椰衣半纖維素的提取及其結(jié)構(gòu)表征

王 政，黃廣民*，趙 斌，李山丹，陸大興，胡 旦

（海南大學(xué)食品學(xué)院，海南 海口 570228）

椰衣半纖維素的提取及其結(jié)構(gòu)表征

王 政，黃廣民*，趙 斌，李山丹，陸大興，胡 旦

（海南大學(xué)食品學(xué)院，海南 海口 570228）

以新鮮椰衣粗纖維為原料，采用NaOH溶液提取分離椰衣中的半纖維素，并對其結(jié)構(gòu)進行分析表征。結(jié)果表明：在料液比1∶50（g/mL）條件下，NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)5%，提取時間4.0 h，提取溫度65 ℃時，椰衣半纖維素的產(chǎn)率最高，達14.33%。對所得樣品進行紅外光譜分析，確認為椰衣半纖維素，采用凝膠滲透色譜分析，數(shù)均分子質(zhì)量為49 049 D，質(zhì)均分子質(zhì)量為368 354 D。所得椰衣半纖維素，用稀硫酸水解，高效液相色譜分析，其保留時間與標準木糖保留時間高度吻合。

椰衣纖維；半纖維素；結(jié)構(gòu)分析

椰子栽培在我國有上千年的歷史，主要分布在海南島、雷州半島、云南省西雙版納等熱帶和亞熱帶地區(qū)。海南省是椰子的主產(chǎn)地，全國90%以上的椰子產(chǎn)自海南[1]，據(jù)統(tǒng)計，2015年止，全省年產(chǎn)椰子達到2.23億個，椰子也成為海南省重要的熱帶油料經(jīng)濟作物，在海南省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中起了舉足輕重的作用。椰子由外果皮、中果皮、內(nèi)果皮、種皮、種仁（胚乳）、胚及椰子水等組成[2]。外果皮和中果皮屬稱椰衣，主要由纖維素、半纖維素和少量木質(zhì)素組成，約占全果質(zhì)量的33%～35%[3]。椰衣是椰子加工的廢棄物，椰衣加工可分離出椰衣長纖維和棕纖維（俗稱椰糠）。椰衣廣泛用于制作中密度纖維板、纜繩；椰糠多用于做農(nóng)業(yè)的保水劑、植物培養(yǎng)基和生物肥料[4-6]。椰衣半纖維素為可再生資源，這一獨特的資源并未發(fā)揮出應(yīng)有的優(yōu)勢，因此開展椰衣纖維和半纖維素的利用研究意義重大。

自然界中半纖維素主要以雜多糖的形式存在于植物中，其化學(xué)結(jié)構(gòu)主要是由五元糖、六元糖通過糖基或糖醛酸基鍵合連接而成高分子混合多糖[7]，糖類主要有D-木糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、D-葡萄糖醛酸等[8]。植物品種不同，半纖維素的結(jié)構(gòu)也不同，所組成的混合多糖也不同。半纖維素具有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)和獨特的生理功能，可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、微生物篩選、改性后可做熱塑性及抗水性材料等[9-11]，目前廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)藥、食品、造紙及能源化工等各個領(lǐng)域[12-14]。但關(guān)于椰衣半纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)歸屬鮮見報道。

半纖維素多從植物中提取，提取方法主要有：酸法、堿法、蒸汽爆破法、酶法和堿性過氧化物抽提等[15]。稀酸提取法研究較多，堿法提取研究相對較少，相比而言，堿法提取操作簡單，且提取效果好，成本相對較低[16]。本實驗用堿法提取椰衣纖維中半纖維素，可為椰果副產(chǎn)物資源的綜合開發(fā)利用提供相應(yīng)的應(yīng)用支持，為海南椰子產(chǎn)業(yè)發(fā)展及環(huán)境保護具有重要意義。堿法提取原理主要利用半纖維素在堿溶液中部分降解，轉(zhuǎn)化為分子質(zhì)量相對低的低聚糖溶解在溶液中，經(jīng)分離提純后得到[17]。提取過程即使采用較為溫和的條件，也會產(chǎn)生剝皮反應(yīng)，即在堿性條件下從半纖維素分子的還原性末端基而使其降解的反應(yīng)，提取條件強烈時，還會產(chǎn)生堿性水解現(xiàn)象[18]。本實驗以新鮮椰衣纖維為原料，采用稀NaOH溶液提取，探究椰衣纖維中半纖維素提取的最優(yōu)工藝條件，所得椰衣半纖維素用紅外光譜儀、凝膠滲透色譜儀和高效液相色譜儀等檢測，并對其結(jié)構(gòu)進行分析和表征。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮椰衣粗纖維由海南省文昌市會文生物工程有限公司提供。NaOH、鹽酸、95%乙醇等所用試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海市亞榮生化儀器廠；GL-20G-Ⅱ離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠；Tensor27傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司；1515凝膠滲透色譜儀、2695高效液相色譜儀 美國Waters公司；EL204電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 椰衣半纖維素的提取及分離

