柚皮微晶纖維素的制備及其結構特性研究

曾小峰，彭雪嬌，談安群，王華

(中國農業科學院 柑桔研究所，重慶，400712)

?

柚皮微晶纖維素的制備及其結構特性研究

曾小峰，彭雪嬌，談安群，王華*

(中國農業科學院 柑桔研究所，重慶，400712)

采用鹽酸水解法制備柚皮微晶纖維素，通過單因素試驗，分別考察HCl濃度、酸解時間、酸解溫度對柚皮微晶纖維素制備工藝的影響。在此基礎上，通過正交試驗優化制備工藝條件，并確定了柚皮微晶纖維素制備工藝的最佳條件：HCl體積分數為8%、酸解溫度為60 ℃、酸解時間為80 min。利用紅外光譜、X衍射、掃描電鏡對柚皮微晶纖維素晶型結構、微觀形態進行表征。柚皮微晶纖維素為纖維素I型結構，相對結晶度為71.26%，表面形態粗糙，呈長桿狀。

柚皮；微晶纖維素；聚合度；結構特性

纖維素經稀酸水解、酶水解或者物理法處理即可得到極限聚合度在15～375之間的微晶纖維素(microcrystalline cellulose，MCC)，它是一種白色、無味的結晶粉末狀物質，具有生物可降解性，常作為懸浮穩定劑及保水劑，廣泛應用于化妝品、食品及制藥工業等領域[1-2]。目前，國內外制備微晶纖維素的方法主要有酸水解法[3-4]、物理法[5]、酶水解法[6-7]等， 其中酸法水解因制備工藝成熟，成本低而被廣泛采用。國內用于微晶纖維素工業規模化生產的原料主要為木材和短絨棉，隨著對原材料需求的不斷增加，且農作物及其副產品具有天然、可再生等優點，稻殼、蘋果渣、大豆皮、花生殼、玉米積桿等被開發應用。

柚皮富含豐富的果膠、纖維素、黃酮類等物質[8]，研究者目前對柚皮的研究主要集中在對其功能性成分，如黃酮類、果膠、香精油、膳食纖維等的分離提取[9]。本文在提取柚皮纖維素基礎上，通過酸法水解及正交試驗優化了工藝條件，并分析了柚皮微晶纖維素的結構特性。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

HCl、銅乙二胺溶液、甘油等，均為分析純。

1.2儀器與設備

恒溫水浴鍋，上海雙舜實業發展有限公司；BT224S電子天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；GZX-9240MBE型電熱恒溫鼓風干燥器，上海博訊實業有限公司醫療設備廠 ；烏氏黏度計，上海笛柏實驗設備有限公司 ；傅里葉變換紅外光譜，天津瑞岸科技有限公司；JSM-6510LV掃描電子顯微鏡，日本電子珠式會社；XRD-7000粉末衍射儀，日本島津。

1.3實驗方法

1.3.1柚皮預處理

柚子清洗干凈，用手工除去表皮油胞，切成2 cm×2 cm小塊，電熱恒溫鼓風干燥器65 ℃烘干，粉碎過篩(60目)，得到柚皮粉，4 ℃貯藏備用。

1.3.2柚皮纖維素的提取

將柚皮粉原料以1∶20(g∶mL)料液比加入0.1 mol/L HCl85 ℃水浴處理2 h去除果膠，3層紗布抽濾，濾渣用蒸餾水洗滌至中性，60 ℃烘干。取去果膠柚皮粉以1∶20(g∶mL)料液比加入94 g/L的NaOH溶液中，超聲波功率200 W，提取溫度84 ℃下提取77 min，向濾渣加入體積分數為8%的H2O2于30 ℃水浴條件下反應30 min，蒸餾水洗滌至中性，用體積分數95%的乙醇洗脫酯類及去除部分色素，60 ℃烘干后得到柚皮纖維素用于柚皮微晶纖維素的制備[10]。

