蘋果渣氧化纖維素的制備及表征

李列琴，陳雪峰*，劉寧，孫玉姣，屈兵練

1(陜西科技大學 食品與生物工程學院，陜西 西安，710021)2(陜西海升集團，陜西 西安，710100)

陜西省作為我國重要的蘋果種植及加工基地，每年因濃縮蘋果汁加工產生約60 萬t蘋果渣，其富含膳食纖維、維生素、礦物質等，具有較高的營養價值[1]及良好的功能特性[2-3]?，F階段蘋果渣主要用作動物飼料，利用價值低，有必要對其開展綜合利用技術研究實現梯次高值利用。

纖維素作為一種不溶性膳食纖維,占蘋果渣含量的35%左右[4]，它在調節人體胃腸道消化、改善食品品質等方面具有重要的作用，極具開發前景。研究發現，對纖維素進行適當改性可改善其物理性質及結構，如氧化可增加纖維素的持水性、分散性等[5]，也可使纖維素葡萄糖單元產生新的活性位點，成為制備各種新品的中間體。目前纖維素的氧化方法有多種，如次氯酸鹽氧化體系法、高碘酸鈉氧化體系法、鹵酸鹽氧化體系法等[6]。本研究選用高碘酸鈉氧化體系法對蘋果渣纖維素進行氧化，以醛基含量及樣品保留率為評價標準，通過單因素、正交試驗對其工藝進行優化，利用掃描電鏡、紅外光譜、X-射線衍射及持水力測定進行表征，以期探索適合工業化制備蘋果渣纖維素衍生物的新途徑，為其更廣泛應用提供技術支撐，也為提高蘋果渣綜合利用價值提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果渣(已去除水溶性多糖),安徽省宿州市碭山縣安徽碭山海升果業有限責任公司；固體NaOH、濃HCl、無水乙醇、丙酮、冰乙酸、高碘酸鈉、乙二醇、百里香酚蘭、鹽酸羥胺、甲醇(分析純)，天津市天力化學試劑有限公司；亞氯酸鈉(分析純)，鄭州派尼化學試劑廠；KBr(光譜純)，天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

HH-4恒溫水浴鍋，金壇市宏華儀器廠；101-1AB型電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；電子天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；SHB-Ⅲ循環水多用真空泵，西安太康生物科技有限公司；H-1850R湘儀臺式高速冷凍離心機，長沙湘儀離心機儀器有限公司；THZ-C-1全溫振蕩器，太倉市實驗設備廠；FEI Q45+EDAX Octane Prime環境掃描電子顯微鏡+能譜儀，美國FEI和EDAX；VECTOR-22傅立葉紅外光譜儀、D8 Advance型X-射線衍射儀，德國布魯克Bruker公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 蘋果渣不溶性膳食纖維制備

稱取一定量去除水溶性多糖的蘋果渣(過80目篩)，按料液比1∶20(g∶mL)加入4% NaOH溶液，于45 ℃保溫1.5 h，水洗至中性，棄去濾液；向濾渣中加入相同比例的2%鹽酸溶液，60 ℃保溫1.5 h，水洗至中性；濾渣用無水乙醇和丙酮各洗滌2次，水洗至中性，濾渣于60 ℃烘干即得蘋果渣不溶性膳食纖維。

1.3.2 蘋果渣纖維素提取

稱取一定量蘋果渣不溶性膳食纖維(過20目篩)，以料液比1∶20(g∶mL)加入14% NaOH溶液，于35 ℃、160 r/min條件下反應20 h，水洗至中性，棄去濾液，濾渣于60 ℃烘干即得蘋果渣纖維素。重復上述步驟，對纖維素進行純化。利用亞氯酸鈉與冰乙酸對其進行脫色[7-8]。

1.3.3 蘋果渣氧化纖維素制備單因素試驗

向蘋果渣纖維素中加入一定濃度高碘酸鈉溶液，于一定溫度、160 r/min條件下避光反應特定時間，濾渣用0.2 mol/L乙二醇溶液浸泡0.5 h，水洗，60 ℃烘干即得蘋果渣氧化纖維素。稱重，計算樣品保留率；采用鹽酸羥胺法[9]測定醛基含量。

樣品保留率計算公式(1)：

(1)

