣纖維素的粒度分布如圖3所示.由圖3可知：粗薯渣的平均粒徑為243.3，μm，堿處理后平均粒徑小幅提高到260.2，μm，這是由于堿處理過程去除了大量淀粉等小尺寸及碎片物質，剩余大尺寸物質的比例增加，從而使平均粒徑有所增加.堿處理后，薯渣中淀粉基本消失，剩余物質基本為纖維素，再經H2O2漂白，堿性條件下的氧化降解作用使薯渣纖維素的粒徑又有所下降.但粗薯渣經堿處理、H2O2漂白后的平均粒徑總體變化不大.

粗薯渣經過堿處理、漂白，仍然保持較大的片狀結構（圖2），但高壓均質處理后，薯渣纖維素的平均粒徑急劇下降到了72.39，μm，與光學顯微鏡觀察到的形態變化相吻合.

圖3 薯渣纖維素的粒度分布Fig. 3 Size distribution of cellulose from potato residue after chemical treatment

值得注意的是，雖然粒徑明顯下降，但不能認為達到納米尺寸范圍，這是因為激光粒度儀檢測時，都是假定被測對象是球形的.對于纖維狀的物體，測量結果更多反映的是長度的大小及分布，并不能真實反映纖維物質的寬度.因此采用掃描電子顯微鏡對薯渣纖維素的微觀形貌進行了觀察，結果如圖4所示.圖4（a）—圖4（c）中，薯渣纖維素呈連續的膜結構，布滿褶皺，但無明顯的纖維狀.但圖4（d）中出現了大量的纖維狀結構，可見高壓均質處理使薯渣產生了微細纖維化，其寬度達到100，nm以下，達到了一維納米材料的尺寸范圍.

圖4 薯渣纖維素的掃描電鏡形貌觀察Fig. 4SEM images of cellulose from potato residue after chemical treatment

實驗發現，高壓均質處理前后薯渣纖維素在水體系中的分散穩定性也發生了明顯的變化.高壓均質處理前的薯渣纖維素1，h后便發生了明顯的沉降分層；而高壓均質處理后，放置15，d，體系狀態穩定，基本觀察不到沉降分層，表明高壓均質處理有利于提高其在水體系中的分散穩定性. 這是因為薯渣纖維素經歷高壓均質機的高剪切作用后，尺寸減小，且表面微細纖維化，比表面積大增，暴露的羥基更多，水合作用增強，在重力場作用下的沉降趨勢減小，使分散穩定性提高. 另外一個可能的原因是微細纖維表面暴露著大量的羥基，纖維在水的懸浮體系中相互搭接，彼此之間可以形成氫鍵，從而形成較為穩定的網絡支撐結構，此觀點還有待于進一步驗證.

2.3 薯渣纖維素的結晶性能

化學法處理的薯渣纖維素的X射線衍射圖譜如圖5所示.由圖5可知：XRD衍射曲線在22°附近為較強的單峰，而在16°低角度附近有2個較弱的結晶峰，這符合纖維素I型，即纖維素結晶變體中的天然纖維素結晶的衍射特征.

圖5 薯渣纖維素的X射線衍射圖譜Fig. 5 XRD spectra of cellulose from potato residue after chemical treatment

對于纖維素I型，可根據式（1）進行結晶度的計算，結果見表2.由表2可知：粗薯渣的結晶度最低，只有36.00%，這是由于薯渣中還含有較多低結晶度的淀粉等雜質.經過堿處理后，薯渣中的大量雜質被去除，纖維素含量大幅提高，結晶度也因此有了較大幅度提高.經H2O2漂白后，結晶度有了進一步提高，這是由于雜質進一步去除，更重要的原因是化學藥品對纖維素晶區和無定形區的可及度不同，無定形區更易受到反應試劑的作用，H2O2漂白對于纖維素有一定的氧化降解作用，尤其對無定形區作用更深，使無定形區含量降低，從而使結晶度提高.當漂白的薯渣纖維素經高壓均質處理后，結晶度出現一定程度的降低，即從62.22%下降到58.93%，說明高剪切力的物理作用對于薯渣纖維素的晶區有一定的破壞作用，導致結晶度下降.

