沙蒿微晶纖維素制備工藝及性質(zhì)研究

溫俊峰劉 俠李 霄

(1. 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2. 榆林市農(nóng)產(chǎn)品深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000)

微晶纖維素(MCC)是天然纖維素解聚到極限聚合度得到的產(chǎn)物，通常為無(wú)臭、無(wú)味的短棒狀或粉末狀多孔狀顆粒[1-4]，聚合度一般為15～375。MCC具有比表面積大、聚合度高、結(jié)晶度高、吸水值高及化學(xué)反應(yīng)活性大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等工業(yè)[5]。在食品行業(yè)中，MCC可用作膳食纖維素，也可用作食品添加劑，如食品分散劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑等[6]。MCC由天然纖維素經(jīng)化學(xué)水解法、生物酶法、物理機(jī)械法[7]得到，化學(xué)水解法操作簡(jiǎn)便、MCC得率高，是常用的MCC制備方法。目前，由甘蔗渣[8]、菊芋秸稈[9]、蘆葦漿粕[10]、石榴皮[11]、蘆筍莖稈[12]、沙棘[13]等原料均通過(guò)酸水解法得到了理想的微晶纖維素，但以沙蒿制備微晶纖維素鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

黑沙蒿(Artemisia)又名沙蒿、油蒿，菊科蒿屬植物，主要分布于中國(guó)陜西、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏和甘肅等地，是沙漠地區(qū)防風(fēng)固沙的先鋒植物[14]。黑沙蒿藥用價(jià)值高，全草均可入藥，可治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、感冒頭痛、咽喉腫痛、治尿閉癥等疾病[15]。黑沙蒿還可用于食品工業(yè)，沙蒿籽膠是良好的食品添加劑[16]，沙蒿莖葉粗纖維含量高(29.39%)[17]，是潛在的膳食纖維素資源。近年來(lái)，沙蒿飛播面積不斷擴(kuò)大，截至2016年，榆林地區(qū)黑沙蒿保存面積約2.67×105hm2，而毗鄰的鄂爾多斯地區(qū)黑沙蒿面積約2.53×106hm2[18]，資源豐富。黑沙蒿生長(zhǎng)期間需進(jìn)行平茬更新復(fù)壯[19]，平茬沙蒿枝條利用不充分，造成資源浪費(fèi)。

本試驗(yàn)擬以黑沙蒿為原料，通過(guò)酸水解法制備微晶纖維素，優(yōu)化制備工藝，并研究黑沙蒿微晶纖維素的性能，以期為黑沙蒿的開發(fā)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

沙蒿：采自陜西神木；

無(wú)水乙醇、硝酸、鹽酸、硫酸銅、氨水、氫氧化鈉、乙二胺：分析純。

1.1.2 主要儀器

高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：FW-100D型，天津鑫博得儀器有限公司；

電子分析天平：GA1003型，上海上平儀器公司；

數(shù)控超聲波清洗器：KQ2200DV型，昆山市超聲儀器有限公司；

磁力加熱攪拌器：78-1型，重慶吉祥教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡：SIGMA 300型，德國(guó)卡爾蔡司公司；

傅立葉變換紅外光譜儀：IR Prestige-21型，日本島津公司；

X射線衍射儀：GEOLGEM2011型，日本電子公司；

同步熱分析儀：LABSYS EVO型，法國(guó)塞塔拉姆公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 沙蒿MCC制備

(1) 原料預(yù)處理：沙蒿枝除雜、清洗、烘干、粉碎，過(guò)60目篩，以料液比1∶10 (g/mL)用蒸餾水浸泡24 h(脫色)，過(guò)濾，低溫烘干，備用。

(2) 纖維素提取：采用硝酸-乙醇法提取沙蒿纖維素。具體方法，取沙蒿粉6 g，加入150 mL體積比為1∶4的硝酸—乙醇混合液，100 ℃回流8 h，至固體變白。冷卻后過(guò)濾，熱水洗滌至中性，再用95%的乙醇洗滌3次，于70 ℃烘干。

