硫酸水解冰糖橙皮渣工艺研究*

高玉妹，陶能国，刘跃进，石文卿，宋冰

1(湖南澳优食品与营养研究院，湖南长沙，410005)2(湘潭大学化工学院，湖南湘潭，411105)

硫酸水解冰糖橙皮渣工艺研究*

高玉妹1，2，陶能国2，刘跃进2，石文卿2，宋冰2

1(湖南澳优食品与营养研究院，湖南长沙，410005)2(湘潭大学化工学院，湖南湘潭，411105)

对硫酸水解冰糖橙皮渣的工艺进行了初步探讨。单因素实验表明，H2SO4水解冰糖橙皮渣的适宜单因素条件依次为:温度120℃，停留时间60 min，H2SO4浓度0.15mol/L，液固比10∶1(g∶mL)。以此为基础，设计了L9(34)正交实验，结果表明H2SO4水解冰糖橙皮渣的适宜工艺条件为:H2SO4浓度为0.15mol/L;液固比(g∶mL)为10∶1;水解温度为120℃;停留时间为90 min，在此条件下获得的还原糖得率高达51.25%，物质失重84.1%。说明采用H2SO4水解冰糖橙皮渣是切实可行的。

H2SO4，水解，冰糖橙皮渣，还原糖

柑橘皮渣的主要组成为果胶、纤维素和半纤维素等，约占柑橘皮渣干重的20%～30%［1－3］。特定条件下，果胶、纤维素和半纤维素能转化为可发酵性糖，在微生物作用下转化成乙醇［4－9］。美国、希腊等国家已逐步开始利用柑橘皮渣发酵生产燃料乙醇［6，8－9］，我国也已有零星的报道［10］。按照柑橘类果实榨汁和鲜食后约产生20%～30%的皮渣推算，我国每年可产生不少于320万t的柑橘皮渣，理论上可产生至少1×105万L燃料乙醇，因此用柑橘皮渣生产燃料乙醇具有广泛的应用前景。

将柑橘皮渣水解成可发酵性糖是利用柑橘皮渣发酵产燃料乙醇的先决条件之一。果胶酶、纤维素酶和半乳糖苷酶等水解柑橘皮渣可在较短的时间内获得较高的还原糖，但缺点是成本高，且不同公司酶活力差别较大，很难获得固定的反应条件，因而需要反复优化反应条件和反应体系［7］。有人曾做过估算，柑橘皮渣产燃料乙醇的原料成本约为0.32美元/L，略高于谷物 (0.26～0.32美元/L)，但低于纤维素(0.36～0.43 美元/L)，主要成本在于酶的消耗［11］。碱水解柑橘皮渣方法简单，但糖得率较低［10］。因此，寻找一种操作简单、高效且稳定的水解方法对利用柑橘皮渣生产燃料乙醇显得尤为重要。

本研究拟以冰糖橙皮渣为原料，初步探讨硫酸水解的影响因素，并通过正交试验得出最佳水解工艺条件，为开发柑橘皮渣提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冰糖橙(Citrus sinensis Osbeck)果实购于湘潭大学购物中心。清洗后，用压榨机榨汁后，将皮渣在干燥箱中烘干。将烘干的皮渣用粉碎机粉碎后，放入塑料袋中备用。

所用仪器为:SL－250高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)，FA1004N分析天平(上海精密科学仪器厂)，BL 320H电子天平(SHIMADZU公司)，101电热鼓风干燥箱(上海跃进医疗器械厂)，MLS－3020立式压力蒸汽灭菌器(日本SANYO电子有限公司)，PELTA 320酸度计(梅特勒－托利多仪器有限公司)，CL－100电炉(上海日用电炉)。

1.2 实验方法

1.2.1 冰糖橙皮渣的硫酸水解方法

将冰糖橙皮渣粉碎，过40目筛，加入一定量的硫酸在高温灭菌锅中进行水解。水解后，滤液用蒸馏水稀释至一定体积后，测定其还原糖含量。滤渣用自然水洗至中性后，放入105℃恒温干燥箱中干燥至恒重，以测定其物质失重百分比。