1.3.3柚皮微晶纖維素制備工藝

將1.3.2方法中提取的柚皮纖維素在不同體積分數HCl(2%、4%、6%、8%、10%)下進行酸解，酸解時間分別為20、40、60、80、100 min，溫度分別為20、40、60、80、100 ℃。酸解后3層紗布過濾，蒸餾水洗滌濾渣至中性，60 ℃烘箱干燥至恒重。以柚皮微晶纖維素的聚合度和得率變化為指標，在單因素試驗結果的基礎上，選擇HCl體積分數、酸解時間和溫度進行3因素3水平正交試驗，優化制備工藝。

1.3.4分析方法

1.3.4.1聚合度(DP)測定

參照GB/T1548—1989《紙漿黏度的測定法》中銅乙二胺-毛細管黏度計法。

1.3.4.2得率

得到的柚皮微晶纖維素質量與未反應前柚皮纖維素質量的比值(百分率)。

1.3.4.3紅外光譜(FTIR)

KBr壓片法，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.3.4.4X-射線衍射(XRD)

掃描范圍2θ為10～60°，步寬4°/min，步長0.02°，管壓40 kV，電流30 mA。采用Segal公式(1)計算相對結晶度(crystallinity index, CI)。

(1)

式中：I002為002面(2θ=22.7°)晶格衍射峰強度；Iam為纖維素無定形區衍射峰強度(2θ=18°)。

1.3.4.5掃描電鏡(SEM)

樣品粉末噴金后，通過JSM-6510LV掃描電子顯微鏡進行形貌觀察。

2　結果與分析

2.1單因素試驗結果分析

2.1.1HCl濃度對柚皮微晶纖維素制備的影響

在料液比為1∶20(g∶mL)，溫度為60 ℃，酸解時間為60 min的固定條件下，考察HCl體積分數對制備柚皮微晶纖維素的影響。如圖1所示，隨著HCl體積分數的增加，柚皮纖維素得率不斷減少，并在HCl體積分數大于6%后，下降趨勢更為明顯。另一方面，柚皮微晶纖維素的聚合度隨HCl體積分數增加呈下降趨勢，在HCl體積分數小于6%的酸度范圍內，聚合度隨HCl體積分數的增加急劇下降；當HCl體積分數大于6%以后，聚合度基本保持穩定，說明在HCl體積分數為6%時達到了極限聚合度。這是因為HCl作用于纖維素中葡萄糖殘基之間以氧原子連接的地方，被逐漸水解為較小的分子，即表現為聚合度的下降。當酸濃度繼續增加，聚合度變化較穩定，而得率發生顯著下降，這是由于HCl的過度水解，使柚皮微晶纖維素水解成小分子的糖所致[11]。因此，綜合考慮，初步確定最佳HCl體積分數為6%。

圖1　鹽酸濃度對柚皮微晶纖維素聚合度和得率的影響Fig.1　Effect of hydrochloric acid concentration on the degree of polymerization (DP) and yield of microcrystalline cellulose form pomelo peel

2.1.2酸解時間對柚皮微晶纖維素制備的影響

在料液比為1∶20(g∶mL)，溫度為60 ℃，HCl體積分數為6%的條件下，考察酸解時間對制備柚皮微晶纖維素的影響。如圖2所示。

圖2　酸解時間對柚皮微晶纖維素聚合度和得率的影響Fig.2　Effect of acid hydrolysis time on the degree of polymerization (DP) and yield of the pomelo peel microcrystalline cellulose

隨著酸解時間的增加，柚皮微晶纖維素聚合度先下降后趨于平穩，在60 min時已達到極限聚合度。這是因為纖維素由排列緊密規則的結晶區和疏松堆砌的無定形區組成[12]，無定形區具有較高的化學反應可及度，因此，鹽酸首先破壞纖維素分子的無定形區，使得聚合度不斷下降；若酸解時間繼續延長，大于60 min后，不僅無定形區被水解，結晶區也會受到較大程度的破壞，一些受損的纖維素結晶區發生再結晶作用，并引發結晶區微纖分子之間的氫鍵斷裂，導致纖維素過度水解，使得得率顯著下降[13]。因此，綜合聚合度及得率，初步確定酸解時間為60 min。