(3) MCC制備：稱取1 g沙蒿纖維素，加入不同濃度、不同體積的鹽酸，加熱回流，酸解一定時(shí)間后，冷卻、抽濾，醇洗，干燥，粉碎，得沙蒿MCC。

1.2.2 MCC得率與聚合度測(cè)定方法 沙蒿MCC得率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

Y——沙蒿MCC得率，%；

m1——沙蒿MCC質(zhì)量，g；

m2——沙蒿纖維素質(zhì)量，g。

按GB/T 1548—2004法測(cè)定黏度，通過(guò)聚合度與黏度之間的關(guān)系，計(jì)算聚合度。

1.2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 固定其它試驗(yàn)條件，分別考察料液比、鹽酸濃度、酸解時(shí)間和酸解溫度對(duì)MCC得率與聚合度的影響。

(1) 料液比：在鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，酸解溫度70 ℃，酸解時(shí)間60 min時(shí)，考察料液比1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35 (g/mL)對(duì)沙蒿MCC得率與聚合度的影響。

(2) 鹽酸濃度：在料液比1∶30 (g/mL)，酸解時(shí)間60 min，酸解溫度70 ℃時(shí)，考察不同鹽酸濃度(6%，9%，12%，15%，18%)對(duì)沙蒿MCC得率與聚合度的影響。

(3) 酸解時(shí)間：在料液比1∶30 (g/mL)，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，酸解溫度70 ℃時(shí)，考察酸解時(shí)間(30，60，90，120，150 min)對(duì)沙蒿MCC得率與聚合度的影響。

(4) 酸解溫度：在料液比為1∶30 (g/mL)，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，酸解時(shí)間60 min時(shí)，考察酸解溫度(30，50，70，90，110 ℃)對(duì)沙蒿MCC得率與聚合度的影響。

1.2.4 響應(yīng)面(RSM)試驗(yàn)設(shè)計(jì) 參考單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取料液比、鹽酸濃度、酸解時(shí)間、酸解溫度為試驗(yàn)因素，利用Design Expert 8.06軟件設(shè)計(jì)四因素三水平試驗(yàn)方案。以沙蒿MCC得率為指標(biāo)，分析試驗(yàn)結(jié)果，確定各因素對(duì)沙蒿MCC得率的影響程度及各因素之間的交互作用，優(yōu)化試驗(yàn)條件，得到沙蒿MCC制備的最佳工藝條件。

1.2.5 MCC性能分析

(1) 結(jié)構(gòu)表征：采用場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡(SEM)觀察樣品形貌，傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)分析官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，X射線衍射儀(XRD)分析晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶度，同步熱分析儀分析樣品熱性能。

(2) 持水力與溶脹性分析：參照文獻(xiàn)[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 料液比的影響 由圖1可以看出，隨溶濟(jì)增加沙蒿MCC得率先增大后減小，在料液比為1∶30 (g/mL)時(shí)得率最高，而聚合度隨溶濟(jì)增加逐漸下降，在料液比為1∶30 (g/mL)時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，之后趨于穩(wěn)定。鹽酸體積的增加，有利于纖維素顆粒與水解液充分接觸，纖維素?zé)o定形區(qū)氫鍵可充分水解，因而MCC得率增加，聚合度減小；當(dāng)鹽酸體積增加到一定值時(shí)，聚合度達(dá)到極限平衡狀態(tài)，再增大鹽酸體積，聚合度保持不變，而隨著鹽酸用量的增加，部分纖維素的結(jié)晶區(qū)糖苷鍵會(huì)水解為葡萄糖，使沙蒿MCC得率降低。

圖1 料液比對(duì)沙蒿MCC得率與聚合度的影響

圖1 Effect of solid-to-liquid on yield and degree of polymerizationof (DP) of Artemisia

2.1.2 鹽酸濃度的影響 從圖2可以看出，隨著鹽酸濃度的增大，沙蒿MCC的得率先逐漸增大后減小，聚合度逐漸減小。這是因?yàn)殡S著鹽酸濃度的增大，纖維素的水解速率加快、水解程度增加，鹽酸濃度達(dá)到15%時(shí)，纖維素水解為微晶纖維素，沙蒿MCC得率最高，水解達(dá)到平衡聚合度，之后由于結(jié)晶區(qū)水解導(dǎo)致葡萄糖的生成，得率下降，而聚合度不受影響，無(wú)明顯變化。

