劉 寧,戴 瑞,劉 濤

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150076;2.桂林旅游學(xué)院酒店管理學(xué)院,廣西桂林 541006)

香蕉是我國(guó)四大水果之一,是我國(guó)南方地區(qū)相對(duì)重要的經(jīng)濟(jì)作物,同時(shí)也可以當(dāng)作糧食作物,是全球銷(xiāo)量最大的水果[1]。香蕉具有不耐儲(chǔ)藏的性質(zhì),在采摘后不及時(shí)生產(chǎn)或銷(xiāo)售就會(huì)造成一定的損失,因此某些加工香蕉的企業(yè)就會(huì)選擇在香蕉種植基地的附近來(lái)建立香蕉加工廠(chǎng),這樣會(huì)減少大量的損失。當(dāng)香蕉產(chǎn)品加工后與之而來(lái)大量的香蕉皮(約占香蕉果實(shí)重量的35%)就成為了香蕉產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物之一[2]。充分利用香蕉皮等副產(chǎn)物資源,并且促進(jìn)香蕉產(chǎn)業(yè)快速健康地發(fā)展是未來(lái)挑戰(zhàn)的前景[3]。

羧甲基纖維素(CMC)為白色或淡黃色的纖維狀或顆粒狀粉末,無(wú)臭、無(wú)味、具有一定的吸濕性,易于分散在水中形成透明的膠體溶液。CMC具有膠體的性質(zhì),可用作乳化劑、穩(wěn)定劑、粘結(jié)劑等而被廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)療、化妝品等領(lǐng)域。CMC由于其本身具有良好的功能特性使其在食品、醫(yī)療、化妝品等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CMC可作為穩(wěn)定劑同時(shí)又具有增稠性,可以添加到酸性乳飲料中來(lái)增加酸奶體系的穩(wěn)定性和黏稠性;由于其具有一定的親水性和復(fù)水性,可以添加到面包和饅頭等面制食品中來(lái)提高面制食品的口感、形貌,并且還能延長(zhǎng)面制食品的保質(zhì)期;由于其具有一定的凝膠作用,有利于食品更好地形成凝膠,因此能夠用于制造果凍和果醬等;當(dāng)與其他增稠劑復(fù)配使用時(shí),可以作為可食性的涂膜材料[4],當(dāng)涂抹在一些食品表面時(shí)可以使涂抹的食品隔絕空氣達(dá)到保鮮的效果。CMC是一種可食性材料,對(duì)人體健康不會(huì)造成不良影響。所以,由于CMC具有如此之多的性質(zhì),是理想的食品添加劑,在食品行業(yè)有著非常好的發(fā)展前景。

本課題以廢棄的香蕉皮進(jìn)行綜合利用,提取高純度的纖維素,并對(duì)其進(jìn)行改性,制備高取代度的羧甲基纖維素,擴(kuò)展香蕉皮的綜合利用。實(shí)現(xiàn)了廢棄物的再利用,有效利用再生資源,這為CMC工業(yè)的生產(chǎn)開(kāi)拓了新的原材料。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香蕉皮 畦頭大蕉;氫氧化鈉 分析純,天津市大陸化學(xué)試劑廠(chǎng);無(wú)水乙醇 分析純,天津市天力化學(xué)試劑有限公司;30%雙氧水 分析純,天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司;鹽酸、硫酸 分析純,西隴化工股份有限公司;氯乙酸 分析純,山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司。

DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;TDL-4A臺(tái)式離心機(jī) 上海菲洽爾分析儀器有限公司;HZS-H超級(jí)恒溫水浴振蕩器 金壇市友聯(lián)儀器研究所;FA2004電子天平 上海越平科學(xué)儀器有限公司;SX-5-12箱式電阻爐 天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電路有限公司;S-570掃描電子顯微鏡 日本日立公司;FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀 天津港東科技發(fā)展有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 纖維素提取 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室前期工作確定纖維素的提取流程:把香蕉皮在水中煮沸5 min,取出后冷卻到室溫,切成1 cm2的小塊后在60 ℃下烘干,粉碎,過(guò)60目篩。取1.0000 g香蕉皮粉末,在NaOH質(zhì)量濃度為7.2%,雙氧水濃度為0.7%,提取時(shí)間為80 min,提取溫度為75 ℃的條件下得到纖維素的提取率為82.67%。