準確稱取1.000 0 g椰衣纖維于三頸燒瓶中，按料液比1∶50（g/mL）加入50 mL一定質(zhì)量分數(shù)的NaOH溶液，使椰衣纖維浸沒于NaOH溶液中，再將燒瓶置于恒溫水浴中，分別裝上回流冷凝管和溫度計，加熱升溫至一定溫度，提取一定時間，過濾，棄去固體的椰衣纖維，濾液用適量稀鹽酸調(diào)節(jié)pH值至中性，轉(zhuǎn)入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器圓底燒瓶，以60 ℃真空蒸發(fā)濃縮至約原體積的1/3，加入3倍體積95%乙醇溶液使固體物沉淀，濾去乙醇，所得紅褐色固體即為椰衣半纖維素粗品，將椰衣半纖維素粗品再用酸化乙醇精制，得到椰衣半纖維素精品，即將所得的粗品用150 mL加入5～6滴鹽酸酸化的70%乙醇溶液分3 次洗滌，棄去乙醇，將所得固體轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿，置于真空干燥箱，60 ℃干燥，得到灰白色粉狀椰衣半纖維素精品，將樣品置于干燥器中冷卻至室溫，準確稱質(zhì)量[19]，按下式計算椰衣半纖維素產(chǎn)率：

式中：m為干燥后樣品質(zhì)量/g；M為原椰衣粗纖維質(zhì)量/g。

1.3.2 提取時間對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響

準確稱取1.000 0 g椰衣纖維于250 mL三頸燒瓶，按1.3.1節(jié)方法提取，按料液比為1∶50（g/mL）的比例加入50 mL質(zhì)量分數(shù)5% NaOH溶液，使椰衣纖維全部浸沒于NaOH溶液中，提取時間分別為1、2、3、4、5、6、7、8 h，得到椰衣半纖維素，再用酸化乙醇精制后，得到椰衣半纖維素精品，準確稱質(zhì)量，計算椰衣半纖維素產(chǎn)率。

1.3.3 NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響

準確稱取1.000 0 g椰衣纖維于250 mL三頸燒瓶，按1.3.1節(jié)方法提取，按料液比為1∶50（g/mL）的比例，加入50 mL NaOH溶液，NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%，使椰衣纖維全部浸沒于NaOH溶液中，提取時間4 h，得到椰衣半纖維素，再用酸化乙醇精制后，得到椰衣半纖維素精品，準確稱質(zhì)量，計算椰衣半纖維素產(chǎn)率。

1.3.4 提取溫度對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響

準確稱取1.000 0 g椰衣纖維于250 mL三頸燒瓶，按1.3.1節(jié)方法提取，按料液比1∶50（g/mL）的比例，加入50 mL 5% NaOH溶液，使椰衣纖維全部浸沒于NaOH溶液中，提取時間4 h，提取溫度分別為50、55、60、65、70、75、80 ℃，得到椰衣半纖維素，再用酸化乙醇精制后，得到椰衣半纖維素精品，準確稱質(zhì)量，計算椰衣半纖維素產(chǎn)率。

1.3.5 正交試驗設(shè)計

表1 正交試驗設(shè)計因素與水平Table 1 Factors and their coded and actual levels used in orthogonal array design

為考察各個因素對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響，本實驗主要選擇NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)、提取時間、提取溫度這3 個影響因素，根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇L9（34）進行正交試驗，分別考察各個因素對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響程度和變化趨勢，如表1所示。