2.1.3 酸解時(shí)間的影響 根據(jù)圖3可以看出，隨著酸解時(shí)間

圖2 鹽酸濃度對(duì)沙蒿MCC得率與聚合度的影響

圖2 Effect of acid concentration on yield and degree of polymerizationof (DP) of Artemisia

的延長(zhǎng)沙蒿MCC得率先增大后減小，聚合度逐漸減小至恒定；在酸解時(shí)間為60 min時(shí)得率最高，聚合度適中。過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間會(huì)使沙蒿MCC得率顯著降低，這是因?yàn)樗峤鈺r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，纖維素?zé)o定形區(qū)被水解，結(jié)晶區(qū)也會(huì)受到較大程度破壞，導(dǎo)致纖維素過(guò)度水解，得率下降。

2.1.4 酸解溫度的影響 由圖4可知，隨著酸解溫度的升高，沙蒿MCC得率逐漸增大，在酸解溫度為70 ℃時(shí)得率達(dá)到最高點(diǎn)，之后逐漸下降；聚合度隨著酸解溫度的升高逐漸減小，70 ℃后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著水解溫度的升高，天然纖維素分子無(wú)定形區(qū)糖苷鍵斷裂數(shù)增多，當(dāng)酸解溫度為70 ℃時(shí)，已全部水解至MCC，達(dá)到水解極限平衡態(tài)，繼續(xù)升高溫度，聚合度變化不明顯。但是繼續(xù)增大溫度，水解程度逐漸加劇，MCCβ-1，4 糖苷鍵斷裂，被水解為溶解態(tài)葡萄糖數(shù)量增加，故使MCC得率減小。

圖3 酸解時(shí)間對(duì)沙蒿MCC得率與聚合度的影響

圖3 Effect of time on yield and degree of polymerizationof (DP) of Artemisia

圖4 酸解溫度時(shí)沙蒿MCC得率與聚合度的影響

圖4 Effect of temperature on yield and degree of polymerizationof (DP) of Artemisia

2.2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)

2.2.1 模型的建立及其試驗(yàn)結(jié)果 在綜合分析單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，經(jīng)Box-Behnken設(shè)計(jì)的四因素三水平的試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，所選取的因素水平保證其在最佳水解條件范圍內(nèi)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels in response surface experiment

表2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface design arrangement and experimental results

采用Design Expert 8.06軟件對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線性回歸擬合，得到沙蒿MCC得率(Y)對(duì)液料比、鹽酸濃度、酸解時(shí)間、酸解溫度的二次多項(xiàng)回歸模型方程：

Y=85.66-1.11A-0.80B-0.86C-2.70D+4.01AB-2.43AC-0.95AD-1.62BC-4.86BD-4.73CD-13.17A2-13.91B2-10.18C2-9.70D2。

(2)

2.2.2 顯著性分析 表3為以沙蒿MCC得率為指標(biāo)經(jīng)擬合后得到的方差分析結(jié)果。

由表3分析結(jié)果可知，回歸模型P<0.000 1，方差模型為極為顯著。一次項(xiàng)D的P<0.05，表明酸解溫度對(duì)沙蒿MCC得率的線性關(guān)系較為顯著，其他項(xiàng)表現(xiàn)為不顯著。其中二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2表現(xiàn)為差異極顯著(P<0.000 1)。交互項(xiàng)BD、CD表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05)，AB、AC、AD、BC表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)。失擬項(xiàng)P為0.310 2>0.05，不顯著，說(shuō)明響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)試驗(yàn)擬合回歸方程具有顯著意義。擬合得到模型精密度為11.521 2?4，表明該模型擬合度和可信度很高可以用于預(yù)測(cè)[21]。復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.930 5，說(shuō)明相關(guān)性較好。校正決定系數(shù)為0.861 1，說(shuō)明86.11%試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性可用上述回歸模型解釋。