式中：m0，蘋果渣纖維素質量，g；m1，蘋果渣氧化纖維素質量，g。

(1)料液比對氧化纖維素醛基含量及保留率影響：向蘋果渣纖維素中分別加入料液比為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35(g∶mL)的0.5 mol/L高碘酸鈉溶液，設定反應時間4 h，溫度40 ℃，測定干燥樣品的醛基含量及保留率。

(2)高碘酸鈉濃度對氧化纖維素醛基含量及保留率影響：向蘋果渣纖維素中分別加入濃度為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mol/L的高碘酸鈉溶液，設定料液比為1∶20(g∶mL)，反應時間4 h，溫度40 ℃，測定干燥樣品的醛基含量及保留率。

(3)時間對氧化纖維素醛基含量及保留率影響：向蘋果渣纖維素中加入濃度為0.6 mol/L的高碘酸鈉溶液，料液比1∶20(g∶mL)，溫度40 ℃，設定反應時間分別為2、4、6、8、10 h，測定干燥樣品的醛基含量及保留率。

(4)溫度對氧化纖維素醛基含量及保留率影響：控制試驗的反應溫度分別為：30、35、40、45、50 ℃，高碘酸鈉濃度0.6 mol/L，料液比1∶20(g∶mL)，反應時間4 h，測定干燥樣品的醛基含量及保留率。

1.3.4 蘋果渣氧化纖維素制備正交試驗

在單因素試驗基礎上，選取料液比、高碘酸鈉濃度、時間、溫度為因素，醛基含量及樣品保留率為評價標準(其中，醛基含量為首要評價標準)，設計4因素3水平正交試驗，試驗因素水平表如表1所示。

表1 氧化纖維素正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal test factors and levels of oxidizedcellulose

1.3.5 掃描電鏡(SEM)分析

分別將纖維素、低氧化程度纖維素(醛基含量為2.58 mmol/g，下同)、高氧化程度纖維素(醛基含量為6.02 mmol/g，下同)，固定在載物盤中，噴金處理。觀察樣品顆粒的形貌，拍攝相應倍數的電鏡照片，進行分析。

1.3.6 傅立葉紅外光譜(FTIR)分析

稱取氧化前后蘋果渣纖維素3 mg，與300 mg干燥的KBr粉末均勻混合進行研磨壓片，于4 000～400 cm-1波長下進行上機測試，分析掃描光譜圖。

1.3.7 X-射線衍射(XRD)分析

稱取氧化前后蘋果渣纖維素1 g，于載物臺上進行掃描，設置參數為：管電壓40 kV，管電流40 mA，銅靶，旋轉2θ角：5～60°，步長0.02°[10]。

1.3.8 持水力(WHC)測定

稱取氧化前后蘋果渣纖維素0.5 g，放入稱重后的離心管中，加蒸餾水75 mL，于25 ℃下保溫24 h，4 000 r/min下離心0.5 h，傾去上清液，濾紙吸干水分，稱重，計算持水力(WHC)[公式(2)]：

(2)

式中：m0，樣品干重，g；m1，樣品濕重，g。

1.3.9 數據分析

所有數據均采用SPSS 16.0(SPSS，Chicago，IL，USA)統計分析軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 高碘酸鈉氧化條件對氧化纖維素醛基含量及樣品保留率的影響

2.1.1 料液比對氧化纖維素醛基含量及保留率影響

由圖1可知，隨料液比增加，氧化纖維素醛基含量呈先增后降趨勢。在料液比分別為1∶10、1∶15、1∶20時醛基含量差異顯著(p<0.05)。當料液比為1∶20時，醛基含量出現最大值，為4.65 mmol/g。料液比大于1∶30時，醛基含量顯著下降。樣品保留率始終持續顯著下降(p<0.05)。其原因可能是開始階段隨著料液比的增加，纖維素氧化程度加深，醛基含量增加；料液比大于1∶20時，纖維素更多地接觸到氧化劑，氧化后纖維素單元結構上的醛基被再度氧化，生成醇、酮、羧基等復雜體系物質[11]，導致醛基含量減少。有研究表明，隨著深度氧化的進行，纖維素葡萄糖單元上對應位置的碳碳鍵斷裂，結晶度降低[12]，因此其溶解性增加，樣品保留率減少。在該試驗范圍內樣品保留率均大于80%，綜合考慮，確定反應料液比為1∶20。