1.3.6 傅里葉紅外光譜測定

稱取一定量的椰衣半纖維素樣品于玻璃研缽中，加入一定量的溴化鉀晶體，充分研磨混合均勻，取適量混合粉末于壓片裝置中，以一定壓力壓片得到溴化鉀-半纖維素片。將溴化鉀-半纖維素片置于傅里葉變換紅外光譜儀，以紅外燈作光源，測定其化學(xué)結(jié)構(gòu)[20]。

1.3.7 凝膠滲透色譜測定

稱取一定量的椰衣半纖維素樣品，加入超純水將樣品全部溶解，配制成濃度為2～3 mol/L溶液，采用凝膠滲透色譜，測定椰衣半纖維素的分子質(zhì)量[21]。

1.3.8 高效液相色譜測定

準確稱取2.000 0 g椰衣半纖維素精品于150 mL燒杯中，加入10 mL 質(zhì)量分數(shù)72%硫酸溶液，攪拌溶解，置于30 ℃恒溫水浴中保溫1 h，每5～10 min攪拌1 次，此后加入90 mL去離子水，用表面皿蓋住燒杯，置于高壓鍋中，121 ℃加熱水解1 h，取出冷卻、過濾，用NaOH調(diào)pH值至中性，過濾，取濾液于60 ℃旋蒸濃縮，0.22 μm微孔膜過濾，備用。

分別準確稱取木糖、葡萄糖、鼠李糖、果糖及甘露糖等樣品各1.000 0 g，加少量超純水溶解，轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，加超純水稀釋定容，0.22 μm微孔膜過濾，備用。

準確移取樣品液及標準單糖樣品溶液，分別置于不同樣品瓶中，用高效液相色譜儀檢測椰衣半纖維素水解液中的糖。

色譜條件：Luna 5u氨基柱（250 mm×4.60 mm，0.25 μm）；柱溫25 ℃；流動相：乙腈-水（77∶33，V/V）溶液；流速1.0 mL/min；檢測器溫度35 ℃；進樣量15 μL。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取時間對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響

圖1 提取時間對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響Fig. 1 Effects of extraction time on the yield of hemicellulose

如圖1所示，利用稀NaOH溶液提取椰衣半纖維素，提取時間小于4 h時，隨著提取時間的延長，椰衣半纖維素的產(chǎn)率急劇上升；提取時間為4 h時，椰衣半纖維素的產(chǎn)率達到最大值為14.33%；提取時間大于4 h時，隨著提取時間延長，椰衣半纖維素產(chǎn)率逐漸下降。可能是因為提取時間過長，椰衣半纖維素部分降解轉(zhuǎn)化為低聚糖或單糖溶解于稀堿液中，導(dǎo)致半纖維素產(chǎn)率下降，因此，最佳提取時間為4 h。

2.2 NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響

圖2 NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響Fig. 2 Effect of sodium hydroxide concentration on theyield of hemicellulose

如圖2所示，NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)小于5%時，隨著NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)的增加，椰衣半纖維素的產(chǎn)率逐漸上升；NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為5%時，椰衣半纖維素產(chǎn)率達到9.73%，且曲線出現(xiàn)一拐點；NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)大于5%，隨著NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)的增大，椰衣半纖維素產(chǎn)率趨于平緩（6.00%～9.80%）。然而，實驗中NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)大于5%時，已有少量纖維素和木質(zhì)素發(fā)生部分降解，導(dǎo)致椰衣半纖維素中雜質(zhì)增加，給后續(xù)的分離和雜質(zhì)去除增加困難，因此NaOH溶液最佳質(zhì)量分數(shù)選5%為宜。

2.3 提取溫度對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響

圖3 提取溫度對椰衣半纖維素產(chǎn)率的影響Fig. 3 Effect of extraction temperature on the yield of hemicellulose

如圖3所示，提取溫度小于60 ℃時，隨著提取溫度的上升，椰衣半纖維素的產(chǎn)率逐漸上升；提取溫度為60 ℃時，椰衣半纖維素產(chǎn)率達到最大值為11.17%；提取溫度大于60 ℃時，隨著提取溫度的上升，椰衣半纖維素產(chǎn)率逐漸下降。可能是因為隨著提取溫度上升，椰衣半纖維素發(fā)生部分降解，轉(zhuǎn)化為低聚糖或單糖溶解于堿性溶液中，使沉淀分離得到的半纖維素的量減少。因此提取椰衣半纖維素的最佳溫度為60 ℃。