2.2.3 響應(yīng)曲面分析 分析了液料比、鹽酸濃度、酸解時(shí)間和酸解溫度對(duì)沙蒿微晶纖維素得率的交互作用影響，其響應(yīng)曲面圖見(jiàn)圖5。

圖5顯示了各因素之間交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響情況，響應(yīng)曲面圖開口均向下，說(shuō)明在試驗(yàn)條件下，響應(yīng)值即MCC得率有最大值，各試驗(yàn)因素對(duì)MCC得率的影響是先增大后減小。比較而言，圖5(e)、(f)對(duì)應(yīng)的等高線圖接近橢圓形，交互影響比較顯著，即鹽酸濃度和酸解溫度、酸解時(shí)間和酸解溫度兩兩的交互作用比較顯著。圖5(a)～(d)的等高線圖更接近圓形，即液料比和鹽酸濃度、液料比和酸解時(shí)間、液料比和酸解溫度、鹽酸濃度和酸解時(shí)間兩兩的交互作用不明顯。

2.2.4 響應(yīng)曲面優(yōu)化工藝結(jié)果 通過(guò)響應(yīng)曲面優(yōu)化結(jié)果，得到制備沙蒿MCC的最優(yōu)工藝為：料液比為1∶29.50 (g/mL)，鹽酸濃度為14.96%，酸解時(shí)間為60.10 min，酸解溫度為70.12 ℃時(shí)，理論MCC得率為85.62%。考慮到實(shí)際操作條件，將其調(diào)整為：料液比取1∶30 (g/mL)，鹽酸濃度取15%，酸解時(shí)間取60 min，酸解溫度取70 ℃。在此最優(yōu)條件下制備MCC，最終測(cè)定沙蒿MCC得率為85.14%，聚合度為182.7。

圖5 各因素交互作用對(duì)沙蒿MCC得率的影響Figure 5 Effect of interaction of various factors on MCC yield of Artemisia表3 沙蒿MCC得率回歸模型方差分析結(jié)果

來(lái)源平方和自由度均方F值P值顯著性模型2 791.82914199.41613.397 81<0.000 1***A14.785114.7850.993 350.335 8B7.58417.5840.509 550.487 1C8.77218.7720.589 370.455 4D87.480187.4805.877 350.029 5*AB64.160164.1604.310 600.056 8AC23.619123.6191.586 890.228 4AD3.57213.5720.239 990.631 8BC10.498110.4970.705 280.415 1BD94.478194.4786.347 540.024 5*CD89.302189.3025.999 800.028 1*A21 124.64711 124.64775.559 52<0.000 1***B21 255.05811 255.05884.321 21<0.000 1***C2671.5501671.55045.118 16<0.000 1***D2610.6281610.62841.025 12<0.000 1***殘項(xiàng)208.3801414.884不顯著失擬項(xiàng)169.628 1016.9631.750 900.310 2凈誤差38.75249.688總差3 000.20828校正系數(shù)R2=0.930 5R2Adj=0.861 1

? ***為差異極顯著(P<0.001)；**為差異高度顯著(P<0.01)；*為差異顯著(P<0.05)。

2.3 沙蒿MCC表征

2.3.1 掃描電鏡(SEM)分析 圖6(a)、(b)分別為沙蒿纖維素和沙蒿MCC放大600倍的圖像，從中可以看出，沙蒿纖維素和沙蒿MCC呈棒狀結(jié)構(gòu)，沙蒿MCC形狀較為均勻，且長(zhǎng)度變短，經(jīng)放大1 000倍后[圖6(c)]可觀察到表面結(jié)構(gòu)較粗糙、疏松，比表面積增大，從而達(dá)到MCC許多物化性能的提高。

