曾小峰，白小鳴，2，蓋智星，彭雪嬌，王　華，3，*

（1.西南大學(xué)柑桔研究所，重慶 400712；2.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；3.國(guó)家柑桔工程技術(shù)研究中心，重慶 400712）

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超聲輔助提取柚皮纖維素工藝

曾小峰1，白小鳴1，2，蓋智星1，彭雪嬌1，王華1，3，*

（1.西南大學(xué)柑桔研究所，重慶 400712；2.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；3.國(guó)家柑桔工程技術(shù)研究中心，重慶 400712）

以柚皮為原料研究超聲輔助提取纖維素的工藝條件，通過(guò)單因素試驗(yàn)，分別考察氫氧化鈉質(zhì)量濃度、提取溫度、提取時(shí)間及過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)對(duì)柚皮纖維素含量的影響。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用響應(yīng)面分析氫氧化鈉質(zhì)量濃度、提取溫度、提取時(shí)間及三者兩兩交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響，確定了柚皮纖維素提取的最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明：各因素對(duì)纖維素含量影響的顯著性表現(xiàn)為提取溫度＞氫氧化鈉質(zhì)量濃度＞提取時(shí)間，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化的最佳工藝條件為氫氧化鈉質(zhì)量濃度為9.4 g/100 mL、提取溫度為84℃、提取時(shí)間為77 min，在此條件下柚皮纖維素含量為63.12%。

柚皮；纖維素；超聲波提??；響應(yīng)面

我國(guó)柚類種植歷史悠久，種質(zhì)資源豐富，其生產(chǎn)面積和產(chǎn)量均居世界第1位［1］。中國(guó)柚子以鮮食為主，但隨產(chǎn)量的增加，柚類加工也不斷擴(kuò)大，并伴隨大量副產(chǎn)物——柚皮，約占整個(gè)柚子果實(shí)質(zhì)量的30%以上，富含黃酮類、果膠、纖維素等［2］，目前對(duì)于柚皮的處理除少部分制作糖制品以外，大部分以生活垃圾填埋處理，不僅浪費(fèi)資源，還造成環(huán)境的污染［3］。為了減小環(huán)境污染及提高柚皮的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，研究者對(duì)柚皮進(jìn)行了開發(fā)利用，但研究主要集中在其功能性成分分離提取，如果膠、黃酮類、香精油、膳食纖維等［4］，對(duì)柚皮中含量豐富的纖維素的提取和應(yīng)用卻極其少見。

纖維素是由葡萄糖殘基通過(guò)β-1，4-糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的具有高度結(jié)晶區(qū)的長(zhǎng)鏈分子［5］，周圍緊密鑲嵌著半纖維、木質(zhì)素和果膠等，需去除這些物質(zhì)才能得到含量較高的纖維素。現(xiàn)有的提取纖維素的方法主要有物理法：如機(jī)械粉碎［6］、蒸汽爆破［7-8］、微波超聲波輔助［9］等；化學(xué)法：如堿法［10］、亞硫酸鹽法［11］等。物理法一般用于提取的預(yù)處理工藝或是輔助工藝，其目的是去除木質(zhì)素等對(duì)纖維素具有保護(hù)作用的成分［12］。因此，本實(shí)驗(yàn)采用超聲波輔助化學(xué)法提取柚皮中的纖維素，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化提取工藝，以獲得柚皮纖維素提取的最佳工藝，以期為更好地開發(fā)柚皮纖維素提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

梁平柚采購(gòu)于重慶市梁平縣。

鹽酸、氫氧化鈉、過(guò)氧化氫、冰醋酸、乙醇、硫酸、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硝酸、鄰二氮菲等均為分析純。

1.2儀器與設(shè)備

恒溫水浴鍋 上海雙舜實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；KQ5200E型超聲波儀器 昆山市超聲儀器有限公司；L550臺(tái)式離心機(jī) 長(zhǎng)沙湘儀器離心機(jī)有限公司；BT224S電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；GZX-9240MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；6202型高速粉碎機(jī) 北京燕山正德機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.3方法

1.3.1柚皮的預(yù)處理

柚子清洗干凈，用手工除去表皮油胞，切成2 cm×2 cm小塊，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器65 ℃烘干，粉碎過(guò)篩（60 目），得到柚皮粉，4 ℃貯藏備用。

