玉米秸稈微晶纖維素制備及其在可食膜中的應用

李帥，谷雨，魏登

（吉林農業科技學院，吉林 吉林 132101）

微晶纖維素（microcrystalline cellulose，MCC）是一種純化的、由稀酸水解部分解聚的纖維素，無臭、無味的白色或近白色[1]，由多孔微粒組成的結晶粉末。應用面較廣且優異性能突出。由于微晶纖維素具有較多優良性能，國內外需求不斷增長，更多的用途也相繼被開發出來。將微晶纖維素添加至復合材料中可提高其性能，已成為目前研究的熱點之一。

我國玉米秸稈的年產量可達2.2 億噸，相反玉米秸稈的利用率較低，造成極大的資源浪費。玉米秸稈中含有豐富的纖維素，可至30%～40%。因此以玉米秸稈為原料進行微晶纖維素的制備，這一舉措不僅可以顯著提高資源利用率，同時也會產生可觀的經濟效益。目前已有微晶纖維素制備相關報道，主要從菠蘿葉、稻草、蔗渣等制備，而以玉米秸稈為原材料制備微晶纖維素卻鮮有報道[2]。

可食膜通常具有一定程度的機械性能以及阻隔性能，并且在微生物的作用下可以完全降解，是一種無毒、無害、無污染并具有一定營養價值的膜狀材料[3-4]。大豆分離蛋白膜具有較好的阻氣性和阻油性，但機械性能差，且易于吸濕。而微晶纖維素具有較強的剛性、結晶度和力學性能等，可提高可食膜的機械強度和阻隔性。

本文以大豆分離蛋白為成膜基材，并添加微晶纖維素，通過流延方法制備可食膜，利用單因素試驗研究酸解溫度、酸解時間和硫酸體積分數對膜性能的影響，應用響應面試驗法建立各因素間的數學模型，得到可食膜備的最佳工藝條件，為可食膜的生產提供參考。

1 材料與設備

1.1 材料與試劑

試驗材料與試劑詳見表1。

表1 試驗材料與試劑Table 1 Experimental materials and reagents

1.2 儀器與設備

試驗儀器與設備詳見表2。

表2 試驗儀器與設備Table 2 Experimental instruments and equipment

續表2 試驗儀器與設備Continue table 2 Experimental instruments and equipment

2 方法

2.1 玉米秸稈中纖維素的提取

取玉米秸稈干燥至恒重，去葉，切段，沸水煮1 h，粉碎處理3 min，篩分。將玉米秸稈粉末和蒸餾水按質量比 1∶12 混合，沸水煮 10 min 過濾，取濾渣；按照料液比1∶10（g/mL）的比例，向原材料玉米秸稈粉末中加入3%的NaOH 溶液，調節pH 值為12，取出冷卻后過濾，用蒸餾水沖洗濾渣直至pH 值為7；按料液比1∶2（g/mL）向濾渣中加入 10%HCl 溶液，調 pH 值為1～2。然后將混合物置于60℃進行水浴2 h。后冷卻過濾，蒸餾水洗濾渣至 pH 值至 7；再以 1∶10（g/mL）加入次氯酸鈉漂白，后用10%HCl 溶液將pH 值調至4～5，然后放入80℃水浴中連續攪拌2 h 使其脫色，用蒸餾水沖洗濾渣直至pH 值為7；最后，用95%乙醇脫水處理，置于50℃恒溫干燥箱中烘干[5]。

2.2 微晶纖維素制備工藝流程

玉米秸稈微晶纖維素（corn stalk microcrystalline cellulose，CSCMC）→H2SO4水解→振蕩→離心→洗滌至中性→干燥→粉碎→過篩→微晶纖維素

2.3 微晶纖維素含量的測定

采用重鉻酸鉀氧化還原法進行CSCMC 含量的測定。具體操作：精密稱取約0.125 g 樣品，移入洗凈的錐形瓶中，加入25 mL 水，然后準確地把50 mL 重鉻酸鉀（重鉻酸鉀4.903 g，加水使其溶解并緩慢加至200 mL）加入其中，混勻，緩緩入加硫酸100 mL，邊加入邊用玻璃棒攪拌，防止硫酸液體飛濺。然后將混合液放在水浴鍋中，迅速加熱至沸，常溫下自然冷卻后，將其引流到250 mL 量瓶當中，用蒸餾水進行定容并充分混勻，從中精確取出50 mL 混合液，另滴加指示液（鄰二氮菲）約3 d，用滴定液（0.1 mol/L 硫酸亞鐵銨）進行準確滴定，反應終點的表現即為反應液呈灰綠色，空白試驗排除誤差。其中，每消耗0.1 mol/L 硫酸亞鐵銨滴定液1 mL 相當于0.675 mg 纖維素。

2.4 微晶纖維素得率的計算

式中：V空為空白消耗硫酸亞鐵銨滴定液的體積，mL；V樣為樣品消耗硫酸亞鐵銨滴定液的體積，mL；C 為硫酸亞鐵銨滴定液的濃度，mol/L；W 為玉米秸稈質量，g；Y 為微晶纖維素得率，%。