圖6 沙蒿纖維素和沙蒿MCC的SEM圖Figure 6 SEM of Artemisia cellulose and Artemisia MCC

2.3.2 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析 由圖7可看出，沙蒿纖維素和沙蒿MCC的出峰位置和峰強(qiáng)度基本一致。沙蒿纖維素在3 425 cm-1處的強(qiáng)寬吸收峰代表O—H伸縮振動(dòng)，在619 cm-1處的吸收代表O—H的面外彎曲振動(dòng)，沙蒿MCC的O—H伸縮振動(dòng)紅移至3 435 cm-1，且峰形較為光滑，面外彎曲振動(dòng)峰藍(lán)移至617 cm-1處，說(shuō)明酸解后纖維素分子中羥基間的氫鍵有所減少。圖譜中2 918 cm-1處的峰為—CH2—的C—H伸縮振動(dòng)峰，1 630 cm-1處吸收峰為O—H的彎曲振動(dòng)，1 435 cm-1處的峰為—CH2的彎曲振動(dòng)，1 060 cm-1處的強(qiáng)吸收峰為纖維骨架上 C—O 的振動(dòng)峰。可見(jiàn)，酸水解制備沙蒿MCC的反應(yīng)過(guò)程并未改變纖維素基本化學(xué)結(jié)構(gòu)，推斷纖維素晶型為I型(1 435 cm-1處特征峰)[22]。

圖7 沙蒿纖維素和沙蒿MCC的紅外光譜圖Figure 7 FTIR spectra of Artemisia cellulose and Artemisia MCC

2.3.3 X-衍射(XRD)分析 由圖8可知，沙蒿纖維素和沙蒿MCC在2θ為16.44°，22.26°，34.8°處均有3個(gè)衍射峰，22.26°處峰較強(qiáng)而其它2處峰較弱。2θ=16.44°處的峰為纖維素Ⅰ型101面衍射峰，2θ=22.26°處的峰為002面衍射峰，2θ=34.4° 為004面衍射峰，說(shuō)明沙蒿纖維素與沙蒿MCC為纖維素 I 型結(jié)構(gòu)[23]。沙蒿MCC在22.5°處衍射峰強(qiáng)度與沙蒿纖維素相比明顯加強(qiáng)，且峰形較尖銳。利用Segal公式求得沙蒿纖維素和沙蒿MCC的相對(duì)結(jié)晶度分別為63.91和72.85，說(shuō)明經(jīng)酸水解后纖維素結(jié)晶度升高。

圖8 沙蒿纖維素和沙蒿MCC的XRD圖Figure 8 XRD patterns of Artemisia cellulose and Artemisia MCC

2.3.4 熱穩(wěn)定性分析 圖9為沙蒿纖維素和沙蒿MCC的熱重曲線圖。可以看出，在60 ℃左右，2個(gè)樣品都出現(xiàn)輕微的質(zhì)量損失，這是樣品中所殘留小分子的揮發(fā)引起的。沙蒿纖維素與沙蒿MCC的初始降解溫度約為240 ℃，到380 ℃時(shí)質(zhì)量基本穩(wěn)定，沙蒿MCC的最大降解溫度為356 ℃，此時(shí)的失重率為82.21%，沙蒿纖維素的最大降解溫度為343 ℃，相對(duì)應(yīng)的失重率為47.14%。通過(guò)比較，可以看出沙蒿MCC較沙蒿纖維素，最大降解溫度高，穩(wěn)定較好。

2.4 沙蒿MCC持水力和溶脹性測(cè)試結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得沙蒿MCC的膨脹力為12.5 mL/g，持水力為13.875 g/g，膨脹力和持水力均較大，可滿足膳食纖維的指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

響應(yīng)曲面法有效地優(yōu)化了鹽酸水解法制備沙蒿MCC的工藝，并篩選出影響沙蒿MCC得率與聚合度的重要因素。在最優(yōu)條件下制備得到沙蒿MCC得率為85.14%，聚合度為182.7，與響應(yīng)面分析結(jié)果接近。試驗(yàn)結(jié)果顯示，沙蒿MCC膨脹力和持水力均較大，是理想的膳食纖維，可用作食品添加劑。酸水解法得到的沙蒿MCC呈棒狀，但長(zhǎng)短粗細(xì)不均勻，這是本試驗(yàn)的不足之處，有待進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)MCC的外觀形貌均一性。