1.3.2柚皮纖維素提取工藝流程

柚皮→干燥→粉碎→0.1 mol/L的鹽酸溶液處理→氫氧化鈉溶液去半纖維素→過(guò)氧化氫溶液去木質(zhì)素、脫色→95%酒精脫酯、脫色→洗滌→干燥→柚皮纖維素

1.3.3柚皮纖維素提取分析

1.3.3.1去除果膠

將粉碎后的柚皮粉按1∶20（g/mL）的料液比加0.1 mol/L鹽酸溶液85 ℃水浴處理2 h，不斷攪拌，3 層紗布抽濾，去除果膠，蒸餾水洗滌至中性，60 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器干燥，粉碎機(jī)粉碎，儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3.2去半纖維素

將去除果膠的柚皮粉按1∶20（g/mL）的料液比加入氫氧化鈉溶液，在超聲功率為200 W，一定溫度條件下超聲處理一定時(shí)間去除半纖維素，3 層紗布抽濾，蒸餾水洗滌3 次，保留濾渣待用。

1.3.3.3去木質(zhì)素

將去半纖維素的濾渣按1∶20（g/mL）料液比加過(guò)氧化氫溶液，由于在堿性環(huán)境下能促進(jìn)H2O2水解除去木質(zhì)素，因此用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至11左右［13-14］，在30 ℃水浴條件下反應(yīng)30 min，蒸餾水洗滌至中性，95%的酒精洗脫酯類及去除部分色素，60 ℃烘干，得到柚皮纖維素。

1.3.4纖維素含量測(cè)定

采用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵銨法［15］。

1.3.5單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱取去除果膠的柚皮粉末5 g，按料液比1∶20，以氫氧化鈉質(zhì)量濃度（4、6、8、10、12 g/100 mL）為變量，在相同超聲功率（200 W）、80 ℃條件下于超聲儀器中固定位置處理70 min，以纖維素含量為指標(biāo)確定最佳氫氧化鈉質(zhì)量濃度。

以最佳氫氧化鈉質(zhì)量濃度在不同提取溫度（50、60、70、80、90 ℃）條件下反應(yīng)，確定最佳提取溫度。

以最佳氫氧化鈉質(zhì)量濃度、最佳溫度條件下，以時(shí)間（50、70、90、110、130 min）為變量條件下反應(yīng)，確定最佳提取時(shí)間。

以最佳氫氧化鈉質(zhì)量濃度、最佳溫度、最佳時(shí)間條件下，以過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)（4%、6%、8%、10%、12%）為變量條件下反應(yīng)，確定最佳過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)。

1.3.6響應(yīng)面試驗(yàn)選擇最佳提取條件

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素影響試驗(yàn)結(jié)果，選擇氫氧化鈉質(zhì)量濃度、提取溫度、提取時(shí)間3 個(gè)主要因素為自變量，設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)表，因素與水平設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table1　Factors and levers used in RSM design

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1氫氧化鈉質(zhì)量濃度對(duì)柚皮纖維素含量的影響

圖1　氫氧化鈉對(duì)柚皮纖維素含量的影響Fig.1　Effect of sodium hydroxide concentration on the purity of pomelo peel cellulose

由圖1可知，隨著氫氧化鈉質(zhì)量濃度的增加，纖維素含量不斷增加，原因是隨著氫氧化鈉質(zhì)量濃度增加，蛋白質(zhì)、色素、黃酮類等堿溶性物質(zhì)不斷被溶出［16］。同時(shí)，纖維素結(jié)構(gòu)變的松散，半纖維素等不斷被溶解，因而纖維素含量不斷增加；當(dāng)氫氧化鈉質(zhì)量濃度達(dá)到10 g/100 mL時(shí)纖維素含量達(dá)到最大，繼續(xù)增大氫氧化鈉質(zhì)量濃度時(shí)，纖維素含量下降，其原因可能為纖維素被堿分解掉一部分，另外，部分纖維素可與堿液發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)堿纖維素。

2.1.2提取溫度對(duì)柚皮纖維素含量的影響

圖2　提取溫度對(duì)柚皮纖維素含量的影響Fig.2　Effect of extraction temperature on the purity of pomelo peel cellulose

由圖2可知，隨著溫度的升高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，堿的反應(yīng)活力加強(qiáng)，纖維素大分子間的糖苷鍵斷裂，促使半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)溶出，使纖維素含量不斷增加，在80 ℃時(shí)，含量達(dá)到最大。之后再升高溫度時(shí)，由于過(guò)高的溫度使得纖維素自身結(jié)構(gòu)遭到破壞而發(fā)生降解，因而纖維素含量顯著下降。

