王 碩 李 森 李嘉怡 陳 譽(yù) 羅 磊

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

咖啡果殼是咖啡果除去咖啡豆的外層部分，主要包括外果皮、果肉和種殼3部分[1]，是咖啡豆加工的主要副產(chǎn)物，除小部分用作肥料外大部分被丟棄，不但污染環(huán)境還造成資源浪費(fèi)[2]。其富含纖維素、蛋白質(zhì)、維生素、總糖等成分，其中纖維素和總糖含量顯著高于其他成分。通常情況下，咖啡果殼中纖維素占比24.5%、半纖維素為29.7%、木質(zhì)素為23.7%，是微晶纖維素的良好來(lái)源。

微晶纖維素是纖維素酸水解至極限聚合度所得的一種可自由流動(dòng)的纖維素晶體物質(zhì)，無(wú)味、無(wú)臭、不溶于水，呈顆粒狀、短棒狀或膠體狀，擁有很強(qiáng)的吸水性[3]，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、材料等行業(yè)[4]。由于良好的吸附性能，微晶纖維素能夠起到凈化的作用，可將水中危害離子吸附除去[5-6]，還能用于食品工業(yè)中色素的吸附[7]。此外，薛玉清等[8]發(fā)現(xiàn)微晶纖維素可以作為優(yōu)良的穩(wěn)定劑，加入到中性乳飲料中可以使其更加穩(wěn)定且不影響口感。黃敏[9]研究表明，微晶纖維素加入到面包后能增強(qiáng)其保水性，從而延長(zhǎng)保質(zhì)期。Xu等[10]制備了高直鏈淀粉/微晶纖維素藥物遞送載體，發(fā)現(xiàn)其胃內(nèi)漂浮性和緩釋性能優(yōu)異。大多數(shù)情況下，微晶纖維素與其他材料混合后形成的新復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和最大失重速率溫度均有所提高[11]。趙晨飛等[12]研究發(fā)現(xiàn)，特定的微晶纖維素和聚已內(nèi)酯按一定比例混合后可制成有優(yōu)良降解性的可回收二次利用的打印材料。

龐軍浩等[13]指出微晶纖維素可通過(guò)對(duì)原料的水解來(lái)制備，水解步驟主要包括無(wú)機(jī)酸堿的水解、無(wú)機(jī)鹽的水解和纖維素酶的水解。李帥等[14]利用酸水解法制備了玉米秸稈微晶纖維素。黃華等[15]利用亞氯酸鈉除去木質(zhì)素，氫氧化鈉溶液除去半纖維素，再通過(guò)酸水解制備了茶渣微晶纖維素。溫俊峰等[16-17]采用硝酸—乙醇法提取纖維素，纖維素酸水解制備了沙蒿微晶纖維素和山葡萄梗微晶纖維素。研究擬以咖啡果殼為原料，以得率和吸附能力為指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，在不同酸解條件下進(jìn)行微晶纖維素提取工藝優(yōu)化，旨在為咖啡果殼的綜合利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

咖啡果殼：市售；

鹽酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

香精：食品級(jí)，上海維塔化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

分析電子天平：FA2004型，上海良單儀器儀表有限公司；

恒溫水槽與水浴鍋：BWS-0505型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

水流抽氣泵：A-3S型，日本EYELA公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9003型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 咖啡果殼纖維素提取 參照李婉月等[18]的方法并修改：將干燥咖啡果殼粉碎，過(guò)60目篩，95%乙醇提取，抽濾，濾渣于50 ℃烘干至恒重，得咖啡果殼纖維素。

1.2.2 咖啡果殼微晶纖維素制備 參照陳燁等[19]的方法，并按式(1)計(jì)算咖啡果殼微晶纖維素得率。

(1)

式中：

Y——得率，%；

m1——微晶纖維素質(zhì)量，g；

m0——纖維素質(zhì)量，g。

1.2.3 吸附性能測(cè)定 參照李小紅等[20]的方法，并按式(2)計(jì)算咖啡果殼微晶纖維素對(duì)香精的吸附能力。

(2)

式中：

A——吸附能力；

m2——吸附香精后微晶纖維素質(zhì)量，g。

1.2.4 單因素試驗(yàn)

(1)酸解時(shí)間：固定水浴溫度60 ℃，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)1∶16(g/mL)，考察酸解時(shí)間(20，50，80，110，140 min)對(duì)咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力的影響。

(2)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)：固定水浴溫度60 ℃，酸解時(shí)間50 min，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)1∶16(g/mL)，考察鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2%，6%，10%，14%，18%)對(duì)咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力的影響。

(3)料液比：固定水浴溫度60 ℃，酸解時(shí)間50 min，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，考察料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)[1∶10，1∶16，1∶22，1∶28，1∶34(g/mL)]對(duì)咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力的影響。

(4)酸解溫度：固定酸解時(shí)間50 min，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)1∶16(g/mL)，考察酸解溫度(20，40，60，80，100 ℃)對(duì)咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力的影響。

