超聲波輔助堿液提取蘆竹葉纖維素的工藝研究

王艷萍，謝秋鳳

(運城學院 生命科學系，山西 運城 044000)

蘆竹(Arundodonax.L)禾本科，多年生，是新型纖維素能源草[1]。蘆竹喜溫暖，喜水濕，耐寒性不強。在我國蘆竹栽植范圍較廣，集中分布在南方的熱帶與亞熱帶地區，近年來北方也有引入栽培[2]。蘆竹纖維素含量較高，目前，國內外對于蘆竹的研究基本是對其生物質產量及生物質特性的研究報道。關于蘆竹預處理的研究甚少，且尚未過多涉及。本文應用超聲輔助堿液的方法，獲得提取蘆竹葉中纖維素最優工藝參數，希望能為更好開發利用蘆竹資源提供理論性的參考。

1. 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

原料：蘆竹(運城市綠碧源農林開發有限公司，品種“綠洲一號”。)

試劑：乙醚、硫酸、無水乙醇、氫氧化鈉、氫氧化鉀，均為分析純。

儀器：101A-1E電熱恒溫鼓風干燥箱(上海實驗儀器總廠)；SX-4-10電阻爐控制箱(天津市泰斯特儀器有限公司)；LXJ-Ⅱ離心沉淀機(上海醫分儀器制造有限公司)；KQ-500DE數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 預實驗的方法選擇

通過查閱資料，實驗采用水浴處理、超聲處理的物理方法與酸液、堿液的化學方法相結合的方式，對蘆竹葉進行前期的預實驗處理。

1.2.2 蘆竹葉前期處理

將采集的蘆竹洗滌，用手工分離秸稈和葉子，并將蘆竹葉剪成1 cm左右的小段，65 ℃鼓風烘干，直到達恒重。再用粉碎機對樣品進行反復粉碎，用標準篩選出60～80目的試樣(通過60目不能通過80目)，置于干燥器中備用。

1.2.3 蘆竹葉纖維素提取的工藝流程

處理后的蘆竹葉→氫氧化鈉溶液超聲波處理→洗滌中性→干燥至恒重→稱取一定量處理后的樣品→測定其中的纖維素含量。

1.2.4 纖維素測定

蘆竹葉纖維素的測定采用非酶重量法[3]。

1.2.5 響應面試驗選擇

根據Box-Behnken的響應面試驗的設計原理[4]。按照單因素所得結果，采用四因素三水平設計優化方案，設計見表1。

表1 試驗因素水平及編碼

1.3 數據處理

通過Design-Expert8.0.6軟件對實驗所得數據進行處理。

2. 結果與分析

2.1 響應曲面模型設計及試驗結果

采用Design-Expert8.0.6軟件，具體的設計方案及結果見表2。

表2 響應面設計與實驗結果

由表2可以看出，實際測得的纖維含量與理論測得的纖維含量大部分相近，實驗誤差較小，所得數據較為可靠。

2.2 響應曲面模型建立與顯著性檢驗

運用Design-Expert8.0.6，得到方差分析結果見表3，各相關系數見表4。

表3 纖維素含量響應面模型的方差分析

表4 各相關系數分析

對數據進行多項式擬合，以纖維素含量為因變量(Y)，得到回歸方程為：

Y=79.88-1.7A+0.74B+0.77C+2.10D-1.36AB-0.48AC-0.013AD+2.07BC+1.2BD--2.74CD-5.44A2-1.93B2-5.13C2-3.91D2

在剔除不顯著因素后，得到簡化后的模型回歸方程為：

Y=79.88-1.7A+2.10D-1.36AB+2.07BC-2.74CD-5.44A2-1.93B2-5.13C2-3.91D2

2.3 響應曲面分析與優化

各顯著因素對蘆竹葉中纖維素含量影響的等高線如圖1、圖2和圖3所示。從回歸模型所得到的等高線可用來評價選取因素之間的交互性。

圖1 NaOH質量分數和料液比的等高線

圖2 料液比和反應時間的等高線

由圖1可看出，AB交互作用的等高線橢圓不是很明顯，說明AB的影響不是很顯著。當反應時間和提取溫度一定時，隨NaOH質量濃度的增大和料液比的增加，纖維素的含量是先升高后下降的。原因是隨著NaOH質量濃度增大，蛋白質、色素等堿溶性物質被溶出[6]，纖維素的含量增加。但持續增大堿液濃度，纖維素的含量下降原因是纖維素溶解。

也可以看出在一定范圍內，纖維素含量在80%以上。且得到NaOH質量濃度所得的圖較料液比所得的圖較陡，表明NaOH質量濃度對含量的影響較料液比更明顯。

由圖2，BC交互作用所得等高線明顯呈橢圓形狀，說明BC的影響是顯著。當NaOH質量濃度和提取溫度一定時，隨料液比的增加和反應時間的延長，纖維素含量呈先升高后緩慢下降的趨勢。也可以看出在一定范圍內，纖維素的含量達到78%以上。

圖3 反應時間和提取溫度的等高線

由圖3可知，CD交互作用所得等高線呈橢圓形狀，說明CD的影響是顯著。當NaOH質量濃度和料液比一定時，隨反應時間的延長和提取溫度的升高，纖維素含量呈現先升后降的趨勢；也可以看出在一定范圍內，纖維素含量到達80%以上。綜上，所得結果與方差分析的結果相似。

2.4 響應曲面驗證實驗

經響應曲面分析，獲得最優參數是：NaOH質量濃度11.61%，料液比1∶13.55 g/mL，處理時間80.04 min，提取溫度72.96 ℃，理論應測得纖維素含量為80.42%。結合實驗室的實際條件，對驗證實驗的提取條件進行修正后為：NaOH質量濃度11.6%，料液比1∶13.5 g/mL，處理時間取80 min，提取溫度73 ℃。然后進行三次平行驗證試驗，測得纖維素含量分別是80.18%，80.33%，80.25%，均值為80.25%。因此，可以看出數據的重現性良好，且回歸方程能較真實的反映各因素對優化提取蘆竹葉中纖維含量的影響，證明采用響應曲面分析法得到蘆竹葉中纖維素的理論提取條件是真實可靠的，故可以用作參考依據。

3. 結論

以纖維素含量為指標，響應面優化得到提取蘆竹纖維素最優工藝參數為：NaOH質量濃度11.6%、料液比1∶13.5 g/mL、提取溫度為73 ℃、提取時間80 min，測得的蘆竹葉中纖維素含量是80.25%；各因素對于纖維素含量的顯著性影響表現為：提取溫度>NaOH質量濃度>處理時間>料液比。