2.1.3提取時(shí)間對(duì)柚皮纖維素含量的影響

圖3　提取時(shí)間對(duì)柚皮纖維素含量的影響Fig.3　Effect of ultraconication time on the purity of pomelo peel cellulose

由圖3可知，在70 min時(shí)出現(xiàn)峰值，之前隨提取時(shí)間延長(zhǎng)，纖維素含量急劇增加，之后急劇下降，90 min后下降趨勢(shì)變得緩慢。時(shí)間較短時(shí)，反應(yīng)不完全，提取的纖維素不純，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)物料與溶液充分反應(yīng)時(shí)，纖維素含量最高；繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，物料黏度增加，纖維素含量反而下降［17］。

2.1.4過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)對(duì)柚皮纖維素含量的影響

過(guò)氧化氫對(duì)提取的纖維素具有漂白作用，同時(shí)有研究［18］表明，在高溫環(huán)境下，過(guò)氧化氫分解成的氫基自由基可在氧負(fù)離子的協(xié)調(diào)作用下與木質(zhì)素反應(yīng)，使木質(zhì)素鏈發(fā)生斷裂，從而使纖維素含量增加；從圖4可以看出，過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)對(duì)纖維素含量影響不大，隨著過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)增加，纖維素含量從55%左右增加到最大值57.47%，此后再增加過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)，含量開始緩慢下降，最后趨于平緩。

圖4　過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)對(duì)柚皮纖維素含量的影響Fig.4　Effect of hydrogen peroxideon concentration on the purity of pomelo peel cellulose

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取柚皮纖維素工藝

2.2.1響應(yīng)面模型設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)氫氧化鈉質(zhì)量濃度、提取溫度、提取時(shí)間、過(guò)氧化氫體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇對(duì)纖維素含量影響較大的3 個(gè)因素，采用Design-Expert 8.0.6軟件，以表1的因素水平設(shè)計(jì)17組試驗(yàn)，分別測(cè)定纖維素含量，設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

表2　響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table2　Response surface design scheme and experimental results

2.2.2響應(yīng)面模型建立與顯著性檢驗(yàn)

由表3可知，模型達(dá)到極顯著水平，而失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠，所擬合的二次回歸方程合適，可用此模型對(duì)柚皮纖維素提取進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)；各因素中一次項(xiàng)B、二次項(xiàng)A2、C2對(duì)纖維素含量有極顯著影響；一次項(xiàng)A、交互項(xiàng)AC、二次項(xiàng)C2對(duì)纖維素含量有顯著影響。各因素對(duì)纖維素含量的影響大小順序?yàn)樘崛囟龋練溲趸c質(zhì)量濃度＞提取時(shí)間。其中，氫氧化鈉質(zhì)量濃度和提取時(shí)間對(duì)纖維素含量具有交互作用，且達(dá)到顯著水平。

表3　纖維素含量響應(yīng)面模型的方差分析Table3　Analysis of variance for the response surface quadratic model for cellulose puriittyy

根據(jù)各項(xiàng)的回歸系數(shù)，得到模型的回歸方程為：

Y=62.22－1.71A+4.24B+1.06C+0.77AB－1.76AC+ 0.05BC－3.33A2－5.52B2－2.11C2

2.2.3響應(yīng)面分析與優(yōu)化

根據(jù)回歸方程，得到各因素交互作用對(duì)纖維素含量影響的響應(yīng)面圖和等高線圖，分別為圖5。其中，等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小，等高線圓形表示兩因素交互作用不顯著，橢圓表示兩交互作用顯著［19］。響應(yīng)面圖的曲面性狀可以看出影響因素的顯著水平，曲面較陡說(shuō)明影響顯著，曲面較圓說(shuō)明影響不顯著［20］。

圖5　各因素交互作用對(duì)柚皮纖維素含量影響的響應(yīng)面圖Fig.5　Response surface and contour plots for the interactive effects of NaOH treatment conditions on the cellulose content of pomelo peel extract

