秦 婷，孫海濤，2，林余波，姚 瑤，邵信儒，2

（1.通化師范學院制藥與食品科學學院，吉林通化 134002；2.通化師范學院長白山食用植物資源開發(fā)工程中心，吉林通化 134002）

山葡萄皮渣纖維素的制備及表征

秦 婷1，孫海濤1，2，林余波1，姚 瑤1，*邵信儒1，2

（1.通化師范學院制藥與食品科學學院，吉林通化 134002；2.通化師范學院長白山食用植物資源開發(fā)工程中心，吉林通化 134002）

以山葡萄皮渣為試材，采用酸堿法制備山葡萄皮渣纖維素，研究了提取條件對纖維素得率的影響，優(yōu)化了山葡萄皮渣纖維素的制備工藝，并對纖維素進行了表征。結果表明，當NaCO3質量分數(shù)22%，反應時間120 min，反應溫度60℃，料液比1∶16（g∶mL） 時，山葡萄皮渣纖維素的得率最高，為38.89%。通過紅外光譜分析和X射線衍射分析表明，山葡萄皮渣纖維素具有纖維素的典型結構和特征衍射峰，具有較高的結晶度。

纖維素；提??；山葡萄皮渣；表征

Abstract：Research is based on grape pomace as material，cellulose of grape pomace is prepared using the acid-base method.The effects of extraction conditions on the yield of cellulose are studied.The preparation technology of cellulose is optimized and characterized.The results show that，mass fraction 22%，reaction time 120 min，reaction temperature 60℃，and solid-liquid ratio 1∶16（g∶mL），cellulose of grape pomace extraction rate is 38.89%.Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffraction analysis show that the cellulose of grape pomace has a typical structure and characteristic diffraction peaks of cellulose，and the crystallinity is high.

Key words：cellulose；grape pomace；extraction process；structure characterization

通化地處長白山腳下，有著豐富的山葡萄資源，素有“中國葡萄酒之鄉(xiāng)”的美譽。隨著山葡萄酒產(chǎn)量的逐年增長，山葡萄酒副產(chǎn)物也不斷增多。據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)100 L山葡萄酒可產(chǎn)25 kg廢棄物，其中山葡萄皮渣13 kg，山葡萄籽8 kg和山葡萄梗4 kg。最初，這些副產(chǎn)物大多被應用于肥料、飼料，甚至被廢棄，利用率較低[1]。研究表明，山葡萄加工廢棄物中蘊含著大量的生物活性成分，如原花青素、葡萄籽油、膳食纖維、白藜蘆醇等[2]。因此，從山葡萄皮渣中提取纖維素對深入開發(fā)利用山葡萄皮渣資源具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

試驗以山葡萄酒生產(chǎn)的副產(chǎn)物山葡萄皮渣為原料，采用酸堿法制備纖維素并對其進行表征，旨在為增加山葡萄皮渣資源的利用途徑和提高山葡萄資源的附加值提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山葡萄皮渣，2016年10月購買于通化市；檸檬酸、碳酸鈉，為食品級；次氯酸鈉，為分析純。

1.2 儀器與設備

DX-2700型XRD儀，丹東浩元儀器有限公司產(chǎn)品；IS50型FT-IR儀，美國Nicolet公司產(chǎn)品；LWF-6Bl型超微粉碎機，龍微制藥設備有限公司產(chǎn)品；LGJ-50FD型真空冷凍干燥機，河南兄弟設備有限公司產(chǎn)品；KQ-200KDB型高功率數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；PB-10型酸度計，賽多利斯科學儀器有限公司產(chǎn)品；AL104型電子天平，Mettler-Toledo（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 山葡萄皮渣纖維素的制備工藝

