甜菜顆粒粕半纖維素及纖維素提取的研究

劉子禎，杜國軍

(齊齊哈爾大學 食品與生物工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

我國黑龍江、新疆、內蒙古等地的制糖企業大都以甜菜為原料生產蔗糖。甜菜在制糖過程中經切絲浸提得到的廢絲稱為廢粕，廢粕通過擠壓除去大部分水分后得到壓粕，壓粕在高溫下干燥壓成顆粒狀，制得顆粒粕[1]。顆粒粕是甜菜制糖的主要副產品，產量非常大，大約占原料甜菜的15%，主要成分是半纖維素和纖維素，并含有一定的微量元素、蛋白質、氨基酸、維生素[2]。當前，纖維素與半纖維素已應用于調味品及食品加工中，對保持食品品質、增加食品營養具有重要作用[3]。半纖維素具有良好的生物相容性、可生物降解性、價格低廉等特點，在合成水凝膠方面也有獨特的優勢[4-5]。另外，半纖維素在生物醫學和藥物傳遞材料領域也有較多的應用[6-8]。纖維素可以改善人體胃腸功能，減輕腸道炎癥，抑制結直腸腫瘤的發生[9]。除此之外，纖維素還具有治療糖尿病、降低血壓、減少肥胖癥和便秘的發生、清除有害物質等作用[10]。

目前，甜菜顆粒粕主要作為動物飼料加以利用，用途單一，利潤較低。如能從中提取半纖維素及纖維素，可以增加甜菜顆粒粕的附加值，提高制糖企業的經濟效益，具有良好的應用前景。半纖維素多采用堿法提取[11]，使用的提取試劑一般為經濟適用的氫氧化鈉。纖維素常用的提取方法有粗分離法和酸提取法[12-13]，經酸處理提取的纖維素以其純度高、功能性強的優點廣為采用，常使用乙酸作為提取試劑，此法雖對環境有一定的污染，但可以進行乙酸回收加以解決[14]。故本試驗采用氫氧化鈉提取半纖維素、乙酸提取纖維素，以期為甜菜顆粒粕的開發利用開拓出一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試劑

甜菜顆粒粕：黑龍江東方瑞雪糖業有限公司；氫氧化鈉：無錫市晶科化工有限公司；無水乙醇：濟南鑫偉達化工有限公司；乙酸：濟南喬富化工有限公司；檸檬酸：天津市科密歐化學試劑有限公司；木瓜蛋白酶：河北潤步生物科技有限公司。

1.2 儀器及設備

TW80高能粉碎機 天津泰斯特儀器公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋 常州金壇良友儀器有限公司；SHZ-D循環水抽濾機 鞏義瑞德儀器設備有限公司；BS124S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司；TG29G高速離心機、DHG-9030A電熱恒溫干燥箱 上海高致精密儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料處理

甜菜顆粒粕利用檸檬酸去除果膠[15]，木瓜蛋白酶去除蛋白[16]，烘干粉碎，過60目篩，用真空封口袋密封，置于干燥器中保存，待用。

1.3.2 氫氧化鈉提取半纖維素

將處理過的甜菜顆粒粕在一定溫度下與氫氧化鈉溶液按比例混合，充分反應后，抽濾得到濾液，pH值調為5.0，加入乙醇沉淀后得到半纖維素。以料液比、氫氧化鈉溶液濃度、溫度、時間為因素，通過單因素試驗和正交試驗研究各因素對半纖維素產率的影響。

1.3.3 乙酸提取纖維素

將抽濾得到的濾渣在一定溫度下與乙酸溶液按比例混合，充分反應后，除去殘留的木質素，得到纖維素。以料液比、乙酸溶液濃度、溫度，時間為因素，通過單因素試驗和正交試驗研究各因素對纖維素產率的影響。

2 結果與討論

2.1 不同條件對氫氧化鈉提取半纖維素的影響

2.1.1 料液比對半纖維素產率的影響

稱取適量去除果膠的甜菜顆粒粕，分別按料液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35加入5%氫氧化鈉溶液，在30 ℃條件下反應6 h，研究料液比對半纖維素產率的影響，試驗結果見圖1。