由圖5a可知，提取時(shí)間一定時(shí)，隨著氫氧化鈉質(zhì)量濃度增加和提取溫度的升高，纖維素含量呈先升高后下降的趨勢(shì)。當(dāng)氫氧化鈉質(zhì)量濃度在10 g/100 mL左右，提取溫度在80 ℃左右時(shí)，含量有最大值。從響應(yīng)面圖中，明顯看到溫度曲面變化較氫氧化鈉質(zhì)量濃度曲面變化更陡，說(shuō)明提取溫度對(duì)纖維素含量影響較氫氧化鈉質(zhì)量濃度更顯著。由圖5b可知，提取溫度一定時(shí)，纖維素含量隨著氫氧化鈉質(zhì)量濃度增加呈先升高后下降的趨勢(shì)，隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)而一直升高。當(dāng)氫氧化鈉質(zhì)量濃度在10 g/100 mL左右，提取時(shí)間在66～74 min時(shí)，含量有最大值。由等高線圖可以看出，該等高線為橢圓形圖案，可以推出其兩因素的交互作用對(duì)含量影響顯著。由圖5c可知，在10 g/100 mL氫氧化鈉質(zhì)量濃度不變條件下，纖維素含量隨提取溫度的升高先上升后下降，提取時(shí)間對(duì)纖維素含量的影響則為先上升后趨于平穩(wěn)趨勢(shì)。當(dāng)提取溫度在80℃左右，提取時(shí)間在66～74 min時(shí)，含量有最大值。

2.2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化后的最佳提取工藝條件為氫氧化鈉質(zhì)量濃度9.38 g/100 mL、提取溫度83.61 ℃、提取時(shí)間77.54 min，此時(shí)預(yù)測(cè)含量的理論值為63.53%?？紤]到實(shí)際操作性，選擇氫氧化鈉質(zhì)量濃度9.4 g/100 mL、提取溫度84 ℃、提取時(shí)間77 min。為檢測(cè)結(jié)果的可靠性，采用最佳條件做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，纖維素含量為63.12%，與理論值較為接近，說(shuō)明擬合程度較好，可以利用該工藝條件制備柚皮纖維素。

3　結(jié) 論

在單因素的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)響應(yīng)面分析法，以纖維素含量為響應(yīng)值，得到柚皮纖維素提取的最優(yōu)工藝條件：氫氧化鈉質(zhì)量濃度為9.4 g/100 mL、提取溫度84 ℃、提取時(shí)間77 min，在此條件下，柚子皮纖維素含量為63.12%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與羅均［21］、Ejikeme［22］等分別采用琯溪蜜柚、橙皮渣得到的纖維素含量相近，分別為67.7%、62.5%。存在 的差別可能是品種不同及提取條件不同引起，但基本保持一致。

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Optimization of Ultrasonic-Assisted Extraction of Cellulose from Pomelo Peel by Response Surface Methodology

ZENG Xiaofeng1， BIAO Xiaoming1，2， GE Zhixing1， PENG Xuejiao1， WANG Hua1，3，*
（1. Citrus Research Institute， Southwest University， Chongqing 400712， China； 2. College of Food Science， Southwest University，Chongqing 400715， China； 3. National Citrus Engineering Research Center， Chongqing 400712， China）

The present study optimized the ultrasonic-assisted extraction of cellulose from pomelo peel by the combined use of single factor method and response surface methodology （RSM）. In the extraction process， pomelo peel was ultrasonically treated with （NaOH） at a certain temperature for the removal of hemicelluloses， followed by further removal of lignin and simultaneous decolorization with hydrogen peroxide. The influences of sodium hydroxide concentration， extraction temperature， ultrasonication time and hydrogen peroxide concentration， as well as interactions among the former three variables on the cellulose content （i.e.， purity） of pomelo peel extract were investigated. The results indicated that the cellulose content of pomelo peel extract was affected in decreasing order by the following factors： extraction temperature ＞sodium hydroxide concentration ＞ ultrasonication time. Through response surface methodology， the process conditions for hemicelluloses removal were optimized as follows： NaOH concentration 9.4 g/100 mL， temperature 84 ℃ and ultrasonication time 77 min. Under these conditions， the purity of cellulose extracted from pomelo peel was 63.12%.

pomelo peel； cellulose； ultrasonic-assisted extraction； response surface methodology

TS255.3

A

1002-6630（2015）14-0034-05

10.7506/spkx1002-6630-201514007

2015-01-14

重慶市應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2013yykfB00001）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503142）

曾小峰（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營(yíng)養(yǎng)學(xué)。E-mail：zengxiaofeng@sinocitrus.com

王華（1963—），男，研究員，學(xué)士，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營(yíng)養(yǎng)學(xué)。E-mail：wanghua40@126.com