2.1.3酸解溫度對柚皮微晶纖維素制備的影響

在料液比為1∶20(g∶mL)，HCl體積分數為6%，酸解時間60 min的條件下，考察酸解溫度對制備柚皮微晶纖維素的影響。如圖3所示。

圖3　溫度對DGMCC聚合度和得率的影響Fig.3　Effect of temperature on the degree of polymerization (DP) and the yield of microcrystalline cellulose form pomelo peel

隨著溫度不斷增加，聚合度及得率都不斷下降，這是因為溫度越高，氫離子活性越大，纖維素分子糖苷鍵斷裂越快[14]，當溫度過高時，促使纖維素水解生成葡萄糖等小分子，使微晶纖維素的得率和聚合度減小。從圖中可以看出柚皮微晶纖維素得率在較低溫度時下降較平緩，當大于60 ℃后，得率急劇下降。同時發現，當溫度達到80 ℃時，制備得到的柚皮微晶纖維素顏色加深，因此，綜合考慮，確定最佳酸解溫度為60 ℃。

2.2正交試驗優化

根據單因素試驗對柚皮微晶纖維素制備效果的影響，在單因素試驗的基礎上，選擇HCl體積分數、酸解溫度和酸解時間3個因素進行L9(33)正交試驗，以聚合度作為評價指標，因素水平設計如表1所示，正交試驗結果及方差分析見表2、表3。

表1　正交試驗因素水平表

由表2分析可知，對柚皮微晶纖維素聚合度的影響因素大小順序為溫度>HCl體積分數>時間，與極差分析結果一致，由表3方差分析結果可得顯著性檢驗，HCl體積分數、酸解溫度對柚皮微晶纖維素聚合度具有極顯著影響，而酸解時間對柚皮微晶纖維素聚合度的影響不顯著。聚合度越小，說明鹽酸水解無定型區越徹底，生成的纖維素微晶化效果越好，以聚合度越小為指標[15]。因此，選擇最優組合為A3B3C3，但由于溫度過高，導致微晶纖維素顏色變深，且得率大幅降低，所以綜合考慮為A3B2C3為最優組合即：HCl體積分數為8%，酸解溫度為60 ℃，酸解時間為80 min。在此優化工藝條件下，柚皮微晶纖維素的聚合度為211。

表2　正交試驗因素、水平及結果

表3　聚合度(DP)的方差分析

2.3結構特性分析

2.3.1紅外光譜(FTIR)

柚皮纖維素及柚皮微晶纖維素的紅外光譜圖如圖4所示。具體而言，柚皮纖維素在3 423.201 9 cm-1處的強寬峰為—OH伸縮振動，是所有纖維素具有的特征譜帶[16]，酸解作用使柚皮微晶纖維素的—OH伸縮振動藍移至3 425.130 4 cm-1，說明—OH連接變弱[17]。柚皮纖維素在2 917.918 0 cm-1處吸收峰代表—CH2—的C—H對稱伸縮振動峰，該吸收峰在柚皮微晶纖維素藍移至2 921.775 1 cm-1。柚皮纖維素在1 631.565 5 cm-1的吸收峰是纖維素與水分子之間的水分子彎曲振動[18]，1 594.922 8 cm-1處的吸收尖峰為苯環骨架伸縮振動，表明有木質素存在，柚皮微晶纖維素在1 596.851 3 cm-1附近的吸收峰減弱，說明木質素被部分去除，但仍有少量殘留。柚皮纖維素在1 419.423 4 cm-1處為—CH2彎曲振動。898.711 0 cm-1的紅外光譜帶是β-D-葡萄糖基的特征光譜[19]。從圖4中可以看出柚皮纖維素和柚皮微晶纖維素的紅外光譜圖的峰值基本相似，說明柚皮纖維素和柚皮微晶纖維素具有相同的化學結構，酸水解只是降解纖維素，而沒有發生其他化學反應。

圖4　柚皮纖維素和柚皮微晶纖維素的紅外光譜圖Fig.4　FTIR spectra of cellulose and microcrystalline cellulose form pomelo peel

2.3.2X-衍射(XRD)