2.4 堿法提取椰衣半纖維素正交試驗

表2 正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Orthogonal array design with experimental results

如表2所示，極差R可以看出，料液比不變時，堿法提取椰衣半纖維素產(chǎn)率各因素的影響程度為：NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)＞提取溫度＞提取時間。堿法提取椰衣半纖維素的最佳工藝組合為A2B2C3，即NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)5%，提取時間4.0 h，提取溫度65 ℃。經(jīng)驗證結(jié)果表明，采用該組合條件進行提取，椰衣半纖維素產(chǎn)率最高，達到14.33%。

2.5 椰衣半纖維素紅外光譜分析

圖4 椰衣半纖維素紅外光譜圖Fig. 4 Infrared spectrum of hemicellulose

紅外光譜檢測原理是利用樣品分子中某個基團的振動頻率或轉(zhuǎn)動頻率與紅外光頻率相同時，分子即可吸收能量由原來的基態(tài)振動能吸收躍遷到能量較高的振動能級，振動與能級躍遷后，該波長的紅外光就會被樣品吸收[22]，記錄樣品對不同波長的紅外光的吸收，以波長或波數(shù)為橫坐標，表示吸收峰的位置，透光率或吸光度為縱坐標表示吸收強度，即可繪制出紅外光譜圖，根據(jù)紅外光譜圖可對被測物質(zhì)進行結(jié)構(gòu)分析和鑒定[23]。為進一步驗證椰衣纖維堿法提取得到的產(chǎn)物是椰衣半纖維素和樣品的純度及化學(xué)結(jié)構(gòu)，對樣品進行紅外光譜分析。按1.3.6節(jié)處理樣品，置于傅里葉變換紅外光譜儀中，用紅外光掃描檢測樣品中碳水化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。從圖4可以看出，1 628～534 cm-1是椰衣半纖維素的糖環(huán)特征吸收峰[24]。3 422 cm-1和2 924 cm-1為椰衣半纖維素和吸收水中的—OH和C—H鍵產(chǎn)生的吸收峰，1 628 cm-1處為水的吸收峰。898 cm-1處的峰值為椰衣半纖維素各糖單元之間互相連接的β-糖苷鍵[25]，1 041 cm-1處的特征吸收為糖單元中的羥基強的吸收峰[26]。1 396 cm-1處的峰值為糖單元中的羥基及木聚糖結(jié)構(gòu)的C—O—C伸縮振動[27]峰值。結(jié)果表明，椰衣纖維堿法提取得到的是椰衣半纖維素，是由木聚糖組成的高分子碳水化合物。

2.6 凝膠滲透色譜測定結(jié)果

表3 凝膠滲透色譜實驗結(jié)果Table 3 Characteristics of hemicelluloses detected by gel permeation chromatography

紅外光譜分析結(jié)果已表明所提取的樣品是椰衣半纖維素，采用凝膠滲透色譜儀，分別測定樣品的數(shù)均分子質(zhì)量和重均分子質(zhì)量，如表3所示。彭云云[28]采用堿抽提法分離的蔗渣半纖維素的重均分子質(zhì)量和多分散性值為29 949 D和1.87，而本實驗提取得到的椰衣半纖維素的均分子質(zhì)量及分散性偏高，可能的原因有2 種，其一是椰衣纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同于蔗渣，其半纖維素的分子質(zhì)量結(jié)構(gòu)也不同，其二是用堿液提取，有少量的椰衣纖維素和木質(zhì)素降解，混入椰衣半纖維素樣品中，導(dǎo)致結(jié)果偏高。程和麗等[26]用堿法提取玉米稈中的半纖維素并進行結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果表明分離、測定方法與原料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)對半纖維素分子質(zhì)量的測定結(jié)果均有一定的影響，且半纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前沒有方法能夠得到完全不含雜質(zhì)的樣品。