1.2.2 羧甲基纖維素制備的單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 NaOH用量對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 取1.0000 g香蕉皮纖維素,加入30 mL體積濃度分別為95%的乙醇,分別加入纖維素∶NaOH=1∶0.8、1∶1、1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6 (g·g-1),在室溫下堿化時(shí)間為75 min。再加入纖維素∶氯乙酸=1∶2 (g·g-1),在75 ℃下醚化80 min。取出后用95%的乙醇洗滌后干燥。測(cè)定干燥后的羧甲基纖維素的取代度。

1.2.2.2 堿化時(shí)間對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 取1.0000 g香蕉皮纖維素,加入30 mL體積濃度分別為95%的乙醇,加入纖維素∶NaOH=1∶1.4 (g·g-1),在室溫下堿化時(shí)間分別為45、55、65、75、85 min。再加入纖維素∶氯乙酸=1∶2 (g·g-1),在75 ℃下醚化80 min。取出后用95%的乙醇洗滌后干燥。測(cè)定干燥后的羧甲基纖維素的取代度。

1.2.2.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 取1.0000 g香蕉皮纖維素,加入30 mL體積分?jǐn)?shù)分別為80%,85%,90%,95%,100%的乙醇,加入纖維素∶NaOH=1∶1.4 (g·g-1),在室溫下堿化時(shí)間75 min。再加入纖維素∶氯乙酸=1∶2 (g·g-1),在75 ℃下醚化80 min。在取出后用95%的乙醇洗滌后干燥。測(cè)定干燥后的羧甲基纖維素的取代度。

1.2.2.4 氯乙酸用量對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 取1.0000 g香蕉皮纖維素,加入30 mL體積濃度分別為95%的乙醇,加入纖維素∶NaOH=1∶1.4 (g·g-1),在室溫下堿化時(shí)間為75 min。再分別加入纖維素∶氯乙酸=1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5 (g·g-1),并在75 ℃下醚化80 min。取出后用95%的乙醇洗滌后干燥。測(cè)定干燥后的羧甲基纖維素的取代度。

1.2.2.5 醚化溫度對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 取1.0000 g香蕉皮纖維素,加入30 mL體積濃度分別為95%的乙醇,加入纖維素∶NaOH=1∶1.4 (g·g-1),在室溫下堿化時(shí)間為75 min。再加入纖維素∶氯乙酸=1∶2 (g·g-1),分別在60、65、70、75、80 ℃下醚化80 min。取出后用95%的乙醇洗滌后干燥。測(cè)定干燥后的羧甲基纖維素的取代度。

1.2.2.6 醚化時(shí)間對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 取1.0000 g香蕉皮纖維素,加入30 mL體積濃度分別為95%的乙醇,加入纖維素∶NaOH=1∶1.4 (g·g-1),在室溫下堿化時(shí)間為75 min。再加入纖維素∶氯乙酸=1∶2 (g·g-1),在75,80 ℃下醚化60、70、80、90、100 min。取出后用95%的乙醇洗滌后干燥。測(cè)定干燥后的羧甲基纖維素的取代度。

1.2.3 取代度測(cè)定 羧甲基纖維素取代度根據(jù)GB1886.232-2016測(cè)定。

1.2.4 PB(Plackett-Burman)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)羧甲基纖維素的制備條件,結(jié)合相關(guān)方面的文獻(xiàn)報(bào)道,對(duì)影響?hù)燃谆w維素取代度的6個(gè)因素進(jìn)行篩選,選用12次實(shí)驗(yàn)作為PB實(shí)驗(yàn),其設(shè)計(jì)如表1所示。每個(gè)因素取2個(gè)水平,低水平用“-1”表示,高水平用“1”表示。PB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析和模型建立均采用Minitab 17軟件進(jìn)行計(jì)算和分析。

1.2.5 響應(yīng)面法優(yōu)化 根據(jù)PB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,選取決定取代度大小的關(guān)鍵因子纖維素與氫氧化鈉質(zhì)量比、纖維素與氯乙酸質(zhì)量比、醚化溫度作為進(jìn)一步優(yōu)化因素。運(yùn)用Design-Expert.8.05b數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件,實(shí)驗(yàn)因子與水平如表2所示。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface test