圖1 料液比對半纖維素產率的影響Fig.1 The effect of solid-liquid ratio on the yield of hemicellulose

由圖1可知，料液比低于1∶25時，隨著料液比的增加，半纖維素產率也隨之升高，在料液比為1∶25時，半纖維素產率最高，達到8.95%，隨后開始下降。因此，確定氫氧化鈉提取半纖維素的最適料液比為1∶25。

2.1.2 氫氧化鈉溶液濃度對半纖維素產率的影響

稱取適量去除果膠的甜菜顆粒粕，分別按料液比1∶25，加入濃度為3%、5%、7%、9%、11%的氫氧化鈉溶液，在30 ℃條件下反應6 h，研究氫氧化鈉溶液濃度對半纖維素產率的影響，試驗結果見圖2。

圖2 氫氧化鈉溶液濃度對半纖維素產率的影響Fig.2 The effect of sodium hydroxide solution concentration on the yield of hemicellulose

由圖2可知，氫氧化鈉溶液濃度低于9%時，半纖維素產率隨著濃度的增加而升高，在濃度為9%時，半纖維素產率最高，達到10.2%，隨后開始下降。因此，確定氫氧化鈉提取半纖維素的最適溶液濃度為9%。

2.1.3 溫度對半纖維素產率的影響

稱取適量去除果膠的甜菜顆粒粕，按料液比為1∶25，加入9%氫氧化鈉溶液，分別在30，40，50，60，70 ℃條件下反應6 h，研究溫度對半纖維素產率的影響，試驗結果見圖3。

圖3 溫度對半纖維素產率的影響Fig.3 The effect of temperature on the yield of hemicellulose

由圖3可知，溫度低于50 ℃時，半纖維素產率隨著溫度的升高而增加，溫度為50 ℃時，半纖維素產率最高，達到14.22%，高于50 ℃后開始下降。因此，確定氫氧化鈉提取半纖維素的最適溫度為50 ℃。

2.1.4 時間對半纖維素產率的影響

稱取適量去除果膠的甜菜顆粒粕，按料液比1∶25，加入9%氫氧化鈉溶液，在50 ℃條件下分別反應2，4，6，8，10 h，研究時間對半纖維素產率的影響，試驗結果見圖4。

圖4 時間對半纖維素產率的影響Fig.4 The effect of time on the yield of hemicellulose

由圖4可知，反應時間低于6 h時，半纖維素產率隨著時間的增加而升高，在時間為6 h時，半纖維素產率最高，達到14.71%，高于6 h后開始下降。因此，確定氫氧化鈉提取半纖維素的最適時間為6 h。

2.1.5 氫氧化鈉提取半纖維素的正交試驗結果

在單因素試驗的基礎上，以料液比、氫氧化鈉溶液濃度、時間、溫度為因素進行L9(34)正交試驗設計，優化提取半纖維素的工藝，因素水平設計及試驗結果見表1～表3。

表1 氫氧化鈉提取半纖維素正交試驗因素與水平設計Table 1 The factors and levels design of orthogonal test for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

表2 氫氧化鈉提取半纖維素的正交優化試驗結果Table 2 The results of orthogonal test for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

表3 氫氧化鈉提取半纖維素的正交試驗結果分析Table 3 Analysis of orthogonal test results for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

由表1～表3可知，影響半纖維素產率的各因素主次關系為：氫氧化鈉溶液濃度>時間>溫度>料液比。氫氧化鈉提取半纖維素的最佳工藝條件為：氫氧化鈉溶液濃度11%、時間6 h、溫度60 ℃、料液比1∶30，此時半纖維素的產率為22.7%。

2.2 不同條件對乙酸提取纖維素的影響

2.2.1 料液比對纖維素產率的影響

稱取適量處理后的甜菜顆粒粕濾渣，分別按料液比為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40加入5%的乙酸溶液，水浴加熱溫度50 ℃，反應1 h，研究料液比對纖維素產率的影響，試驗結果見圖5。