圖1 料液比對氧化纖維素醛基含量及保留率影響Fig.1 Effect of the solid-liquid ratio on the aldehyde group content and retention rate of oxidized cellulose

2.1.2 高碘酸鈉濃度對氧化纖維素醛基含量及保留率影響

由圖2可知，氧化纖維素醛基含量隨高碘酸鈉濃度的增加而增加，相反地，樣品保留率隨高碘酸鈉濃度增加持續顯著降低。高碘酸鈉濃度小于0.5 mol/L時，醛基含量顯著增加。濃度大于0.5 mol/L時，醛基含量增加明顯趨于緩慢，說明此時醛基含量已接近最大值。這可能是由于樣品保留率降低，部分纖維素還未被氧化就溶解，造成了醛基含量增加的局限性。考慮到高碘酸鈉的溶解度，本試驗最終選擇的高碘酸鈉濃度為0.6 mol/L。

2.1.3 時間對氧化纖維素醛基含量及保留率影響

圖2 高碘酸鈉濃度對氧化纖維素醛基含量及保留率影響Fig.2 Effect of the concentration of sodium periodate on the aldehyde group content and retention rate of oxidized cellulose

由圖3可知，氧化纖維素醛基含量隨反應時間的增加呈先增后降趨勢，樣品保留率持續顯著降低。前4 h內，醛基含量顯著增加。超過4 h后，氧化效果達到最大，氧化劑開始與生成的醛基反應使其進一步氧化從而降低了該氧化的效果，也說明該試驗過程反應速率較高。綜合考慮，確定反應時間為4 h。

圖3 時間對氧化纖維素醛基含量及保留率影響Fig.3 Effect of the time on the aldehyde group content and retention rate of oxidized cellulose

2.1.4 溫度對氧化纖維素醛基含量及保留率影響

由圖4可知，氧化纖維素醛基含量隨溫度增加不斷增加，40 ℃時醛基含量達到最大值4.75 mmol/g。溫度大于40 ℃時，醛基含量顯著下降。與此同時，樣品保留率也顯著降低，可能是因為該反應對溫度較為敏感，溫度上升至一定程度時，氧化劑被高溫分解，氧化作用急劇降低，整體反應減緩。較高溫度時樣品保留率較大幅度降低，可能是因為此時反應體系比較復雜，溫度的增加加大了樣品在該條件下溶液中的溶解度。綜合考慮，確定反應溫度為40 ℃。

圖4 溫度對氧化纖維素醛基含量及保留率的影響Fig.4 Effect of the temperature on the aldehyde group content and retention rate of oxidized cellulose

2.1.5 正交試驗優化結果分析

根據單因素試驗結果，設計L9(34)正交試驗如表2所示。此過程旨在優化氧化工藝，確保樣品保留率的同時達到最佳氧化效果。由表2可知，影響蘋果渣纖維素氧化程度的因素主次順序為：高碘酸鈉濃度>料液比>時間>溫度；影響氧化纖維素樣品保留率的因素主次順序為：溫度>高碘酸鈉濃度>時間>料液比。制備氧化纖維素的最優組合為A3B3C2D3，即料液比1∶25(g∶mL)，高碘酸鈉濃度0.6 mol/L，時間4 h，溫度45 ℃。對主要評價指標醛基含量進行了方差分析，結果表明：高碘酸鈉濃度的F比為10.11，大于F臨界值，因此，該因素顯著。由此得出，適宜濃度的高碘酸鈉可使纖維素葡萄糖單元上對應位置的碳碳鍵斷裂，充分釋放羥基，達到高度氧化的效果。對正交試驗的最優組合進行重復試驗，結果為：醛基含量6.02 mmol/g，樣品保留率81.33%，此時醛基含量較優化之前升高。因此，該正交試驗較為成功，也進一步說明正交試驗具有一定的預見性。

本試驗探討樣品保留率的目的是使纖維素氧化程度最高的同時，保證樣品得率，以便應用于實際生產中。由表2及最優組合結果可知，在該試驗范圍內，樣品保留率均大于80%，說明該條件下氧化纖維素樣品保留效果良好。

表2 氧化纖維素正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results of oxidized cellulose

