宋亭，張麗媛,2*，于潤眾

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，黑龍江大慶 163319）（2.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全重點實驗室，黑龍江大慶 163319）（3.黑龍江八一農(nóng)墾大學信息與電氣工程學院，黑龍江大慶 163319）

中國在種植農(nóng)作物方面具有悠久的歷史。隨著種植業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，秸稈的燃燒產(chǎn)生大量 PM2.5，造成嚴重的環(huán)境污染[1]。但是由于玉米秸稈中含有豐富的纖維素，半纖維素和木質(zhì)素，其中粗纖維的含量更是高達 31%~41%[2,3]，因此可以利用玉米秸稈這一性質(zhì)將其制作成納米纖維素，合理利用玉米秸稈資源。

納米纖維素是指納米材料中的纖維素至少有一維是處于納米尺度（1~1000 nm），并且將納米材料分散在水中可以形成穩(wěn)定懸浮液的纖維素晶體[4]。以植物為原料制備納米纖維素可根據(jù)晶型分為兩類：納米纖維素纖維或微纖化纖維素（Nanofibrillated cellulose，NFC）和納米晶體纖維素（Nanocrystalline cellulose，CNC)[5]。與CNC短棒狀的結(jié)構(gòu)相比，NFC具有較大的長徑比和比表面積、高結(jié)晶度、良好的親水性、且空間膨脹性強、表面羥基被活化，較容易進行表面化學改性[6]。目前國內(nèi)外制備納米纖維素的方法主要是物理法、化學法和生物法。Shang等[7]用3 mol/L鹽酸水解牛皮紙漿制備出長度為481 nm的CNC，其產(chǎn)率為61%。Ditzel等[8]采用62%硫酸水解玉米芯纖維素制備CNC，其長度為30~70 nm，但產(chǎn)率較低，僅有6.0%。孫海濤[9]通過研究發(fā)現(xiàn)，利用超聲輔助酸法制備的玉米秸稈納米纖維素NCSC，直徑為10~60 nm，產(chǎn)率為38.29%。An等[10]通過纖維素酶預處理結(jié)合硫酸水解牛皮紙漿制備出長度為481 nm的納米纖維素，產(chǎn)率為35.3%。胡建雪[11]利用彈射式蒸汽閃爆聯(lián)合酶解法制備NFC，其直徑為30~200 nm。但是這些方法普遍存在操作工藝復雜、產(chǎn)量少、成本高昂、樣品中殘留大量強酸等缺點。

本研究利用彈射式蒸汽閃爆（HDSF）聯(lián)合高壓均質(zhì)法制備玉米秸稈納米纖維素，利用HDSF高強度的作用力破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，使纖維素，半纖維素，木質(zhì)素更好的分離。蒸汽閃爆法不僅效率高、纖維粒度小、環(huán)保高效，還能夠提高纖維素含量[12]。與其他制備NFC的方法相比，本研究沒有采用酶解法制備NFC，很大程度上簡化實驗步驟，節(jié)約成本，使實驗更加高效有序的進行。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料和試劑

玉米秸稈：科瑞 981，大慶市農(nóng)戶；乙二胺四乙酸（分析純）：榮宏化工有限責任公司；丙酮（分析純）：富宇精細化工有限公司；十二烷基磺酸鈉，十六烷基三甲基溴化銨（分析純）：上海凱茵化工有限公司；乙二醇乙醚（分析純）：華信化工公司；十水四硼酸鈉（分析純）：上海撫生實業(yè)有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

PHS.2C精密pH計，美國METTLER TOLEDO公司；FZ102型微型植物粉碎機，天津泰斯特公司；AB204-N分析天平，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；TDZ5-WS多管架自動平衡離心機，長沙湘儀離心機儀器有限公司；SENCO恒溫水浴鍋，上海申生科技有限公司；QBS-200B蒸汽閃爆機，鶴壁市汽爆工程技術(shù)研究中心；AS-15高壓均質(zhì)機，若凡工業(yè)系統(tǒng)有限公司；JEM-200透射電子顯微鏡，日本 JEOL公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 納米纖維素的制備