1.2.5 正交優(yōu)化試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以酸解時(shí)間、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比和酸解溫度為考察因素，以咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化咖啡果殼微晶纖維素制備工藝。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 采用IBM SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行顯著性分析，P<0.05為有顯著性差異；使用Graphpad Prism 8.0軟件作圖。正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Minitab15進(jìn)行極差和方差分析。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化和工業(yè)化程度顯著提高，縣域經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，人口密度不斷增加，人均生活水平飛速提高，城鎮(zhèn)污水廠用水量和排水量都在大量增加 [1]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：在全國(guó)22000多個(gè)縣鄉(xiāng)、城鎮(zhèn)中，直接污水排放量約占全國(guó)總排污量的50%以上，這一現(xiàn)象的主要原因是該地區(qū)用于污水處理的基礎(chǔ)設(shè)施相當(dāng)不健全[2]。近年來(lái)相關(guān)地區(qū)對(duì)原有污水處理廠進(jìn)行改擴(kuò)建或者新建污水廠，這些污水廠工業(yè)污水都占有一定占比，污水可生化性較低，氮、磷比較高，在污水廠全面達(dá)標(biāo)GB 18918－2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)存在一定壓力[3，4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 酸解時(shí)間對(duì)咖啡果殼微晶纖維素制備的影響 由圖1可知，隨著酸解時(shí)間的增加，微晶纖維素得率和香精吸附率呈先降低再增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)酸解時(shí)間為110 min時(shí)，咖啡果殼微晶纖維素得率和香精吸附能力最強(qiáng)。吸附率與微晶纖維素結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，時(shí)間過(guò)短酸液無(wú)法與纖維素充分混勻，不能有效去除無(wú)定型區(qū)，因此得率和吸附率都較低，而時(shí)間過(guò)長(zhǎng)除了破壞纖維素?zé)o定型區(qū)的糖苷鍵外還可能會(huì)對(duì)部分晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，得率和吸附率也會(huì)下降。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)咖啡果殼微晶纖維素制備的影響

由圖2可知，微晶纖維素得率隨鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈先增加后降低的趨勢(shì)；吸附性能隨鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)；當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，得率最高，吸附能力最強(qiáng)。鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，不能完全除去纖維素?zé)o定型區(qū)，導(dǎo)致得率和吸附率較低；而鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，酸解過(guò)度會(huì)造成微晶纖維素的分解，使得率和吸附率下降。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.3 料液比對(duì)咖啡果殼微晶纖維素制備的影響 由圖3 可知，當(dāng)料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶22(g/mL)時(shí)，微晶纖維素得率最高；當(dāng)料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶28(g/mL)時(shí)，香精吸附能力最強(qiáng)。適當(dāng)?shù)牧弦罕仁顾崤c纖維素充分接觸反應(yīng)從而除去無(wú)定型區(qū)，而當(dāng)液體過(guò)多時(shí)，物料單位質(zhì)量接觸到的酸濃度相對(duì)較低，反而對(duì)微晶纖維素得率產(chǎn)生不良影響。綜合比較，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶22(g/mL)最佳。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.4 酸解溫度對(duì)咖啡果殼微晶纖維素制備的影響 由圖4可知，隨著酸解溫度的上升，咖啡果殼微晶纖維素得率逐漸下降，香精吸附能力先增加后降低。當(dāng)酸解溫度為40 ℃時(shí)，微晶纖維素得率最高；當(dāng)酸解溫度為80 ℃時(shí)，微晶纖維素的吸附能力最強(qiáng)。這可能是因?yàn)殡S著酸解溫度的升高，相同時(shí)間內(nèi)酸解度增加，因而微晶纖維素得率減小，但在此過(guò)程中也會(huì)對(duì)微晶纖維素的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響使其吸附性能增加。試驗(yàn)使用鹽酸水解，推測(cè)溫度升高可能會(huì)造成鹽酸揮發(fā)性增加，使纖維素產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)，其具體原因有待進(jìn)一步驗(yàn)證。綜上，最適酸解溫度為60 ℃。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

由表2可知，各因素對(duì)咖啡果殼微晶纖維素得率的影響為料液比>酸解時(shí)間>鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>酸解溫度。當(dāng)酸解時(shí)間為95 min，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶22(g/mL)，酸解溫度為50 ℃時(shí)，微晶纖維素得率為84.13%，此時(shí)對(duì)香精的吸附能力為0.61 g/g。各因素對(duì)吸附性能的影響為酸解溫度>料液比>酸解時(shí)間>鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)酸解時(shí)間為95 min，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)為1∶22(g/mL)，酸解溫度為60 ℃時(shí)，得到的咖啡果殼微晶纖維素對(duì)香精的吸附能力最強(qiáng)為0.89 g/g，此時(shí)微晶纖維素得率為80.03%。由于酸解溫度對(duì)咖啡果殼微晶纖維素得率的影響較小而對(duì)香精吸附能力影響最大，因此以香精吸附能力最強(qiáng)時(shí)的制備條件作為咖啡果殼微晶纖維素制備的最佳工藝條件。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 咖啡果殼微晶纖維素掃描電鏡分析

由圖5可知，咖啡果殼微晶纖維素呈棒狀，表面存在孔隙和裂縫。而吸附香精后微晶纖維素形貌產(chǎn)生了變化，由于香精的吸附，微晶纖維素表面孔隙和裂縫減少，表面更加光滑。

圖5 電鏡下對(duì)香精吸附前后的咖啡果殼微晶纖維素

3 結(jié)論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，料液比和酸解時(shí)間對(duì)咖啡果殼微晶纖維素影響較大，而酸解溫度和料液比對(duì)制備的微晶纖維素的香精吸附性能影響較大。微晶纖維素的最佳制備工藝為酸解時(shí)間95 min，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%，料液比(m咖啡果殼纖維素∶V酸)1∶22(g/mL)，酸解溫度60 ℃，該條件下咖啡果殼微晶纖維素得率為80.08%，香精吸附能力為0.89 g/g。由于香精吸附性能僅僅是微晶纖維素中的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，后續(xù)可根據(jù)不同的應(yīng)用需求對(duì)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。