山葡萄皮渣經(jīng)清洗、除雜、干燥、超微粉碎后過100目篩，得到山葡萄皮渣粉末。取10 g山葡萄皮渣粉末加入到200 mL蒸餾水，用檸檬酸調節(jié)pH值為2.0，于80℃水浴中加熱處理60 min，經(jīng)冷卻、過濾后備用。濾渣按料液比1∶16（g∶mL）加入質量分數(shù)為20%的NaCO3溶液，在60℃條件下反應100 min，抽濾，濾渣洗滌至中性，按質量體積比1∶3加入次氯酸鈉；于50℃條件下脫色60 min，抽濾，濾渣洗滌至中性，真空冷凍干燥粉碎后得到山葡萄皮渣纖維素粉末。

1.3.2 山葡萄皮渣纖維素得率的測定

采用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵銨法測定山葡萄皮渣纖維素的含量[3]；山葡萄皮渣纖維素的得率參照文獻[4]的方法測定，按照公式（1）計算。

式中：Y——山葡萄皮渣纖維素得率，%；

m1——山葡萄皮渣提取物的質量，g；

m2——山葡萄皮渣粉末的質量，g；

c——提取物中山葡萄皮渣纖維素的含量，%。

1.3.3 單因素試驗

按1.3.1所述的方法制備山葡萄皮渣纖維素，分別考查NaCO3質量分數(shù)（18%，20%，22%，24%，26%）、反應時間 （60，80，100，120，140 min）、反應溫度（40，50，60，70，80℃）、料液比（1∶10，1∶12，1∶14，1∶16，1∶18） 對山葡萄皮渣纖維素得率的影響。固定水平：NaCO3質量分數(shù)20%，反應時間100 min，反應溫度60℃，料液比1∶16 （g∶mL）。

1.3.4 正交試驗

在單因素試驗基礎上設計四因素三水平的正交試驗，優(yōu)化山葡萄皮渣纖維素制備的最佳工藝條件。

L9（34）正交試驗因素與水平設計見表1。

表1L9（34）正交試驗因素與水平設計

1.3.5 FTIR分析

采用ATR測試方法，紅外光譜的掃描范圍為4 000～550 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16次，記錄紅外光譜圖。

1.3.6 XRD分析

取適量試樣平鋪于測試板中央，置于X射線衍射儀測試倉內，X光管Cu靶，Ka射線，測量方式：步進測量，管電流為40 mA，管壓為40 kV，掃描范圍為5°～50°，步進角度為0.020，采樣時間為0.1 s。利用MDI Jade 6軟件分析X射線衍射圖，確定衍射峰、晶型結構和結晶度的變化情況。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 NaCO3質量分數(shù)對山葡萄皮渣纖維素得率的影響

由結果可知，當NaCO3質量分數(shù)在18%～24%時，隨著NaCO3質量分數(shù)的增加，纖維素得率顯著提高，并在NaCO3質量分數(shù)為24%時達到最大值34.99%。這是由于堿質量分數(shù)增大，可使山葡萄皮渣的纖維結構松散，增加了對半纖維素溶解的能力，促使山葡萄皮渣中的蛋白質和無氮浸出物等堿溶性物質不斷溶出，纖維素得率提高。當NaCO3質量分數(shù)超過24%時，纖維素得率逐漸下降。這是由于堿質量分數(shù)過大，氧化性增強，纖維素被分解；另外，部分纖維素可與高質量分數(shù)的堿液反應生成堿纖維素，從而導致纖維素得率降低[5]。

2.1.2 反應時間對山葡萄皮渣纖維素得率的影響

由結果可知，隨著反應時間的延長，纖維素得率逐漸增大，當反應時間達到120 min時達到最大值32.92%。這是由于隨著反應時間的增加，使半纖維素和木質素等物質充分溶出，纖維素得率提高。當繼續(xù)延長反應時間時，使纖維素結構遭到破壞，發(fā)生降解而使纖維素得率降低。