將玉米秸稈切斷，洗凈后晾干，粉碎并過篩至80目，置于100 mL的氫氧化鈉溶液（1.5%）中浸泡24 h后進行蒸汽閃爆，過濾洗滌烘干后得到秸稈樣品，放置于高壓均質(zhì)機中進行處理，可以使纖維細化，利于下一步操作。

去除木質(zhì)素：取2 g秸稈殘渣加入130 mL去離子水，1.2 g亞氯酸鈉，1 mL醋酸搖勻，密封好放于75 ℃水浴鍋中加熱1 h，每隔1 h再加入1.2 g亞氯酸鈉，1 mL醋酸直到溶液變白，停止加熱用去離子水洗至中性，晾干[13,14]。

去除半纖維素：將殘渣放入300 mL濃度為6%的KOH溶液中，常溫靜置8 h，然后在80 ℃水浴鍋中加熱2 h，用去離子水洗至中性，晾干[15]。

1.2.2 試劑的配置根據(jù)文獻[11]

半纖維素和纖維素的計算方法如下：

式中：

m1——經(jīng)過中性試劑洗滌后烘干得到的殘渣的質(zhì)量；

m2——經(jīng)過酸性試劑洗滌后烘干得到的殘渣的質(zhì)量；

m3——經(jīng)過硫酸水解后烘干得到的殘渣的質(zhì)量；

m——原始秸稈粉末質(zhì)量。

木質(zhì)素含量的測定采用Klason法。

1.2.3 單因素實驗

氫氧化鈉濃度的確定。采用不同濃度的氫氧化鈉0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%進行秸稈的浸泡處理，將浸泡后的秸稈投入到爆腔中進行蒸汽閃爆，壓力維持在2.0 MPa維壓270 s后進行爆破，蒸汽閃爆后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分析結(jié)果如圖1所示。

蒸汽閃爆壓力的確定。用NaOH（1.5%）浸泡過后的秸稈投入到爆腔中進行蒸汽閃爆，在 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa下維壓270 s后進行爆破，蒸汽閃爆后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分析結(jié)果如圖 1所示。

蒸汽閃爆時間的確定。用NaOH（1.5%）浸泡過后的秸稈投入到爆腔中進行蒸汽閃爆，壓力維持在2.0 MPa條件下分別對秸稈原料進行0、90、180、270、360 s的處理，蒸汽閃爆后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分析結(jié)果如圖1所示。

1.2.4 響應(yīng)面條件的優(yōu)化

根據(jù)Box-Behnken的中心組合實驗設(shè)計原理，基于單因素試驗結(jié)果，以蒸汽閃爆壓力值（A）、蒸汽閃爆時間（B）、氫氧化鈉濃度（C）為響應(yīng)因素，纖維素含量為（Y）為響應(yīng)值，采用3因素3水平的響應(yīng)面分析法進行實驗設(shè)計，因素和編碼水平見表 1。結(jié)果運用Design- Expert.V8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)曲面分析。

表1 響應(yīng)面試驗的因素與水平設(shè)計Table 1 Factors and horizontal design of response surface test

1.2.5 微觀形貌觀察

將納米纖維素超聲處理30 min，使其均勻分散，取適量樣品放置于400目銅網(wǎng)上，待樣品干燥后置于透射電子顯微鏡下觀察。

1.3 統(tǒng)計分析

所有指標均選取3次平均值，所得數(shù)據(jù)采用SPSS 25軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米秸稈納米纖維素單因素條件研究

