甜菜颗粒粕半纤维素及纤维素提取的研究

刘子祯，杜国军

(齐齐哈尔大学 食品与生物工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

我国黑龙江、新疆、内蒙古等地的制糖企业大都以甜菜为原料生产蔗糖。甜菜在制糖过程中经切丝浸提得到的废丝称为废粕，废粕通过挤压除去大部分水分后得到压粕，压粕在高温下干燥压成颗粒状，制得颗粒粕[1]。颗粒粕是甜菜制糖的主要副产品，产量非常大，大约占原料甜菜的15%，主要成分是半纤维素和纤维素，并含有一定的微量元素、蛋白质、氨基酸、维生素[2]。当前，纤维素与半纤维素已应用于调味品及食品加工中，对保持食品品质、增加食品营养具有重要作用[3]。半纤维素具有良好的生物相容性、可生物降解性、价格低廉等特点，在合成水凝胶方面也有独特的优势[4-5]。另外，半纤维素在生物医学和药物传递材料领域也有较多的应用[6-8]。纤维素可以改善人体胃肠功能，减轻肠道炎症，抑制结直肠肿瘤的发生[9]。除此之外，纤维素还具有治疗糖尿病、降低血压、减少肥胖症和便秘的发生、清除有害物质等作用[10]。

目前，甜菜颗粒粕主要作为动物饲料加以利用，用途单一，利润较低。如能从中提取半纤维素及纤维素，可以增加甜菜颗粒粕的附加值，提高制糖企业的经济效益，具有良好的应用前景。半纤维素多采用碱法提取[11]，使用的提取试剂一般为经济适用的氢氧化钠。纤维素常用的提取方法有粗分离法和酸提取法[12-13]，经酸处理提取的纤维素以其纯度高、功能性强的优点广为采用，常使用乙酸作为提取试剂，此法虽对环境有一定的污染，但可以进行乙酸回收加以解决[14]。故本试验采用氢氧化钠提取半纤维素、乙酸提取纤维素，以期为甜菜颗粒粕的开发利用开拓出一条新途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试剂

甜菜颗粒粕：黑龙江东方瑞雪糖业有限公司；氢氧化钠：无锡市晶科化工有限公司；无水乙醇：济南鑫伟达化工有限公司；乙酸：济南乔富化工有限公司；柠檬酸：天津市科密欧化学试剂有限公司；木瓜蛋白酶：河北润步生物科技有限公司。

1.2 仪器及设备

TW80高能粉碎机 天津泰斯特仪器公司；HH-2数显恒温水浴锅 常州金坛良友仪器有限公司；SHZ-D循环水抽滤机 巩义瑞德仪器设备有限公司；BS124S型电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；TG29G高速离心机、DHG-9030A电热恒温干燥箱 上海高致精密仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 原料处理

甜菜颗粒粕利用柠檬酸去除果胶[15]，木瓜蛋白酶去除蛋白[16]，烘干粉碎，过60目筛，用真空封口袋密封，置于干燥器中保存，待用。

1.3.2 氢氧化钠提取半纤维素

将处理过的甜菜颗粒粕在一定温度下与氢氧化钠溶液按比例混合，充分反应后，抽滤得到滤液，pH值调为5.0，加入乙醇沉淀后得到半纤维素。以料液比、氢氧化钠溶液浓度、温度、时间为因素，通过单因素试验和正交试验研究各因素对半纤维素产率的影响。

1.3.3 乙酸提取纤维素

将抽滤得到的滤渣在一定温度下与乙酸溶液按比例混合，充分反应后，除去残留的木质素，得到纤维素。以料液比、乙酸溶液浓度、温度，时间为因素，通过单因素试验和正交试验研究各因素对纤维素产率的影响。

2 结果与讨论

2.1 不同条件对氢氧化钠提取半纤维素的影响

2.1.1 料液比对半纤维素产率的影响

称取适量去除果胶的甜菜颗粒粕，分别按料液比为1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35加入5%氢氧化钠溶液，在30 ℃条件下反应6 h，研究料液比对半纤维素产率的影响，试验结果见图1。