1.2.6 紅外光譜測(cè)定方法 稱(chēng)取一定量的羧甲基纖維素樣品和KBr，將其在瑪瑙研缽中混合均勻，在一定的壓力下壓成圓片，然后將樣品片放入紅外光譜儀光路中進(jìn)行測(cè)定，實(shí)時(shí)扣除KBr與空氣背景。圖譜的波數(shù)掃描范圍為4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為10，紅外光譜圖的橫、縱坐標(biāo)分別為波數(shù)(cm-1)和透光率T(%)，每個(gè)樣品的紅外圖譜是平行測(cè)定3次以后求得的平均圖譜，所得紅外圖譜均采用OMNIC 8.0軟件進(jìn)行自動(dòng)基線(xiàn)校正和9點(diǎn)平滑處理，用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

各指標(biāo)在相同條件下進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn),應(yīng)用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖,應(yīng)用Design-Expert 8.05b和Minitab 17進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析,最終平行測(cè)定結(jié)果為三次實(shí)驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差,顯著性水平設(shè)定為p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 氫氧化鈉用量對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 由圖1可見(jiàn),當(dāng)纖維素與NaOH質(zhì)量比小于1∶1.4 (g·g-1)時(shí),隨著NaOH用量增加,羧甲基纖維素取代度逐漸升高。當(dāng)纖維素與NaOH質(zhì)量比等于1∶1.4 (g·g-1)時(shí),羧甲基纖維素取代度達(dá)到最高。此后,隨著NaOH用量繼續(xù)增加,NaOH因與氯乙酸發(fā)生反副反應(yīng)而影響主反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)致羧甲基纖維素取代度降低。因此,適宜的纖維素∶NaOH為1∶1.4 (g·g-1)。賀楊[5]在研究毛竹制備羧甲基纖維素時(shí)得到纖維素∶NaOH=1∶1.2 (g·g-1),取代度達(dá)0.9137,而本實(shí)驗(yàn)的取代度可達(dá)1.166。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的NaOH用量與取代度結(jié)果相差較小。

圖1 NaOH用量對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響Fig.1 Effect of NaOH on CMC substitution degree

2.1.2 堿化時(shí)間對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 由圖2可見(jiàn),隨著堿化時(shí)間的增加,羧甲基纖維素取代度提高。當(dāng)堿化時(shí)間為65 min時(shí)取代度最高,隨后下降。因?yàn)殡S著堿化時(shí)間增加,使得纖維素與堿充分反應(yīng),生成堿化纖維素。但堿化時(shí)間過(guò)長(zhǎng),生成的堿化纖維會(huì)發(fā)生分解導(dǎo)致取代度降低。因此,堿化時(shí)間選取65 min為宜。周婷婷[6]在研究棉桿羧甲基纖維素制備時(shí)所用的堿化時(shí)間為80 min,取代度為0.8,堿化時(shí)間雖然大于本實(shí)驗(yàn),但取代度卻低于本實(shí)驗(yàn)。

圖2 堿化時(shí)間對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響Fig.2 Effects of alkalization time on CMC substitution degree

2.1.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 由圖3可見(jiàn),隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加,羧甲基纖維素取代度逐漸增大,在乙醇體積分?jǐn)?shù)為95%時(shí)達(dá)到最大。乙醇體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加,取代度則略有降低。乙醇體積分?jǐn)?shù)越大也就表示水含量越低,不利于氯乙酸與堿化纖維素反應(yīng)的進(jìn)行。但當(dāng)含水量太多,促進(jìn)了堿纖維素的水解作用,有利于游離堿與氯乙酸的副反應(yīng),從而使醚化劑利用率下降、產(chǎn)品取代度下降,影響反應(yīng)進(jìn)行。因此,較佳的乙醇體積分?jǐn)?shù)選擇為95%。李瑞雪[7]在85%的乙醇溶液中制備蔗渣羧甲基纖維素得到取代度達(dá)到1.45,高于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響Fig.3 Effects of ethanol concentration on CMC substitution degree