由圖1所示，氫氧化鈉處理后的半纖維素和木質(zhì)素的含量發(fā)生了顯著的改變，是因為半纖維素與堿液發(fā)生剝皮反應(yīng)，纖維素苷鍵水解裂開，半纖維素分子上的乙?；踩菀酌撀湎聛?，木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)中的酚羥基在與NaOH反應(yīng)時，發(fā)生裂解，從而增加了堿液的溶解度，使反應(yīng)高效、有序的進行[16]。而蒸汽閃爆前進行了堿處理也使得纖維素在高溫堿處理的條件下發(fā)生了溶脹作用，這更利于半纖維素和木質(zhì)素的脫離[17,18]。蒸汽閃爆處理后纖維素的含量顯著增加，半纖維素和木質(zhì)素的含量下降，且隨著壓力的升高，纖維素的含量呈現(xiàn)遞增趨勢，而半纖維素和木質(zhì)素的含量呈現(xiàn)下降趨勢。孫芳芳等[19]對秸稈皮纖維在不同壓力下進行蒸汽閃爆處理的實驗中也有同樣的發(fā)現(xiàn)，從1.5 MPa到2.5 MPa，隨著蒸汽壓力的升高，半纖維素和木質(zhì)素的含量逐漸下降；但當爆破壓力大于2.5 MPa時，纖維素，半纖維素，木質(zhì)素的相對含量百分數(shù)趨于穩(wěn)定。造成這種結(jié)果的原因可是過高的溫度使秸稈纖維更加軟化，高溫分解了部分纖維素；也可能是當蒸汽閃爆壓力升高時，爆腔中由于水蒸氣溫度的升高產(chǎn)生了更大的機械作用力，半纖維素由于高溫、高壓的作用而水解為酸性物質(zhì)溶于水，部分木質(zhì)素降解溶于水，但仍有少量未完全分解的半纖維素和木質(zhì)素細胞壁的雜質(zhì)成分無法溶于水，所以即使升高蒸汽壓力也無法繼續(xù)降低半纖維素、木質(zhì)素的含量[20]。隨著蒸汽閃爆時間的延長，秸稈中纖維素含量逐漸增加，半纖維素和木質(zhì)素的含量逐漸降低。這是因為在蒸汽閃爆的過程中，隨著時間的延長，半纖維素的水解時間更為充分，而半纖維素水解后形成了酸性的環(huán)境有利于木質(zhì)素的分解[21]。因此選取氫氧化鈉濃度為1%~2%，蒸汽閃爆壓力值為1 MPa~2 MPa，蒸汽閃爆時間為180 s~360 s作為響應(yīng)面試驗參數(shù)，進行響應(yīng)面試驗。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化條件

響應(yīng)面優(yōu)化條件及結(jié)果見表2、表3。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Experimental designs and results for response surface analysis

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果分析

根據(jù)Box-Behnken原理設(shè)計出三因素三水平的17個試驗組進行響應(yīng)面優(yōu)化分析試驗，響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。用Design-Expert.V8.0.6軟件對響應(yīng)值和各因素的編碼值進行回歸擬合分析，得到二次多元回歸方程：Y=45.92+0.7663A+0.6738B+0.3500C-1.46AB-1.53 AC+1.46BC-4.33A2-2.96B2-1.49C2。

對回歸方程的方差分析結(jié)果見表3。從表3中可以看出，對玉米秸稈納米纖維素建立的回歸方程模型的顯著性（p=0.0001）極高，失擬項（p=0.0652>0.05）不顯著，模型的調(diào)整系數(shù)R2=0.9715，R2Adj=0.9348表明該模型與實際實驗的擬合較好，自變量與響應(yīng)面之間的線性關(guān)系較為顯著，試驗的誤差較小，因此可以運用該回歸模型來分析和預測玉米秸稈納米纖維素中纖維素含量最高工藝參數(shù)。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

由表3的回歸方程系數(shù)顯著性檢驗可知，模型中的AC、A2、B2、C2對響應(yīng)面影響極顯著（p<0.01），A、C、AB、BC對響應(yīng)面的影響顯著（p<0.05），B、C對響應(yīng)面的影響不顯著（p>0.05）。在回歸方程中，各因素的系數(shù)值是直接反映每個試驗因子與指標值的影響效果。由各因素的均方值可知，各因素對玉米秸稈納米纖維素中纖維素含量的影響順序如下（蒸汽閃爆壓力值（A）、蒸汽閃爆時間（B）、氫氧化鈉濃度（C））：蒸汽閃爆壓力值（A）>蒸汽閃爆時間（B）>氫氧化鈉濃度（C），3個因素之間相互影響的主次順序為：AC>BC>AB。蒸汽閃爆壓力值，蒸汽閃爆時間，氫氧化鈉濃度 3個因素在反應(yīng)過程中的相互作用見圖。如果響應(yīng)面中曲線的走勢越來越陡，就表明兩個因素相互作用越顯著，如果響應(yīng)面曲線走勢越平滑，則表明兩個因素的相互作用影響越??；等高線為橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則表明交互作用不顯著[22]。