1.2.2 还原糖含量的测定——斐林试剂法［12］

1.2.3 物质失重测定

2 结果与分析

2.1 水解温度的确定

称取2 g冰糖橙皮渣粉末，加入20mL浓度为0.15mol/L 的硫酸溶液，分别在 100，105，110，115，120℃下处理90 min，比较还原糖得率及物质失重百分比，结果如图1和图2所示。当水解温度从100℃升至110℃时，还原糖得率以及物质失重百分比一直呈上升趋势。但在110～120℃之间，两者增长幅度明显减小，基本保持不变。原因可能是，高温下纤维素的水解往往伴有木糖、葡萄糖的降解，当温度达到一定程度时，因温度升高多生成的还原糖被用来降解，这样还原糖含量会维持在一定水平而不再增加。

图1 水解温度对还原糖得率的影响

图2 水解温度对物质失重百分比的影响

2.2 停留时间的确定

纤维素的水解是以有限速率进行的，需要一定的时间完成。生成的单糖也需要一定时间才能从纤维素内部扩散至液相主体，这决定了水解液在反应器内需要有一定停留时间。另一方面，糖液停留时间的增加将使更多的单糖转化为副产品，故随着反应时间的增加还原糖浓度会出现极值。因此需要选择一个合适的反应时间。

称取2 g冰糖橙皮渣粉末，加入20mL浓度为0.15mol/L的硫酸溶液，在120℃下分别处理30，60，90，120，150 min，比较还原糖得率，确定最佳停留时间，结果如图3和图4所示。当水解时间从30 min增加到 60 min，还原糖得率从 47.5%增加到49.875%，物质失重百分比从79.85%增至81.35%。随着水解时间的进一步增加，两者皆呈下降趋势，当时间增加到150 min时，其还原糖得率等于30 min下的还原糖得率，亦为47.5%，而其物质失重百分比为79.775%。原因可能是加热时间过长，部分还原糖发生了分解或焦碳化反应，从而使还原糖得率和物质失重百分比降低。

图3 停留时间对还原糖得率的影响

图4 停留时间对物质失重百分比的影响

2.3 硫酸浓度的确定

工业上，硫酸浓度越低，工业成本越低，对设备的要求也越低，所以在不影响水解效果的情况下，硫酸浓度应取最低值。称取2 g冰糖橙皮渣粉末，分别加入20mL 浓度为0.05，0.1，0.15，0.2，0.25mol/L 的硫酸溶液，在120℃下处理60 min，比较还原糖得率，确定最佳水解浓度，结果如图5和图6所示。当硫酸浓度从0.05mol/L升至0.15mol/L时，还原糖得率以及物质失重百分比随着浓度的增加而增加;到0.15mol/L时，还原糖得率和物质失重百分比最大。如继续增加硫酸浓度，两者皆呈现下降趋势。即0.15mol/L是最适硫酸浓度，此时还原糖得率为48.75%，物质失重百分比为80.8%。分析可能的原因是，在较低的硫酸浓度下，冰糖橙皮渣中纤果胶、纤维素和半纤维素等的结晶结构不能被完全破坏，果胶、纤维素和半纤维素等不能被充分水解。随着硫酸浓度的增大，样品中某些物质被碳化，形成不溶性固体物质，导致水解效率降低，物质失重百分比下降。

图5 硫酸浓度对还原糖得率的影响

图6 硫酸浓度对物质失重百分比的影响

2.4 液固比的确定

称取2 g冰糖橙皮渣粉末，分别加入12，16，20，24，28mL浓度为0.15mol/L的硫酸溶液，在120℃下处理60 min，比较还原糖得率，确定最佳液固比，结果如图7和图8所示。

当液固比(g∶mL)从6∶1 增加到 10∶1 时，还原糖得率以及物质失重百分比皆成线性趋势增长;当液固比进一步增大时，还原糖得率略有减少，物质失重比也相应减少。分析其原因，可能是由于液固比太低，硫酸不能和冰糖橙残渣充分接触，致使果胶、纤维素和半纤维素等的水解不彻底;液固比太高，虽然硫酸能和冰糖橙残渣充分混匀，但生成的还原糖浓度相对降低，从而还原糖得率也偏低。而当液固比为10∶1时，冰糖橙皮渣粉末正好在硫酸溶液中分散均匀，水解效果最好。