圖5 料液比對纖維素產率的影響Fig.5 The effect of solid-to-liquid ratio on the yield of cellulose

由圖5可知，料液比低于1∶25時，隨著料液比的增加，纖維素產率也隨之升高，當料液比為1∶25時，纖維素產率最高，達到20.49%，隨后開始下降。因此，確定乙酸提取纖維素的最適料液比為1∶25。

2.2.2 乙酸溶液濃度對纖維素產率的影響

稱取適量處理后的甜菜顆粒粕濾渣，按料液比1∶30分別加入5%、10%、15%、20%、25%的乙酸溶液，水浴加熱溫度50 ℃，反應1 h，研究乙酸溶液濃度對纖維素產率的影響，試驗結果見圖6。

圖6 乙酸溶液濃度對纖維素產率的影響Fig.6 The effect of acetic acid solution concentration on the yield of cellulose

由圖6可知，乙酸溶液濃度低于10%時，纖維素產率隨著濃度的增加而升高，當濃度為10%時，纖維素產率最高，達到22.22%，隨后開始下降。因此，確定乙酸提取纖維素的最適溶液濃度為10%。

2.2.3 溫度對纖維素產率的影響

稱取適量處理后的甜菜顆粒粕濾渣，按料液比1∶30加入15%乙酸溶液，分別在50，60，70，80，90 ℃的條件下反應1 h，研究溫度對纖維素產率的影響，試驗結果見圖7。

圖7 溫度對纖維素產率的影響Fig.7 The effect of temperature on the yield of cellulose

由圖7可知，溫度低于60 ℃時，纖維素產率隨著溫度的升高而增加，溫度為60 ℃時，纖維素產率最高，達到21.26%，高于60 ℃后開始下降。因此，確定乙酸提取纖維素的最適溫度為60 ℃。

2.2.4 時間對纖維素產率的影響

稱取適量處理后的甜菜顆粒粕濾渣，按料液比1∶30加入10%乙酸溶液，在60 ℃條件下分別反應1，1.5，2，2.5，3 h，研究時間對纖維素產率的影響，試驗結果見圖8。

圖8 時間對纖維素產率的影響Fig.8 The effect of time on the yield of cellulose

由圖8可知，反應時間低于2 h時，纖維素產率隨著時間的增加而升高，當時間為2 h時，半纖維素產率最高，達到22.82%，高于2 h后開始下降。因此，確定乙酸提取纖維素的最適時間為2 h。

2.2.5 乙酸提取纖維素的正交試驗結果

在單因素試驗的基礎上，以料液比、乙酸溶液濃度、溫度、時間為因素進行L9(34)正交試驗設計，優化乙酸提取纖維素的提取工藝，因素水平設計及試驗結果見表4～表6。

表4 乙酸提取纖維素的正交試驗因素與水平設計Table 4 The factors and levels design of orthogonal test for extraction of cellulose with acetic acid

表5 乙酸提取纖維素的正交試驗結果Table 5 The results of orthogonal test for extraction of cellulose with acetic acid

表6 乙酸提取纖維素的正交試驗結果分析Table 6 Analysis of orthogonal test results for extraction of cellulose with acetic acid

由表4～表6可知，影響纖維素產率的各因素主次關系為：乙酸溶液濃度>時間>溫度>料液比。乙酸提取纖維素的最佳工藝條件為：乙酸溶液濃度為15%、時間1.5 h、溫度60 ℃、料液比1∶25，此時纖維素的產率為22.88%。

3 結論

以除去果膠及蛋白質的甜菜顆粒粕為原料，采用氫氧化鈉提取半纖維素，通過單因素試驗和正交試驗確定了半纖維素的最佳提取工藝為：氫氧化鈉溶液濃度11%、料液比1∶30、溫度60 ℃、時間6 h，半纖維素產率為22.7%；采用乙酸除去殘留的木質素，獲得纖維素，通過單因素試驗和正交試驗確定了纖維素的最佳提取工藝為：乙酸溶液濃度15%、料液比1∶25、溫度60 ℃、時間1.5 h，纖維素產率為22.88%。