表2 薯渣纖維素在化學處理過程中的結晶度變化Tab. 2 Crystallinity changes of cellulose from potato residue after chemical treatment

3 結 論

（1）化學法、生物法、生物化學法分別處理馬鈴薯渣，產物的得率順序為生物法＞生物化學法＞化學法，但化學法所得產物最為純凈.

（2）雖經堿處理、漂白，薯渣仍呈片狀結構；而高壓均質處理使其微細纖維化，達到一維納米材料的尺寸，在水體系中的分散穩定性明顯提高.

（3）薯渣纖維素經化學處理以及高壓均質化后，其結晶結構為纖維素I型；經高壓均質處理后對纖維素結構有一定的破壞作用，導致結晶度有所下降.

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責任編輯：周建軍

Purification and Nano-fibrillation of Cellulose from Potato Residue

CUI Dongli，YANG Yaxing，JIN Yan，WANG Fan，HE Zhan，KONG Lingnan，ZHANG Mingjiong，LIU Zehua
（Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

Chemical，biological and bio-chemical methods were adopted to purify the cellulose from potato residue，and then the cellulose was bleached with H2O2. At last，the purified cellulose was treated with high pressure homogenizer in order to obtain the nano-fibrillated cellulose（NFC）. The morphology of the cellulose from potato residue was characterized with optical microscopy，SEM and Laser particle size analyzer，and the crystallization properties were determined with X-ray diffraction（XRD）. The results showed that the order from high to low of the yields with different methods is as follows：biological method，bio-chemical method and chemical method. The brightness of the cellulose inceased significantly from 22.6% ISO to 84.0% ISO. All the samples before homogenization had the similar sheet structure，while it changed into microfibril structure with the width less than 100，nm after homogenization. The cellulose from potato residue has the same crystalline structure，namely Cellulose I. The homogenization with high pressure can somewhat damage the structure of the cellulose crystals，which leads to a decrease of the crystallinity.

potato residue；cellulose；purification；nano-fibrillation；crystallization properties

TQ352.79 文獻標志碼：A 文章編號：1672-6510（2015）01-0051-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20140083

薯渣是薯類淀粉生產過程中的副產物，主要成分是水、細胞碎片和殘余淀粉顆粒.薯渣易腐爛變質產生惡臭，極易造成環境污染、生態破壞及資源浪費［1-3］. 在實際生產中，薯渣通常是作為飼料或堆肥填埋處理，而更有效的處理和轉化一直沒有得到很好地解決，無論是從薯渣中提取有益物質，還是利用薯渣生產發酵產品，普遍面臨著薯渣的營養價值較低、轉化產品的經濟效益較差等問題［4］. 薯渣的有效處理已成為制約薯類淀粉企業發展的瓶頸之一.

薯渣富含纖維素，若將其中的纖維素加以有效利用，不但能緩解目前薯類淀粉生產過程產生的薯渣綜合利用水平不高帶來的資源浪費及環境污染等問題，還能實現生物質的高附加值轉化.而納纖化纖維素（nano-fibrillated cellulose，NFC）由于高度微細纖維化而使其比表面積大大提高，同時保持高的反應活性，成為纖維素科學的前沿領域和熱點［5-9］.本文以馬鈴薯渣為原料提取、純化纖維素，并利用高壓均質機的高剪切作用制備薯渣NFC，豐富薯渣纖維素高附加值綜合利用方式，為其在膜材料、吸附材料、復合材料增強以及生物材料等方面的應用奠定基礎.

2014-05-23；

2014-06-05

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201310057048）；天津市科技支撐計劃項目（12ZCZDGX01100）

崔懂禮（1986—），男，安徽人，碩士研究生；通信作者：劉澤華，副教授，zehual@tust.edu.cn.