2.7 高效液相色譜測定結(jié)果

圖5 木糖標準品（A）和椰衣半纖維素水解后樣品液（B）高效液相色譜圖Fig. 5 High performance liquid chromatograms of standard xylose (A) and sample (B)

表4 各標準品出峰時間Table 4 Peak times of standard sugars

為進一步了解椰衣半纖維素水解后單糖組成，按照1.3.8節(jié)方法對樣品進行處理，分別將水解液及標準品溶液，分別注入高效液相色譜儀，測定其水解液中的單糖的保留時間和5 種單糖標準品的保留時間，如圖5、表4所示。椰衣半纖維素水解液中糖的保留時間與標準木糖的保留時間高度吻合，且沒有檢出其他雜質(zhì)峰，因此，椰衣半纖維素用稀硫酸水解，水解液含有的單糖為木糖。

李欣欣等[29]對天然椰殼纖維及其增強復(fù)合材料進行研究，結(jié)果表明椰纖維中結(jié)晶化的纖維素呈螺旋狀嵌在不定性的木質(zhì)素與半纖維素中，椰衣纖維具有高強度、高彈性、強的抗拉強度是因椰衣纖維素與不定型的木質(zhì)素和木聚糖組成的半纖維素呈螺旋狀嵌制交纏的結(jié)構(gòu)所致。

3 結(jié) 論

采用稀NaOH溶液能從椰衣纖維中提取半纖維素。正交試驗表明，影響椰衣半纖維素提取率的各因素影響順序為NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)、提取溫度、提取時間。在料液比1∶50（g/mL）、NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)5%、提取時間4.0 h、提取溫度65 ℃時，椰衣半纖維素產(chǎn)率最高，達14.33%。所得樣品進行紅外光譜分析，確認為椰衣半纖維素，采用凝膠滲透色譜分析，椰衣半纖維素數(shù)均分子質(zhì)量為49 049 D，質(zhì)均分子質(zhì)量為368 354 D，再經(jīng)高效液相色譜檢測，椰衣半纖維素水解液中單糖的保留時間與標準木糖的保留時間高度吻合，沒有檢出雜質(zhì)峰。因此，椰衣半纖維素水解后主要成分為木糖，椰衣半纖維素是由木糖組成的均多糖，沒有發(fā)現(xiàn)其他糖。

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Extraction and Structural Characterization of Hemicellulose from Coconut Coir Fiber

WANG Zheng, HUANG Guangmin*, ZHAO Bin, LI Shandan, LU Daxing, HU Dan
(College of Food Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

In this investigation, hemicellulose was extracted from crude coconut coir fiber with aqueous sodium hydroxide solution, and its structure was analyzed. It turned out that the highest yield (14.33%) of hemicellulose was obtained when the extraction was performed at 65 ℃ for 4.0 h in 5% sodium hydroxide solution with a solid-to-solvent ratio of 1:50 (g/mL). The extracted product was confirmed as hemicelluloses using infrared spectroscopy. By gel permeation chromatography, the number-average molecular weight of the hemicellulose was 49 049 D and weight-average molecular weight 368 354 D. The hemicellulose was hydrolyzed with sulfuric acid and analyzed by high performance liquid chromatography, and the results showed that the retention time was completely consistent with that of standard xylose.

coir fiber; hemicellulose; structural characterization

10.7506/spkx1002-6630-201714038

TQ352

A

1002-6630（2017）14-0245-05

王政, 黃廣民, 趙斌, 等. 椰衣半纖維素的提取及其結(jié)構(gòu)表征[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(14): 245-249.

10.7506/ spkx1002-6630-201714038. http://www.spkx.net.cn

WANG Zheng, HUANG Guangmin, ZHAO Bin, et al. Extraction and structural characterization of hemicellulose from coconut coir fiber[J]. Food Science, 2017, 38(14): 245-249. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714038. http://www.spkx.net.cn

2016-10-08

海南省自然科學(xué)基金項目（20153161）；海南省研究生創(chuàng)新科研課題（Hys2016-46）

王政（1993—），男，碩士研究生，研究方向為糖及碳水化合物化學(xué)。E-mail：540546138@qq.com

*通信作者：黃廣民（1957—），男，教授，學(xué)士，研究方向為生物能源、糖及碳水化合物化學(xué)。E-mail：hgmin886699@163.com