由圖2可以看出，等高線呈現(xiàn)橢圓形，表明蒸汽閃爆壓力與蒸汽閃爆時間兩者交互作用顯著。當蒸汽閃爆壓力小于1.5 MPa時等高線密集，表明蒸汽閃爆壓力對玉米秸稈纖維素含量影響顯著（p<0.05）；蒸汽閃爆壓力在1.5~2 MPa時，曲線較為平穩(wěn)，此時的等高線稀疏，說明隨著蒸汽閃爆壓力的不斷增加，影響纖維素含量的值越來越小[23-25]。

由圖3可以看出，隨著3D圖變化趨勢的增加，其顏色逐漸加深坡度變陡，表現(xiàn)蒸汽閃爆壓力與氫氧化鈉濃度的交互作用顯著（p<0.01）。蒸汽閃爆壓力和氫氧化鈉濃度在0水平時，纖維素含量為較大值，并且保持不變；當蒸汽閃爆壓力與氫氧化鈉濃度低于 0水平時，纖維素的含量隨著兩者的增加而增加，且呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢[26,27]。

由圖4可以看出，蒸汽閃爆時間與氫氧化鈉濃度之間存在顯著交互作用，固定氫氧化鈉濃度，纖維素含量隨著蒸汽閃爆時間的增加呈現(xiàn)先快速升高后緩慢下降的趨勢，在同一蒸汽閃爆時間下，纖維素含量隨著氫氧化鈉濃度的增加而一直下降[28,29]。

2.4 響應(yīng)面模型最佳條件的驗證

通過 Box-Behnken實驗的所得數(shù)據(jù)，利用Design-Expert.V8.0.6軟件進行處理，獲得了最佳的蒸汽閃爆條件為：蒸汽閃爆壓力值為：1.52 MPa，蒸汽閃爆時間為：283.31 s，氫氧化鈉濃度為：1.59%，在此條件下得到的納米纖維素含量為：46.02%。為去驗證響應(yīng)面法的可行性，并考慮到操作過程中實驗的具體可實施性，在蒸汽閃爆壓力值為1.5 MPa，蒸汽閃爆時間為：285 s，氫氧化鈉濃度為：0.4 mol/L，條件下進行驗證性實驗，通過重復3組平行實驗，得到半纖維素含量 13.50%，木質(zhì)素含量11.78%，納米纖維素的含量為45.88%，與預測值46.02%的誤差在1.5%以內(nèi)，表明采用該響應(yīng)面優(yōu)化得到的工藝參數(shù)模型可靠，對提高納米纖維素得率具有一定意義。

2.5 微觀形貌分析

納米纖維素的TEM圖如圖5所示。由圖5可知，HDSF聯(lián)合高壓均質(zhì)法制備出的NFC呈現(xiàn)纖絲狀，直徑為20~220 nm，這也說明了經(jīng)過0.4 mol/L氫氧化鈉溶液浸泡后，進行壓力值為1.5 MPa，時間為285 s的彈射式蒸汽閃爆和高壓均值 15次處理后形成了具有納米徑級的纖維素，而較小的直徑使得納米纖維素的水溶性能更好，應(yīng)用范圍更廣泛。圖中的纖維素出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，這是因為納米纖維素以較粗的纖絲聚集體的形式存在，納米纖維素與聚集體相互纏繞構(gòu)建成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化蒸汽閃爆工藝參數(shù)提高納米纖維素含量，結(jié)果顯示，模型擬合度較高，可用于納米纖維素含量的預測與優(yōu)化。氫氧化鈉濃度、蒸汽閃爆壓力、蒸汽閃爆時間、均對納米纖維素得率產(chǎn)生顯著影響。制備納米纖維素的工藝參數(shù)條件為：蒸汽閃爆壓力值為：1.5 MPa，蒸汽閃爆時間為：285 s，氫氧化鈉濃度為：0.4 mol/L，在此條件下納米纖維素得率為45.88%，與預測值46.02%的誤差在0.5%以內(nèi)。對比其他制備納米纖維素的方法，彈射式蒸汽閃爆法不僅成本低廉、快捷高效、無污染，而且本研究為優(yōu)化蒸汽閃爆工藝參數(shù)提高納米纖維素得率提供了參考，為納米纖維素進一步在食品領(lǐng)域的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。