為進一步確定柚皮微晶纖維素結構和晶型，對其進行了XRD分析，結果如圖5所示，柚皮纖維素在衍射角2θ為14.96°、22.86°和34.97°有3個衍射峰，其中2θ=14.96°處的弱峰代表纖維素無定形區，22.86°代表結晶區強度的002面衍射峰，34.97°的衍射峰對應040晶面，根據文獻[20]這種結晶類型屬于纖維素I型，與FTIR結果一致。經酸解作用后，柚皮微晶纖維素在2θ為14.90°、22.84°和34.87°處出現3個衍射峰，與纖維素基本一致。其中2θ=14.90°和22.84°處的衍射峰強度增強，峰形基本一致，表明纖維素結構未發生改變。利用Segal公式X=[I002-Iam)/I002]×100，求得柚皮纖維素和柚皮微晶纖維素的相對結晶度分別為60.66%和71.26%，說明纖維素中無定形區被溶出后結晶度大幅升高。在柚皮微晶纖維素制備過程中，H+首先進攻無定形區，催化糖苷鍵斷裂使纖維素分子發生降解，無定形區破壞以后，形成結晶結構較為完整的微晶纖維素，由于結晶區暴露在外，因而導致吸收強度增大，結晶度升高，對應于002面衍射峰強度增強[21]。

圖5　柚皮纖維素(a)和柚皮微晶纖維素(b)的XRD 圖譜Fig.5　XRD patterns of cellulose and microcrystalline cellulose form pomelo peel

2.3.3掃描電鏡(SEM)

圖6為柚皮纖維素及柚皮微晶纖維素的掃描電鏡圖。圖6-a為柚皮纖維素300倍和1 500倍的結構表征，圖6-b為柚皮微晶纖維素300倍和1 500倍的結構表征。從圖6中可以看出，柚皮纖維素呈長桿狀，表面結構光滑，HCl水解作用后，纖維素長鏈遭到破壞，無定型區被水解，鏈長變短，表面結構變得粗糙、疏松，增加了纖維素的比表面積，從而達到微晶纖維素許多物化性能的提高。

圖6　柚皮纖維素和柚皮微晶纖維素的掃描電鏡圖Fig.6　SEM comparison of cellulose and microcrystalline cellulose form pomelo peel

3　結論

在單因素的試驗基礎上，通過正交試驗優化，得到柚皮微晶纖維素制備的最佳工藝條件：HCl體積分數為8%、酸解溫度為60 ℃、酸解時間為80 min，在此條件下，柚皮微晶纖維素的聚合度為211。紅外光譜分析表明，柚皮微晶纖維素結構與柚皮纖維素結構一致，酸水解只是降解纖維素，沒有發生其他化學反應；X衍射分析表明，柚皮微晶纖維素為纖維素I型結構，相對結晶度為71.26%；掃描電鏡分析柚皮微晶纖維素為表面粗糙的長桿狀結構。

[1]CHUAYJULJIT S, SU-UTHAI S, CHARUCHINDA S. Poly(vinyl chloride) film filled with microcrystalline cellulose prepared from cotton fabric waste: properties and biodegradability study[J]. Waste Management & Research the Journal of the International Solid Wastes & Public Cleansing AssociationIswa, 2010, 28(2): 109-117.

[2]EL-SAKHAWY M, HASSAN M L.Physical and mechanical properties of microcrystalline cellulose prepared from agricultural residues[J]. Carbohydrate Polymers, 2007, 67(1): 1-10.

[3]EJIKEME P M.Investigation of the physicochemical properties of microcrystalline cellulose from agricultural wastes I: orange mesocarp[J]. Cellulose, 2008, 15(1): 141-147.

[4]張麗君, 李愛軍, 蔣文明, 等. 酸解法制備大豆皮微晶纖維素的研究[J]. 食品工業科技, 2011 (8): 298-300.

[5]閆廣平, 李克賢, 黃科林, 等. 近臨界水中蔗渣微晶纖維素的制備[J]. 安徽農業科學, 2012, 40(17): 9 470-9 472.

[6]AGBLEVOR F A, IBRAHIM M M, EL-ZAWAWY W K. Coupled acid and enzyme mediated production of microcrystalline cellulose from corn cob and cotton gin waste[J]. Cellulose, 2007, 14(3): 247-256.