2.1.3 反應溫度對山葡萄皮渣纖維素得率的影響

由結果可知，當反應溫度不超過60℃時，隨著反應溫度的提高，纖維素得率逐漸增大，在反應溫度60℃時達到最大值35.32%。這是由于當反應溫度較低時，木質素不易去除；隨著反應溫度的升高，分子運動加劇，加強了NaCO3溶液的反應活力，促進山葡萄皮渣分子間糖苷鍵斷裂，以及木質素、半纖維素等物質溶出，纖維素得率增大[6]。當反應溫度超過60℃時，破壞了部分纖維素結構，使纖維素得率逐漸降低。

2.1.4 料液比對山葡萄皮渣纖維素得率的影響

由結果可知，隨著料液比的增加，纖維素得率先增大而后降低，在料液比1∶16（g∶mL） 時達到最大值。這是由于隨著料液比的增大，山葡萄皮渣粉末更加充分和迅速地與堿液接觸，加強了對山葡萄皮渣中半纖維素和無氮浸出物的水解能力；同時，隨著料液比增大，在提取過程中目標物質與溶劑邊界層濃度差變大，纖維素得率提高。但是，過度提高料液比也會導致纖維素的分解，纖維素得率降低。

2.2 正交試驗

正交試驗的極差分析見表2，正交試驗的方差分析見表3。

由表2和表3可知，對山葡萄皮渣纖維素得率影響最大的是NaCO3質量分數(shù)、反應溫度，其次是反應時間，最后是料液比。其中，NaCO3質量分數(shù)和反應溫度對山葡萄皮渣纖維素得率的影響達到顯著水平。同時，經(jīng)分析優(yōu)化得到山葡萄皮渣纖維素的最佳制備工藝組合為A1B2C3D2，即NaCO3質量分數(shù)22%，反應時間120 min，反應溫度60℃，料液比1∶16。在此條件下進行驗證試驗，得到山葡萄皮渣纖維素的得率為38.89%，高于試驗組，說明試驗結果可靠。

2.3 FTIR分析

山葡萄皮渣原料與纖維素的FTIR對比結果見圖1。

表2 正交試驗的極差分析

表3 正交試驗的方差分析

圖1 山葡萄皮渣原料與纖維素的FTIR對比結果

由圖1可知，山葡萄皮渣原料和纖維素均在3 331 cm-1處有較強的吸收峰出現(xiàn)，這是由O-H伸縮振動產(chǎn)生的吸收峰；山葡萄皮渣原料圖譜在2 922 cm-1和2 852 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為飽和C-H伸縮振動和彎曲振動產(chǎn)生；在2 359 cm-1和1 742 cm-1處出現(xiàn)明顯的吸收峰，此為C=O伸縮振動產(chǎn)生的吸收峰，而在纖維素的圖譜中此峰消失或明顯減弱，說明其被堿液處理去除，同時表明堿液水解去除了部分半纖維素和木質素成分；在1 398 cm-1附近的吸收峰對應的是C-H對稱伸縮振動和彎曲振動產(chǎn)生；在903 cm-1和789 cm-1附近產(chǎn)生較強的吸收峰，此為β-D-葡萄糖基的特征光譜和=C-H面外變形振動吸收，這些吸收峰在纖維素圖譜中被堿液去除而減弱或消失。纖維素圖譜在1 608 cm-1附近的吸收峰為C=C的伸縮振動產(chǎn)生；在1 262 cm-1和1 028 cm-1附近產(chǎn)生C-C骨架伸縮振動峰，對應纖維素的異頭碳振動頻率，是纖維素的特征峰[7]。同時，經(jīng)分析表明，通過試驗制備的山葡萄皮渣纖維素具有纖維素的典型特征，并未破壞其基本化學結構。

