超聲輔助堿性過氧化氫法提取玉米皮纖維素及結構表征

徐 忠, 馮昕寧, 谷 芳, 趙 丹

(哈爾濱商業大學食品工程學院，哈爾濱 150076)

玉米是我國的主要糧食作物，年產量約為2.5億t，玉米麩皮是玉米淀粉加工的副產物，產量占玉米總量的14%～20%，玉米皮主要是作為飼料使用，附加值較低[1,2]，玉米皮中富含膳食纖維、玉米黃色素和玉米多酚等活性成分[3-5]，高附加值開發潛力大，玉米皮纖維素屬于膳食纖維中的不溶性膳食纖維，可以作為膳食纖維和膜材料等應用在食品和醫藥等行業，還可以通過降解和改性等技術制備葡萄糖和纖維素衍生物等產品[6-8]。纖維素的提取方法主要有酸法、堿法和堿性過氧化氫法[9-11]，酸法提取溫度高，產品顏色深，堿法和堿性過氧化氫法提取溫度低、時間短，可以更有效分離半纖維素和木質素，能夠較好地解決纖維素含量低和產品色澤差的問題。

本研究以玉米皮為原料，利用超聲輔助堿性過氧化氫法提取玉米皮纖維素，在單因素實驗的基礎上，設計響應面優化試驗，優化玉米皮纖維素的提取工藝；并利用掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、X-射線衍射儀、熱重分析儀和激光粒度分析儀對玉米皮纖維素的微觀形貌、化學結構、結晶結構、熱穩定性和粒度分布進行表征，為玉米皮的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米皮；正己烷、氫氧化鈉、過氧化氫、無水乙醇和硝酸等均為分析純。

1.2 實驗儀器與設備

KQ-500DE超聲波清洗器，TG16-WS型離心機，SHZ-DШ循環水式真空泵，TA SDTQ600型綜合熱分析儀，X'Pert Pro型X-射線衍射儀，HITACHI SU5000型掃描電子顯微鏡，BT-9300ST型激光粒度分析儀。

1.3 方法

1.3.1 玉米皮的預處理

用高速粉碎機對自然晾干后的玉米皮進行粉碎，粉碎后的玉米皮過80目篩，利用正己烷常溫下脫脂，以料液比1∶10 g/mL加入蒸餾水，調節pH為6.5，加入耐高溫淀粉酶在95 ℃下攪拌4 min，然后迅速冷卻到50 ℃，調節pH為7.5，加入中性蛋白酶后攪拌3 h，抽濾，用蒸餾水洗滌濾渣3次，恒溫烘干箱50 ℃烘干，儲存備用。

1.3.2 玉米皮纖維素的提取

取10 g預處理后的玉米皮放入干燥的燒杯中，按1∶30的料液比，加入6%的NaOH和0.7%的H2O2混合溶液(300 mL)，置于200 W的超聲波清洗器中70 ℃反應60 min，反應結束后抽濾，濾渣用熱的蒸餾水洗至中性，50 ℃烘干，粉碎過80目篩，得到的固體粉末即玉米皮纖維素。

1.3.3 單因素實驗

選擇固液比、超聲溫度、超聲時間、超聲功率、NaOH質量分數、H2O2體積分數為考察因素，分別考察固液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)，超聲溫度(40、50、60、70、80 ℃)，超聲時間(50、60、70、80、90 min)，超聲功率(150、200、250、300、350 W)，NaOH質量分數(4%、6%、8%、10%、12%)，H2O2體積分數(0.5%、0.7%、0.9%、1.1%、1.3%)對玉米皮纖維素含量的影響。

1.3.4 響應面分析實驗

在單因素實驗基礎上，選擇超聲條件因素和對纖維素含量影響較大的因素為響應面自變量，以纖維素含量為響應指標，采用Box-Behnken模型設計四因素三水平響應面實驗，因素水平見表1。

表1 響應面實驗因素水平

1.3.5 纖維素含量測定

參照王林風等[12]的方法測定，稱取樣品1.00 g(m0)，加入25 mL硝酸-乙醇混合液(體積比為1∶4)，冷凝回流1 h，重復此操作數次直至纖維變白，抽濾除去溶劑，然后用10 mL硝酸-乙醇混合液洗滌殘渣，再用熱水洗滌直至洗滌液不顯酸性，最后用無水乙醇洗滌2次，將濾渣烘干至恒重后稱重(m1)。計算公式：纖維素質量分數=m1/m0×100%

1.4 結構分析

1.4.1 掃描電鏡分析(SEM)

采用熱場發射掃描電鏡觀察玉米皮和玉米皮纖維素的表面形貌，取樣品粉末固定，噴金，掃描電鏡觀察，加速電壓為5 kV。

1.4.2 紅外光譜分析(FTIR)

分別稱取少量玉米皮和玉米皮纖維素纖維素樣品，加入定量的溴化鉀進行混合，在瑪瑙研缽中研磨均勻后壓片，利用傅里葉變換紅外光譜儀，得到紅外光譜圖。

1.4.3 X-射線衍射分析(XRD)

分別將玉米皮和玉米皮纖維素研磨成粉末狀，利用X'Pert Pro型X射線衍射儀測定其X-射線衍射圖譜，測試衍射角2θ范圍是1°～60°，掃描速度為0.02(°)/s。