2.2 氧化前后纖維素SEM分析

圖5為1 500倍下氧化前后蘋果渣纖維素掃描電鏡圖。氧化前后整體纖維素條狀結構并未發生明顯改變。觀察其細微變化可看出，圖Ⅱ和Ⅲ中氧化纖維素表面出現一些較小的顆粒狀、片狀物質，這可能是因為氧化試劑沖擊纖維素表面，造成了其部分表皮脫落。圖Ⅲ高氧化程度纖維素出現條狀斷裂現象，可能是由于纖維素氧化過程中打斷了其葡萄糖單元結構上的碳碳鍵，內部結構改變引起了外部形態的變化。綜上，高碘酸鈉氧化對于纖維素外部整體結構的破壞較小，這在一定程度上保證了物質本身的完整度，對于后續深入研究具有很大幫助。

Ⅰ-纖維素;Ⅱ-低氧化程度纖維素;Ⅲ-高氧化程度纖維素圖5 氧化前后纖維素掃描電鏡圖(×1 500)Fig.5 Scanning electron microscopes of cellulose before and after oxidation(×1 500)

2.3 氧化前后纖維素FTIR分析

圖6 氧化前后纖維素紅外譜圖Fig.6 Infrared spectra of cellulose before and after oxidation

2.4 氧化前后纖維素XRD分析

如圖7所示為氧化前后蘋果渣纖維素X-射線衍射譜圖。氧化前后纖維素衍射曲線差別明顯。氧化前纖維素分別在12°及20°附近有纖維素Ⅱ的特征衍射峰[16]，氧化后纖維素在12°特征峰消失。說明氧化后纖維素晶體類型發生了改變，這可能是由于氧化過程中纖維素葡萄糖單元發生了主鍵斷裂及醛基轉化造成的。氧化前后纖維素的衍射峰峰型起伏較大，不平滑，可能是樣品處理過程中的酸堿腐蝕引起的。對比氧化前后衍射峰強度可知，氧化后纖維素衍射峰峰位明顯降低，且氧化程度越高，峰位越低。說明該氧化過程具有降低纖維素結晶度的作用，氧化程度越高，作用越明顯，這對于纖維素的物性改善及其更廣泛應用具有很大幫助。

圖7 氧化前后纖維素X-射線衍射譜圖Fig.7 X-ray diffraction spectra of cellulose before and after oxidation

2.5 氧化前后纖維素WHC分析

表3為氧化前后蘋果渣纖維素持水力測定結果。氧化后纖維素持水力顯著增加(p<0.05)，且氧化程度越高，持水力越大。具體地，兩種不同氧化程度纖維素持水力分別增加了59.88%和77.62%。可能的原因有兩種，一是氧化打開了纖維素環狀結構，使其分散性增加，增大了與水的接觸面積；二是結構方面，氧化過程中纖維素葡萄糖單元上的羥基逐步被醛基取代，醛基相對羥基親水性更大，因此持水力增加。氧化纖維素持水力的增加是纖維素物性改善的重要體現，這對于其日后進一步開發作為保鮮劑類產品在食品保鮮領域的廣泛應用具有現實意義。

表3 氧化前后纖維素的持水力 單位：g/g

注：同一行不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

3 討論

利用高碘酸鈉在非均相體系中氧化蘋果渣纖維素，在單因素試驗基礎上設計L9(34)正交試驗對氧化工藝進行優化。優化結果為：料液比1∶25(g∶mL)，高碘酸鈉濃度0.6 mol/L，時間4 h，溫度45 ℃；此時氧化纖維素醛基含量最高為6.02 mmol/g，樣品保留率81.33%。經掃描電鏡及紅外光譜表征，該衍生物具有明顯的氧化纖維素形態和醛基結構。趙斌等[17]對椰衣纖維進行高碘酸鈉氧化，氧化纖維素醛基含量為3.85 mmol/g。楊揚等[18]對闊葉木漿進行高碘酸鈉氧化，氧化纖維素醛基含量為1.43 mmol/g。本試驗制備的蘋果渣氧化纖維素與其他類似研究相比，醛基含量更高，樣品保留率也較高，這對其日后工業化生產十分有利。

本試驗成功制備了蘋果渣氧化纖維素，因其具有較高的持水力，有望進一步開發作為保鮮劑類產品廣泛應用于食品行業；還因其具有醛基的活性位點及較低的結晶度，可作為進一步改性纖維素的中間體。這是探索新型蘋果渣纖維素衍生物制備的有效途徑，氧化后纖維素更深層次的物性及結構探討今后進將一步研究。

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