图7 液固比对还原糖得率的影响

图8 液固比对物质失重百分比的影响

2.5 硫酸水解最佳工艺条件的选择

在上述单因素实验的基础上，分别选取对水解影响较显著的温度(℃)，停留时间(min)，浓度(mol/L)，液固比的4个因素的3个较优水平，用L9(34)正交试验对水解工艺条件作进一步优化。正交实验及结果见表1、表2。

表1 硫酸水解正交实验表

表2 水解正交实验结果

由于极差R越大，各影响因素对于实验结果的影响也就越大［3］，由表2可以看出，因素C的极差R最大，即硫酸浓度是主要影响因素，其次为液固比。各因素对水解硫酸影响的大小顺序为C ＞D ＞A ＞B。

由表2可知，硫酸浓度以k2值最大，为48.97;液固比以k2值最大，为48.67;水解温度以k3值最大，为48.6;停留时间以k3值最大，为48.57。故最佳工艺条件组合为C2D2A3B3，即硫酸浓度为0.15mol/L;液固比10∶1;水解温度为 120℃，停留时间为90 min。为了确认正交试验较优组合条件的再现性，以C2D2A3B3为水解条件进行试验，结果还原糖得率为51.25%，物质失重百分比为84.1%，高于正交试验中的最高还原糖得率和最大物质失重百分比。

3 讨论

以冰糖橙皮渣为原料，依次对影响酸水解的4个因素(温度、时间、浓度和液固比)进行了初步研究，并以此为基础，设计了L9(34)正交实验，得到硫酸水解冰糖橙皮渣的最佳工艺条件为:硫酸浓度为0.15mol/L;液固比(g∶mL)为10∶1;水解温度为120℃;停留时间为90 min，在此条件下获得的还原糖得率为51.25%，物质失重百分比为84.1%，略高于酶水解的伏令夏橙和葡萄柚果皮还原糖含量(分别为50.1%和41.6%)，这说明采用硫酸水解柑橘皮渣是切实可行的。

在研究的4个因素中，硫酸浓度和液固比对还原糖得率影响较大，而温度和停留时间影响相对较小。本研究所用的硫酸浓度只有0.15mol/L，介于强酸与弱酸之间，是一种“温和型酸”，操作安全，对外界环境条件要求较低。液固比控制在10∶1既可保证材料与溶液充分接触，不仅可以获得较高还原糖得率，还可避免反应产物黏度过高对后续发酵过程的影响［11］。在所研究温度范围内，低于110℃还原糖得率较低，故稀硫酸水解柑橘皮渣的温度最好控制在110℃以上，这一结果与以往稀酸处理要求在高温下进行的报道类似［14］。最佳工艺条件下反应时间影响最小，但过长的加热时间会使还原糖发生分解或焦碳化，因而从经济的角度，以及产物的组成考虑，60 min比90 min更为合适。

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Study on the Technology of Sulfuric Acid Hydrolysis on Crystallized Sugar Marinated Orange Peel Residue

Gao Yu-mei1，2，Tao Neng-guo2，Liu Yue-jin2，Shi Wen-qing2，Song Bing2
1(Food and Nutritional Institute of Hunan Ausnutria，Changsha 410005，China)2(College of Chemical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China)

The technology of sulfuric acid hydrolysis on orange peel residue products was studied in this paper.Results showed that the optimum condition for single factor experiments was:temperature 120°C;time 60 min;sulfuric acid concentration 0.15mol/L;liquid-solid ratio 10∶1.Then a L9(34)orthogonal experiment was designed.The results showed the optimum pretreatment was 0.15mol/L of sulfuric acid;10∶1 of liquid－solid ratio;120 °C for 90 min.Under these conditions，the yield of reducing sugar was up to 51.25%，and the weight loss was 84.1%.It indicated that the use of sulfuric acid hydrolysis crystallized sugar marinated orange peel residue was feasible.

sulfuric acid，hydrolysis，Bingtang sweet orange residue，reducing sugar

硕士(陶能国教授为通讯作者，Te:0731－58292246，E-mail:nengguotao@126.com)。

*国家自然科学基金(30901010)资助

2010－05－07，改回日期:2010－09－07