1.4.4 熱重分析(TGA)

采用TA SDTQ600綜合熱分析儀測定玉米皮和玉米皮纖維素熱重曲線，以氮氣為載氣，設定溫度區間為0～800 ℃，流量為 30 mL/min，升溫速率為10 ℃/min。

1.4.5 粒度分析

采用BT-9300ST型激光粒度分布儀測定玉米皮和玉米皮纖維素纖維素的粒度分布，參數設置：散射光角度固定為90°，溫度為25 ℃，光源為固定激光，操作波長為658 nm，運行20 s，顆粒的折射指數為1.53。

1.5 數據統計與分析

所有實驗均重復3次并取平均值。利用Excel 2007軟件進行數據統計，Origin 2018進行作圖，Design-Expert 8進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 超聲時間對玉米皮纖維素含量的影響

不同超聲時間對玉米皮纖維素含量的影響如圖1所示。纖維素的含量隨著超聲提取時間的增加呈現先升后降的趨勢。在70 min之前，隨著超聲時間的增加，玉米皮原料中半纖維素和木質素等雜質與提取溶液充分反應，纖維素含量上升，超聲提取時間為70 min時纖維素含量達到最大，超過70 min后纖維素發生部分降解使纖維素含量下降[13]。

2.1.2 超聲溫度對玉米皮纖維素含量的影響

圖1為超聲溫度對玉米皮纖維素含量的影響，纖維素的含量隨著超聲提取溫度的升高呈現先升后降的趨勢。當超聲提取溫度低于70 ℃時，隨著提取溫度的升高，溶液中堿和過氧化氫的反應活性增大，促進半纖維素和木質素的溶解，纖維素含量不斷上升，當提取溫度達到70 ℃時，纖維素含量達到最大值，當溫度高于70 ℃時，會導致纖維素發生部分降解，纖維素含量下降[13]。

2.1.3 超聲功率對玉米皮纖維素含量的影響

由圖1可知，纖維素的含量隨著超聲提取功率的升高呈現先升后降的趨勢。當超聲功率低于200 W時，隨著超聲功率的增加，超聲波振動頻率增大，促進了半纖維素和木質素的溶解，玉米皮纖維素含量隨之升高，當超聲功率達到200 W時，纖維素含量達到最大值。當超聲功率高于200 W時，超聲波產生的微射流會對玉米皮纖維素產生較大的沖擊力，從而破壞纖維素的結構，引起纖維素分子斷裂，導致纖維素含量下降[13]。

2.1.4 料液比對玉米皮纖維素含量的影響

由圖1可知，纖維素含量隨料液比的增大而呈現先升后降的趨勢。當料液比小于1∶30時，隨著料液比的增加，玉米皮與溶液的接觸程度不斷增大，半纖維素和木質素逐漸被水解去除，當料液比達到1∶30時纖維素含量達到最大，在料液比大于1∶30時，纖維素結晶區遭到破壞后氫鍵斷裂，發生過度水解，纖維素含量下降[14]。

2.1.5 NaOH質量分數對玉米皮纖維素含量的影響

由圖1可知，玉米皮纖維素含量隨著NaOH質量分數的增加呈現先升后降的趨勢。分析原因，當NaOH質量分數為4%～8%時，隨著NaOH質量分數的增大，溶液溶解能力增強，對溶液半纖維素和木質素的清除能力提升，所得提取物纖維素含量隨之增大，在NaOH質量分數為8%時，纖維素含量達到最大。繼續增加NaOH質量分數，部分纖維素會被分解，導致纖維素含量下降，并且會影響纖維素的色澤[9]。

圖1 不同反應因素對玉米皮纖維素含量的影響

2.1.6 H2O2體積分數對玉米皮纖維素含量的影響

由圖1可知，玉米皮纖維素含量隨H2O2體積分數的增加呈現先升后降的趨勢。當H2O2體積分數為0.4%～0.7%時，隨著H2O2體積分數的增加，溶液氧化能力增強，對玉米皮中的木質素去除能力提高，從而使纖維素含量增加，在H2O2體積分數為0.7% 時，纖維素含量達到最大。繼續增加H2O2體積分數，部分纖維素會被氧化分解，導致纖維素含量下降[15]。

2.2 響應面分析實驗

2.2.1 響應面模型建立與顯著性檢驗

表2 響應曲面實驗設計及其結果

表3 玉米皮纖維素提取工藝的回歸分析

2.2.2 響應面分析

通過對建立的回歸模型進行響應面分析，得到各因素交互作用對提取物纖維素含量影響進行響應面分析，結果可知，超聲溫度和NaOH質量分數對提取物纖維素含量的交互作用影響最顯著；超聲溫度和超聲功率對提取物纖維素含量的交互作用影響較顯著；其次是超聲時間和超聲溫度對提取物纖維素含量的交互作用影響、超聲時間和NaOH質量分數對提取物纖維素含量的交互作用影響及超聲功率和NaOH質量分數對提取物纖維素含量的交互作用影響；超聲時間和超聲功率對提取物纖維素含量的交互作用影響較小。