2.5 微晶纖維素提取單因素試驗

選取對CSCMC 得率影響較為顯著的硫酸體積分數、酸解溫度、酸解時間3個因素，試驗設計方案見表3。

表3 單因素試驗水平表Table 3 Levels of single factor experiment

2.6 微晶纖維素提取響應面試驗

選取酸解溫度（X1）、硫酸體積分數（X2）、酸解時間（X3）為試驗因素，以 CSMCC 得率（Y）為響應值，試驗設計方案見表4。

表4 響應面分析因素水平表Table 4 Factors and levels of response surface

2.7 玉米秸稈微晶纖維素在可食膜中的應用

2.7.1可食膜制備

稱取大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）3.5 g/100 mL，溶于蒸餾水中，并不斷攪拌使之分散，并置于80℃恒溫水浴中加熱30 min，加入適量的丙三醇溶液，充分攪拌。用氫氧化鈉溶液調節pH 值，將混合的液體倒入燒杯中，添加一定量制備好的CSCMC，不斷攪拌使之均勻。真空脫氣（0.09 MPa，2 h），流延成膜。空白對照無微晶纖維素添加[6]。

2.7.2 膜性能指標測定

2.7.2.1 抗張強度（tensile strength，TS）

參照GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的測定》進行測定。

式中：F 為試樣斷裂時承受的最大張力，N；A 為試驗前試樣的橫截面積，mm2。

2.7.2.2 斷裂伸長率（elongation，E）

斷裂伸長率是指膜受到張力至斷裂時所增加的長度與原試樣長度的百分比。

即：

式中：L0為膜樣測試前的長度，mm；L 為膜樣在斷裂時的長度，mm。

2.7.2.3 水蒸氣透過系數（moisture vapor permeability，WVP）

參照GB/T 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法（杯式法）》和GB/T 16928-1997《包裝材料試驗方法》進行測定。

2.7.2.4 氧氣透過率（oxygen permeability，OP）

參照GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法》壓差法進行測定[7]。

2.7.3 微晶纖維素對可食膜性能的影響

以 SPI 為原料，MCC 添加量 0.5、0.75、1、1.25、1.5 g/100 mL，同時進行空白試驗，考察其對SPI 膜機械性能和阻隔性能的影響。

3 結果與分析

3.1 單因素試驗結果與分析

3.1.1 酸解溫度對CSCMC 得率的影響

從長遠來看，推動華文教育的發展，需要大規模地開展海外華文教師的學歷教育，為有需要的國家和地區造就各層次“科班”出身的漢語教師，這是海外華文教師專業化的必由之路；但是面對當前國際情勢，特別是東南亞漢語師資的迫切需求，為有需要國家的各級各類學校和語言培訓機構提供短期師資培訓，也是一種見效快，受益面廣的途徑。通過“中國尋根之旅”活動開展華文教育，在活動期間安排短期師資培訓，就是一種推廣漢語、增加華裔青少年華語學習興趣，進一步為漢語師資預備，緩解燃眉之急的好方法。

酸解溫度對CSCMC 得率的影響見圖1。

圖1 酸解溫度對CSCMC 得率的影響Fig.1 Effects of acid hydrolysis temperature on CSCMC yield

如圖1所示，隨著酸解溫度的增加，CSCMC 的得率逐漸增大。這是由于CSCMC中糖苷鍵的活化能隨溫度升高也隨之增加，故斷裂程度增大，聚合度降低，得率增加；當溫度超過75℃時，CSCMC 的得率逐漸降低，這是因為高溫導致小的纖維素片段降解為小分子糖，使得率降低[2]。因此，酸解最佳溫度為75℃。

3.1.2 硫酸體積分數對CSCMC 得率的影響

酸解體積分數對CSCMC 得率的影響見圖2。

圖2 硫酸體積分數對CSCMC 得率的影響Fig.2 Effects of sulfuric acid volume fraction on CSCMC yield

如圖2 看出，隨著硫酸體積分數的不斷增加，CSCMC 得率逐漸增大。這是由于當硫酸體積分數過低時，體系環境中的酸度較低，對玉米秸稈纖維素的降解力度較低；后隨著硫酸體積分數增加，當硫酸體積分數超過8%時，CSCMC 得率降低，這是因為硫酸質量分數過高時，纖維素又過度降解，導致MCC 的得率下降。因此，硫酸最佳體積分數為8%。

3.1.3 酸解時間對CSCMC 得率的影響

酸解時間對CSCMC 得率的影響見圖3。

圖3 酸解時間對CSCMC 得率的影響Fig.3 Effects of acid hydrolysis time on CSCMC yield

如圖3所示。可以看出，隨著酸解時間的增加，CSCMC 得率呈現先增后減的的趨勢。這是因為隨著反應時間的延長，CSCMC 分子糖苷鍵斷裂程度增大，得率增加[8]。當時間繼續增加超過80 min 時，得率逐漸降低，這是由于導致過長的反應時間導致部分纖維素水解成葡萄糖，使得率降低。因此最佳酸解時間為80 min。