[7]劉恩岐, 張建萍, 唐仕榮, 等. 酶法制備大豆皮微晶纖維素及其理化特性[J]. 食品科學, 2012, 33(24): 122-126.

[8]衛娜, 馬瑩. 大孔樹脂對柚子內果皮柚皮苷的分離純化[J]. 現代食品科技, 2010, 26(10): 1 096-1 099.

[9]張怡. 福建特產柚子加工及綜合利用技術的研究[D]. 福州: 福建農林大學, 2009.

[10]曾小峰, 白小鳴, 蓋智星, 等. 響應面試驗優化超聲輔助提取柚皮纖維素工藝[J]. 食品科學, 2015, 36(14): 34-38.

[11]劉歡, 王新偉, 魏靜, 等. 胡蘿卜渣微晶纖維素的制備[J]. 食品與發酵工業, 2011, 37(4): 135-138.

[12]KLEMM D, HEUBLEIN B, FINK H P, et al.Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2005, 44(36): 3 358-3 393.

[13]任海偉, 李金平, 張軼, 等. 白酒丟糟制備微晶纖維素工藝優化及結構特性[J]. 現代食品科技, 2013, 29(10): 2461-2468.

[14]黃明星. 沙柳制備微晶纖維素的工藝研究[D]. 鄭州: 鄭州大學, 2014.

[15]何晨雨, 顧正彪, 程力, 等. 馬鈴薯渣制備微晶纖維素的工藝研究[J]. 食品工業科技, 2015, 36(8): 230-234.

[16]劉羽, 邵國強, 許炯. 竹纖維與其它天然纖維素纖維的紅外光譜分析與比較[J]. 竹子研究匯刊, 2010, 29(3): 42-46.

[17]AZUBUIKE C P, OKHAMAFE A O.Physicochemical, spectroscopic and thermal properties of microcrystalline cellulose derived from corn cobs[J]. International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture, 2012, 1(1): 1-7.

[18]JOHAR N, AHMAD I, DUFRESNE A.Extraction, preparation and characterization of cellulose fibres and nanocrystals from rice husk[J]. Industrial Crops & Products, 2012, 37(1): 93-99.

[19]DAS K, RAY D, BANDYOPADHYAY N, et al. Study of the properties of microcrystalline cellulose particles from different renewable resources by XRD, FTIR, Nanoindentation,TGA and SEM[J]. Journal of Polymers and the Environment, 2010, 18(3): 355-363.

[20]宋佳臻, 戚大偉, 劉繼云, 等. 微波-超聲波輔助水解稻草制備微晶纖維素[J]. 安徽農學通報, 2014(5): 10-12.

[21]JAHAN M S, SAEED A, HE Z, et al.Jute as raw material for the preparation of microcrystalline cellulose[J]. Cellulose, 2011, 18(2): 451-459.

Preparation and structural properties of microcrystalline cellulose from pomelo peel

ZENG Xiao-feng,PENG Xue-jiao,TAN An-qun,WANG Hua*

(Citrus Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 400712, China)

In this paper, the hydrochloric acid hydrolysis method has been used to prepare microcrystalline cellulose, and through the single factor experiments, the influence of hydrochloric acid concentration, acid solution time, and acid solution temperature to the preparation of microcrystalline cellulose from pomelo peel have been investigated respectively. On this basis, the preparation process conditions have been optimized by orthogonal experiments and the optimum conditions are: the hydrochloric acid concentration was 8%, acidolysis temperature was 60 ℃, acidolysis time was 80 min. Moreover, the crystal structure and micromorphology of microcrystalline cellulose from pomelo peel have been characterized by the FTIR, XRD and SEM. The results indicated that the microcrystalline cellulose were cellulose I structure, its relative crystallinity was 71.26 %, and the surface morphology was rough long strip.

pomelo peel;microcrystalline cellulose;polymerization degree;structural property

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201609017

碩士研究生(王華研究員為通訊作者,E-mail：wanghua40@126.com)。

公益性行業(農業)專項資金-園藝作物產品加工副產物綜合利用(201503142-12)

2015-12-10，改回日期：2016-03-01