2.2.3 優化工藝條件確定及驗證性試驗

利用Design-Expert軟件求解二次多項式回歸方程得到玉米皮纖維素工藝的最佳條件為：超聲時間為73.05 min，超聲溫度為71.38 ℃，超聲功率為200.14 W，NaOH用量為8.18%，最佳纖維素質量分數為83.359 7%。由于實際條件受到一定的限制，將工藝條件修正為：超聲時間為70 min，超聲溫度為70 ℃，超聲功率為200 W，NaOH質量分數為8%。為了驗證最佳條件的可靠性，在此條件下做3組重復實驗，纖維素質量分數分別為83.2%、83.6%和83.8%，求平均值為83.53%，與理論值的相對誤差為0.002 3%。因此響應面優化法得到的最佳工藝條件具有使用價值。

2.3 玉米皮纖維素的表征

2.3.1 紅外光譜分析(FTIR)

圖2 玉米皮和玉米皮纖維素的紅外光譜圖

2.3.2 掃描電鏡分析(SEM)

由圖3可以看出，玉米皮表面比較光滑和平整，結構緊密，隨機分布有少量塊狀物，玉米皮纖維素的表面則出現褶皺結構，塊狀物也較少，這是因為堿性過氧化氫提取過程中玉米皮的細胞壁結構受到破壞，表面因纖維素分子聚集變得粗糙，表面包覆的半纖維素及木質素被降解，使得玉米皮纖維素裸露出來[16]。

圖3 玉米皮和玉米皮纖維素的掃面電鏡圖(× 5 000)

2.3.3 X-射線衍射分析(XRD)

由圖4可以看出，處理前后二者的纖維素特征峰位置基本一致，只是衍射強度不同，說明玉米皮經堿性過氧化氫溶液提取后原有的纖維素晶型沒有發生改變。玉米皮的XRD圖譜中在21.57°處出現強衍射峰，在15.01°、34.41°處出現弱的衍射峰，可以確定玉米皮纖維素屬于纖維素I型。纖維素的XRD圖譜中在15.3°、34.5°出現了低強度峰，在22.07°出現了高強度峰，峰型較窄和尖銳，這是由于纖維素結晶區裸露出來后，吸收強度增大，衍射峰強度增強。利用超聲輔助堿性過氧化氫溶液提取可以有效去除玉米皮纖維素表面包裹的半纖維素和木質素，得到結晶度較大的纖維素[11]。

圖4 玉米皮和玉米皮纖維素的XRD譜圖

2.3.4 熱重分析(TG)

由圖5可知，在溫度低于100 ℃時，由于二者中含有少量水分，樣品中會出現很小的質量損失。之后隨著溫度的上升，玉米皮與玉米皮纖維素的熱分解過程TGA曲線則呈現出一定的差別。玉米皮在228 ℃時開始熱分解過程，312 ℃時達到熱分解最大溫度，隨后分解程度減緩，玉米皮纖維素在242 ℃時開始熱分解過程，328 ℃時達到熱分解最大溫度，隨后分解程度減緩，800 ℃時樣品殘余量約10%。可見，玉米皮纖維素熱分解溫度高于玉米皮，分析原因是纖維素熱解溫度高于半纖維素和木質素，玉米皮纖維素中半纖維素與木質素及非結晶組分被大部分去除，導致纖維素的結晶度增加，故熱穩定性優于玉米皮[17]。

圖5 玉米皮和玉米皮纖維素的熱重分析

2.3.5 粒度分析

由圖6可以看出，玉米皮顆粒的粒徑分布在0.44～727.8 μm，從粗顆粒到41.08 μm，這些顆粒的含量占總顆粒的10%，當顆粒到371.9 μm時顆粒所占比例為90%，平均粒徑為159.3 μm，顆粒主要集中在108.2～312.0 μm。玉米皮纖維素中顆粒的粒徑分布在0.544～809.1 μm，從粗顆粒到16.11 μm這些顆粒的含量占10%，當顆粒到76.28 μm時顆粒所占的含量為90%，平均粒徑是111.0 μm，顆粒主要集中在108.2～252.5 μm。

圖6 玉米皮和玉米皮纖維素的粒度分析

3 結論

玉米皮纖維素提取各工藝因素對玉米皮纖維素含量的影響程度為超聲時間>超聲溫度>氫氧化鈉濃度>超聲功率，最佳工藝條件為：超聲溫度70 ℃、超聲時間70 min、超聲功率200 W、NaOH質量分數8%、H2O2體積分數0.7%、固液比1∶30 g/mL，在此條件下纖維素質量分數為83.34%。通過對玉米皮纖維素進行表征分析可知，超聲輔助堿性過氧化氫法處理可將半纖維素和木質素大部分去除，纖維素晶型仍為Ⅰ型，熱分解最大溫度為328 ℃，熱穩定性優于玉米皮，纖維素粒度減小，平均粒徑為111.0 μm。