3.2 響應面優化試驗結果與分析

3.2.1 響應面模型的建立與分析

表5 響應面試驗方案及結果Table 5 Design and result of Box-Behnken

選取酸解溫度（X1）、硫酸體積分數（X2）、酸解時間（X3）為試驗因素，CSCMC 的得率（Y）為響應值，多元回歸擬合得到的回歸方程為：

Box-Behnken 分析結果如表6所示。

表6 Box-Behnken 結果分析Table 6 Analysis of results of Box-Behnken design

對二次回歸方程進行方差分析經其顯著性分析可知，其中回歸模型的差異已達到了極顯著的差異水平（即 P〈0.000 1）模型 P=0.000 1，表明該二次回歸模型差異極顯著。失擬項P=0.199 8，不顯著；決定系數R2=0.995 5，建立的回歸方程和試驗測試的實際結果在很大程度上兩者保持一致，即試驗結果的測量誤差較小，模型能夠在一定范圍內分析和預測響應值評分Y[9]。建立的回歸模型當中，眾多模型之間：X3、X12、X22、X32、X1X2、X1X3的影響極顯著，X1、X2、X2X3顯著。

3.2.2 響應面及等高線分析結果

利用Design-Expert 7.1.3 軟件對二次回歸方程進行分析，得到三因素間兩兩交互作用對CSMCC 得率影響的等高線圖和響應面三維立體圖4～圖6。

圖4 酸解溫度與硫酸體積分數交互作用對CSCMC 得率的影響Fig.4 Effect of interaction between acid hydrolysis temperature and sulfuric acid volume fraction on CSCMC yield

圖5 酸解溫度與酸解時間交互作用對CSCMC 得率的影響Fig.5 Effect of interaction between acid hydrolysis temperature and acid hydrolysis time on CSCMC yield

圖6 酸解時間與硫酸體積分數交互作用對CSCMC 得率的影響Fig.6 Effect of interaction between acid hydrolysis time and sulfuric acid volume fraction on CSCMC yield

通過考察響應曲面的變化情況以及等高線的稀疏程度可以直觀地反映出酸解溫度（X1）、硫酸體積分數（X2）、酸解時間（X3）3個因素間兩兩交互作用對MCC得率的影響。其中當等高線呈馬鞍形或橢圓形時表明交互作用顯著；但當等高線呈圓形時表明交互作用不顯著[10-11]。因此影響CSCMC 得率（Y）的主次順序為酸解時間、酸解溫度、硫酸體積分數，即 X3〉X1〉X2。

3.2.3 回歸方程綜合尋優與試驗驗證

根據二次回歸方程預測：當酸解溫度75.34℃、硫酸體積分數8.03%、酸解時間86.20 min 時，CSCMC 得率為62.67%。考慮到實際操作方便和節省開支等因素，工藝參數修正為：酸解溫度75℃、硫酸體積分數8 %、酸解時間86 min，采用修改后的工藝參數進行試驗，CSCMC 得率為63.27%。

3.3 玉米秸稈微晶纖維素在可食膜中的應用

3.3.1 微晶纖維素添加量對可食膜機械性能（TS、E）的影響

CSCMC 添加量對可食膜機械性能的影響見圖7。

圖7 CSCMC 添加量對可食膜機械性能的影響Fig.7 Effect of CSCMC addition on mechanical properties of edible film

如圖7所示。隨著CSCMC 添加量的增加，可食膜的TS 呈現先增大后減小、E 逐漸減小的趨勢，這是由于添加了CSCMC 的SPI 膜結構變得更為致密，柔韌性降低，TS 增大；當CSCMC 的添加量繼續增加時，過多的CSCMC 在SPI 膜液中產生團聚現象，導致其分散性降低，可食膜結構松散，甚至出現龜裂，表現為TS 和E均顯著降低[12]。

3.3.2 微晶纖維素添加量對可食膜阻隔性能（WVP、OP）的影響

CSCMC 添加量對可食膜阻隔性能的影響見圖8。

圖8 CSCMC 添加量對可食膜阻隔性能的影響Fig.8 Effect of CSCMC addition on the barrier properties of edible film

如圖8所示。隨著CSCMC 添加量的增加，可食膜的WVP、OP 呈現先減小后增大的趨勢，這是由于隨著CSCMC 的增加，使得SPI 與CSCMC 之間形成分子間氫鍵，從而形成了致密網狀結構，降低了水蒸氣和氧氣的透過性，使得 WVP、OP 減小[13]。然而，隨著 CSCMC的添加量繼續增加，減少了分子間氫鍵的形成，使得網狀結構疏松，更多的水蒸氣和氧氣穿透可食膜，降低了可食膜的阻隔性能，使得可食膜WVP 和OP 增加。

4 結論

通過響應面法優化試驗結果得出微晶纖維素制備最佳工藝：酸解溫度75℃、硫酸體積分數8%、酸解時間86 min，CSCMC 得率為63.27%。隨玉米秸稈微晶纖維素添加量的增加，大豆分離蛋白膜的抗拉強度呈現先增大后減小、斷裂伸長率逐漸減小的趨勢；水蒸氣透過系數、氧氣透過率呈現先減小后增大趨勢。