图1 料液比对半纤维素产率的影响Fig.1 The effect of solid-liquid ratio on the yield of hemicellulose

由图1可知，料液比低于1∶25时，随着料液比的增加，半纤维素产率也随之升高，在料液比为1∶25时，半纤维素产率最高，达到8.95%，随后开始下降。因此，确定氢氧化钠提取半纤维素的最适料液比为1∶25。

2.1.2 氢氧化钠溶液浓度对半纤维素产率的影响

称取适量去除果胶的甜菜颗粒粕，分别按料液比1∶25，加入浓度为3%、5%、7%、9%、11%的氢氧化钠溶液，在30 ℃条件下反应6 h，研究氢氧化钠溶液浓度对半纤维素产率的影响，试验结果见图2。

图2 氢氧化钠溶液浓度对半纤维素产率的影响Fig.2 The effect of sodium hydroxide solution concentration on the yield of hemicellulose

由图2可知，氢氧化钠溶液浓度低于9%时，半纤维素产率随着浓度的增加而升高，在浓度为9%时，半纤维素产率最高，达到10.2%，随后开始下降。因此，确定氢氧化钠提取半纤维素的最适溶液浓度为9%。

2.1.3 温度对半纤维素产率的影响

称取适量去除果胶的甜菜颗粒粕，按料液比为1∶25，加入9%氢氧化钠溶液，分别在30，40，50，60，70 ℃条件下反应6 h，研究温度对半纤维素产率的影响，试验结果见图3。

图3 温度对半纤维素产率的影响Fig.3 The effect of temperature on the yield of hemicellulose

由图3可知，温度低于50 ℃时，半纤维素产率随着温度的升高而增加，温度为50 ℃时，半纤维素产率最高，达到14.22%，高于50 ℃后开始下降。因此，确定氢氧化钠提取半纤维素的最适温度为50 ℃。

2.1.4 时间对半纤维素产率的影响

称取适量去除果胶的甜菜颗粒粕，按料液比1∶25，加入9%氢氧化钠溶液，在50 ℃条件下分别反应2，4，6，8，10 h，研究时间对半纤维素产率的影响，试验结果见图4。

图4 时间对半纤维素产率的影响Fig.4 The effect of time on the yield of hemicellulose

由图4可知，反应时间低于6 h时，半纤维素产率随着时间的增加而升高，在时间为6 h时，半纤维素产率最高，达到14.71%，高于6 h后开始下降。因此，确定氢氧化钠提取半纤维素的最适时间为6 h。

2.1.5 氢氧化钠提取半纤维素的正交试验结果

在单因素试验的基础上，以料液比、氢氧化钠溶液浓度、时间、温度为因素进行L9(34)正交试验设计，优化提取半纤维素的工艺，因素水平设计及试验结果见表1～表3。

表1 氢氧化钠提取半纤维素正交试验因素与水平设计Table 1 The factors and levels design of orthogonal test for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

表2 氢氧化钠提取半纤维素的正交优化试验结果Table 2 The results of orthogonal test for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

表3 氢氧化钠提取半纤维素的正交试验结果分析Table 3 Analysis of orthogonal test results for extraction of hemicellulose with sodium hydroxide

由表1～表3可知，影响半纤维素产率的各因素主次关系为：氢氧化钠溶液浓度>时间>温度>料液比。氢氧化钠提取半纤维素的最佳工艺条件为：氢氧化钠溶液浓度11%、时间6 h、温度60 ℃、料液比1∶30，此时半纤维素的产率为22.7%。

2.2 不同条件对乙酸提取纤维素的影响

2.2.1 料液比对纤维素产率的影响

称取适量处理后的甜菜颗粒粕滤渣，分别按料液比为1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40加入5%的乙酸溶液，水浴加热温度50 ℃，反应1 h，研究料液比对纤维素产率的影响，试验结果见图5。