2.1.4 氯乙酸用量對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 由圖4可見(jiàn),隨著氯乙酸用量的增加,羧甲基纖維素取代度先升高后降低。當(dāng)纖維素與氯乙酸質(zhì)量比為1∶1.5 (g·g-1)時(shí),羧甲基纖維素取代度達(dá)到最大。原因是氯乙酸會(huì)使反應(yīng)體系的酸濃度增加,這樣會(huì)促進(jìn)生成的堿纖維素與氯乙酸反應(yīng)而提高取代度。但氯乙酸用量過(guò)多,使整個(gè)體系的酸濃度進(jìn)一步增加,這樣會(huì)引起CMC的分解,導(dǎo)致取代度的下降。因此,適宜的纖維素與氯乙酸質(zhì)量比為1∶1.5 (g·g-1)。余小龍[8]在研究用竹屑制備羧甲基纖維素時(shí)纖維素與氯乙酸質(zhì)量比為1∶1.2 (g·g-1),此時(shí)取代度為0.8,明顯低于本實(shí)驗(yàn)。

圖4 氯乙酸用量對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響Fig.4 Effects of chloroacetic acid dosage on CMC substitution degree

2.1.5 醚化溫度對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 由圖5可見(jiàn),隨著醚化溫度的升高,羧甲基纖維素取代度先升高后降低,當(dāng)溫度為70 ℃取代度最大。因?yàn)楫?dāng)溫度較低時(shí),反應(yīng)速率較慢會(huì)影響醚化劑的利用率,此時(shí)取代度相對(duì)較低。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度看,醚化溫度越高,主反應(yīng)速度越快,但副反應(yīng)速度也增加[9]。因此,適宜的醚化溫度為70 ℃為宜。羅蒼學(xué)[10]在研究蘋(píng)果皮制備羧甲基纖維素時(shí)所用的醚化溫度為40 ℃,此時(shí)的取代度為1.37,高于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？赡苡捎谔O(píng)果與香蕉的纖維素結(jié)構(gòu)有所不同,在醚化的溫度上有較大的差距。

圖5 醚化溫度對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響Fig.5 Effects of etherification temperature on CMC substitution degree

2.1.6 醚化時(shí)間對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響 由圖6可見(jiàn),隨著醚化時(shí)間的增加,羧甲基纖維素取代度先升高后降低。醚化時(shí)間為90 min時(shí)取代度最大。當(dāng)醚化時(shí)間不夠時(shí)會(huì)導(dǎo)致醚化反應(yīng)不完全,不利于取代度的增加。但醚化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就會(huì)造成纖維素和堿化纖維素的降解,導(dǎo)致取代度下降。因此,適宜的醚化溫度為90 min。張玲玲[11]在研究松木制備羧甲基纖維素時(shí)所用的醚化時(shí)間為2 h,此時(shí)的取代度為1.237,與本實(shí)驗(yàn)相差不大。

圖6 醚化時(shí)間對(duì)羧甲基纖維素取代度的影響Fig.6 Effects of etherification time on CMC substitution degree

2.2 PB實(shí)驗(yàn)優(yōu)化關(guān)鍵因子

PB實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析結(jié)果見(jiàn)表3和表4所示。

表3 PB實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental the results of PB

表4 PB實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 4 Experimental variances analysis of PB

由表4可知,纖維素與NaOH的質(zhì)量比和纖維素與氯乙酸鈉的質(zhì)量比對(duì)取代度影響非常顯著(p<0.01),醚化溫度對(duì)取代度影響比較顯著的(p<0.05)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)圖7,選擇纖維素:NaOH(A)、纖維素:氯乙酸(C)、醚化溫度(D)三個(gè)主要影響因素,進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)圖Fig.7 Diagram of standardization effect

取代度=0.005+0.2161A+0.001194B+0.0735C+0.00376D+0.000311E+0.00022F

2.3 羧甲基纖維素制備條件的響應(yīng)面優(yōu)化

由PB實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,纖維素與NaOH質(zhì)量比、纖維素與氯乙酸質(zhì)量比、醚化溫度是影響?hù)燃谆w維素取代度的關(guān)鍵因子。因此,選擇這三個(gè)因素為優(yōu)化對(duì)象。根據(jù)表2響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平表,采用Design-Expert 8.05b軟件,根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn),采用Box-Behnken法,得到的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表5所示,相應(yīng)的方差分析如表6所示。對(duì)取代度進(jìn)行多元回歸擬合得到二次回歸方程為:

表5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 5 Design and results of response surface test

表6 方差分析Table 6 Variances analysis

取代度=1.25+3.338E-003A+0.042B+0.034C-5.300E-003AB-0.049AC-0.022BC-0.22A2-0.092B2-0.020C2

響應(yīng)面分析為了考察交互項(xiàng)對(duì)取代度的影響,其結(jié)果如圖8所示。

圖8 各因素交互作用對(duì)取代度影響的響應(yīng)曲面Fig.8 The response surface for extraction rate under interaction factors

根據(jù)響應(yīng)曲面圖的分析方法可知,當(dāng)?shù)雀呔€(xiàn)呈現(xiàn)橢圓形時(shí),表示這兩個(gè)條件的交互作用較強(qiáng),反之呈現(xiàn)圓形則交互作用較弱。處在同一橢圓形區(qū)域中的結(jié)果是相同的,越靠近區(qū)域的中心,則反應(yīng)了結(jié)果的最大值或最小值;等高線(xiàn)排列的越緊湊,表示此條件下對(duì)結(jié)果的影響率越大。因此,如圖8所示,AC、BC對(duì)取代度有顯著性影響;而且各個(gè)響應(yīng)曲面均為凸面,表示該模型在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)存在穩(wěn)定點(diǎn),且穩(wěn)定點(diǎn)為最大值。

2.4 紅外光譜分析

波數(shù)為3200～3600 cm-1代表-OH的伸縮振動(dòng)吸收峰,2920 cm-1左右是亞甲基-CH2的仲縮振動(dòng)吸收峰,1600～1640 cm-1代表羧基鹽-COO-中C=O的仲縮振動(dòng)吸收峰,1450 cm-1左右代表-CH2的彎曲振動(dòng)吸收峰,1000～1200 cm-1左右代表著-C-O-C-的仲縮振動(dòng)吸收峰[12],將實(shí)驗(yàn)合成的CMC與商品CMC對(duì)比,如圖9所示,經(jīng)過(guò)堿化、醚化后的產(chǎn)物CMC在3412.46、1623.64、1060.26 cm-1出現(xiàn)了更強(qiáng)烈的吸收峰,這些吸收峰分別代表著-OH、C=O、-C-O-C-的存在,說(shuō)明了羧甲基化反應(yīng)的完成。從圖9中可以知道,兩種CMC的峰位基本一致,這進(jìn)一步說(shuō)明了香蕉皮羧甲基纖維素制備完成。

圖9 香蕉皮羧甲基纖維素、市售羧甲基纖維素的紅外光譜圖Fig.9 The infrared spectra of carboxymethyl cellulose from banana peel and commodity carboxymethyl cellulose 注:a.香蕉皮羧甲基纖維素,b.市售羧甲基纖維素。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)Design-Expert.8.05b求得二元回歸方程取代度的最大值和最佳提取工藝條件,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件將取代度條件進(jìn)行優(yōu)化,在優(yōu)化條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次測(cè)定取代度的平均值,并計(jì)算RSD。當(dāng)纖維素:NaOH=1∶1.5 (g·g-1)、纖維素∶氯乙酸=1∶1.87 (g·g-1)、醚化溫度為78.99 ℃時(shí),取代度為1.28。但考慮實(shí)際可操作性和生產(chǎn)性,選擇纖維素∶NaOH=1∶1.5 (g·g-1)、纖維素∶氯乙酸=1∶1.9 (g·g-1)、醚化溫度為80 ℃時(shí),取代度為1.23。證明實(shí)驗(yàn)可行,而且實(shí)際結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值相差不多,因此,響應(yīng)面法優(yōu)化取代度的參數(shù)準(zhǔn)確、可靠,具有一定實(shí)際用價(jià)值。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)雙氧水促進(jìn)、堿化工藝成功地提取了纖維素,然后通過(guò)羧甲基化制備出了羧甲基纖維素,并通過(guò)紅外光譜分析結(jié)果得到羧甲基纖維素。探索了PB實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提取條件來(lái)制備羧甲基纖維素的工藝。在最佳工藝條件下,所得到的CMC產(chǎn)品的取代度為1.23,可歸類(lèi)為較高取代度的CMC,可以用于造紙、食品、日化等領(lǐng)域。

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