2.4 山葡萄皮渣纖維素的XRD分析

山葡萄原料與葡萄皮渣纖維素的XRD結果見圖2。

圖2 山葡萄原料與山葡萄皮渣纖維素的XRD結果

由圖2可知，山葡萄皮渣纖維素在2θ=14.8°，16.6°，22.5°和34.6°處出現(xiàn)衍射峰，此為纖維素的特征衍射峰。與之相比，山葡萄皮渣在2θ=16.7°，21.3°，24.3°，27.6°，31.1°，36.4°出現(xiàn)較明顯的衍射峰，纖維素在（002） 特征晶面（2θ=22.6°） 的衍射峰更為尖銳，相對峰強度明顯增大，非晶部分彌散峰明顯減小，這主要由于堿液處理使其纖維素中的雜質、木質素、半纖維素等去除。山葡萄皮渣纖維素在[101]特征晶面 （2θ=14.83°） 處和（040） 特征晶面（2θ=34.67°） 處出現(xiàn)較弱的衍射峰，進一步表明其屬于纖維素Ⅰ晶型。利用MDI Jade 6軟件對XRD譜圖進行分峰計算可知，制備得到的纖維素結晶度較高，達到52.7%。

3 結論

采用酸堿法制備山葡萄皮渣纖維素，通過單因素試驗和正交試驗優(yōu)化了纖維素的最佳制備工藝為NaCO3質量分數(shù)22%，反應時間120 min，反應溫度60℃，料液比1∶16；在此條件下，制備山葡萄皮渣纖維素的得率最高為38.89%。通過FTIR分析和XRD分析表明，通過酸堿法制備的山葡萄皮渣纖維素保持著纖維素典型結構和特征；同時，弱酸弱堿可將山葡萄皮渣中大部分雜質和半纖維素去除，山葡萄皮渣纖維素具有纖維素的特征衍射峰，結晶度達52.7%。

[1]令博.葡萄皮渣膳食纖維的改性及其生理功能和應用研究 [D].重慶：西南大學，2012.

[2]郭紅珍，李叢勝，解春艷，等.酶法對葡萄皮渣中可溶性膳食纖維的提取研究 [J].釀酒科技，2015（9）：107-110.

[3]李春光，王彥秋，李寧，等.玉米秸稈纖維素提取及半纖維素與木質素脫除工藝探討 [J].中國農(nóng)學通報，2011，27（1）：199-202.

[4]陸紅佳，鄭龍輝，劉雄.超聲波輔助酶結合堿法提取薯渣纖維素的工藝研究 [J].食品工業(yè)科技，2012（1）：234-237.

[5]申輝，范學輝，張清安，等.苦杏仁皮水不溶性膳食纖維提取工藝優(yōu)化及其特性分析 [J].食品科學，2014，35 （20）：6-10.

[6]曾小峰，白小鳴，蓋智星，等.響應面試驗優(yōu)化超聲輔助提取柚皮纖維素工藝 [J].食品科學，2015，36（14）：34-38.

[7]Sun X F，Xu F，Sun R C，et al.Characteristics of degraded cellulose obtained from steam-exploded wheat straw[J].Carbohydrate Polymers，2005，60 （1）：15-26.◇

Preparation and Characterization of Cellulose from Grape Pomace

QIN Ting1，SUN Haitao1，2，LIN Yubo1，YAO Yao1，*SHAO Xinru1，2
（1.School of Pharmaceutics and Food Science，Tonghua Normal University，Tonghua，Jilin 134002，China；2.Changbai Mountain Edible Plant Resources Development Engineering Center，Tonghua Normal University，Tonghua，Jilin 134002，China）

TS202.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.09.029

1671-9646（2017） 09b-0011-03

2017-06-30

吉林省教育廳“十三五”科學技術研究規(guī)劃項目（JJKH20170436KJ）；國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201610202013）；通化師范學院自然科學科研項目（201647）。

秦 婷（1995— ），女，本科，研究方向為食品天然產(chǎn)物提取及功能性研究。

*通訊作者：邵信儒（1981— ），女，博士，副教授，研究方向食品天然產(chǎn)物提取及功能性研究。