图5 料液比对纤维素产率的影响Fig.5 The effect of solid-to-liquid ratio on the yield of cellulose

由图5可知，料液比低于1∶25时，随着料液比的增加，纤维素产率也随之升高，当料液比为1∶25时，纤维素产率最高，达到20.49%，随后开始下降。因此，确定乙酸提取纤维素的最适料液比为1∶25。

2.2.2 乙酸溶液浓度对纤维素产率的影响

称取适量处理后的甜菜颗粒粕滤渣，按料液比1∶30分别加入5%、10%、15%、20%、25%的乙酸溶液，水浴加热温度50 ℃，反应1 h，研究乙酸溶液浓度对纤维素产率的影响，试验结果见图6。

图6 乙酸溶液浓度对纤维素产率的影响Fig.6 The effect of acetic acid solution concentration on the yield of cellulose

由图6可知，乙酸溶液浓度低于10%时，纤维素产率随着浓度的增加而升高，当浓度为10%时，纤维素产率最高，达到22.22%，随后开始下降。因此，确定乙酸提取纤维素的最适溶液浓度为10%。

2.2.3 温度对纤维素产率的影响

称取适量处理后的甜菜颗粒粕滤渣，按料液比1∶30加入15%乙酸溶液，分别在50，60，70，80，90 ℃的条件下反应1 h，研究温度对纤维素产率的影响，试验结果见图7。

图7 温度对纤维素产率的影响Fig.7 The effect of temperature on the yield of cellulose

由图7可知，温度低于60 ℃时，纤维素产率随着温度的升高而增加，温度为60 ℃时，纤维素产率最高，达到21.26%，高于60 ℃后开始下降。因此，确定乙酸提取纤维素的最适温度为60 ℃。

2.2.4 时间对纤维素产率的影响

称取适量处理后的甜菜颗粒粕滤渣，按料液比1∶30加入10%乙酸溶液，在60 ℃条件下分别反应1，1.5，2，2.5，3 h，研究时间对纤维素产率的影响，试验结果见图8。

图8 时间对纤维素产率的影响Fig.8 The effect of time on the yield of cellulose

由图8可知，反应时间低于2 h时，纤维素产率随着时间的增加而升高，当时间为2 h时，半纤维素产率最高，达到22.82%，高于2 h后开始下降。因此，确定乙酸提取纤维素的最适时间为2 h。

2.2.5 乙酸提取纤维素的正交试验结果

在单因素试验的基础上，以料液比、乙酸溶液浓度、温度、时间为因素进行L9(34)正交试验设计，优化乙酸提取纤维素的提取工艺，因素水平设计及试验结果见表4～表6。

表4 乙酸提取纤维素的正交试验因素与水平设计Table 4 The factors and levels design of orthogonal test for extraction of cellulose with acetic acid

表5 乙酸提取纤维素的正交试验结果Table 5 The results of orthogonal test for extraction of cellulose with acetic acid

表6 乙酸提取纤维素的正交试验结果分析Table 6 Analysis of orthogonal test results for extraction of cellulose with acetic acid

由表4～表6可知，影响纤维素产率的各因素主次关系为：乙酸溶液浓度>时间>温度>料液比。乙酸提取纤维素的最佳工艺条件为：乙酸溶液浓度为15%、时间1.5 h、温度60 ℃、料液比1∶25，此时纤维素的产率为22.88%。

3 结论

以除去果胶及蛋白质的甜菜颗粒粕为原料，采用氢氧化钠提取半纤维素，通过单因素试验和正交试验确定了半纤维素的最佳提取工艺为：氢氧化钠溶液浓度11%、料液比1∶30、温度60 ℃、时间6 h，半纤维素产率为22.7%；采用乙酸除去残留的木质素，获得纤维素，通过单因素试验和正交试验确定了纤维素的最佳提取工艺为：乙酸溶液浓度15%、料液比1∶25、温度60 ℃、时间1.5 h，纤维素产率为22.88%。