郭 艷，王 悅，張 依，孟煥娜，李志西，馮憲超

（西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 陜西楊凌 712100）

橄欖屬于木犀科木犀欖屬，主要分布在地中海沿岸國家，集中產(chǎn)地為意大利、西班牙、希臘。在中國，其被大量種植在甘肅、廣東、廣西、云南、四川等地區(qū)[1]。隴南是我國主要的橄欖生長地區(qū)，橄欖油產(chǎn)量和產(chǎn)值均居全國第一位[2]。橄欖果渣是橄欖榨油后剩余的殘?jiān)?，含有十分豐富的纖維素、半纖維素、果膠等成分，是優(yōu)良的膳食纖維來源，據(jù)報(bào)道，每噸橄欖果榨油后約產(chǎn)生0.2 t 的橄欖渣，而橄欖渣的傳統(tǒng)利用方法是將其作為飼料、肥料甚至直接丟棄，這些利用方法不僅造成資源的浪費(fèi)，還引起許多環(huán)境問題[3-4]。

纖維素是一類由葡萄糖苷通過糖苷鍵連接而成的多糖類物質(zhì)的總稱，是生物質(zhì)的重要組成成分，不溶于水及大多數(shù)有機(jī)溶劑。在食物中廣泛存在于水果、蔬菜及谷物等植物基食品中。由于人體內(nèi)缺乏相應(yīng)的纖維素酶，因此不能被人體消化吸收而隨糞便排出體外。然而，近年來研究發(fā)現(xiàn)纖維素是人體健康不可或缺的一類營養(yǎng)素，具有促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，降血糖，降血脂，預(yù)防高血壓以及心血管疾病等生理功能，對(duì)人體健康起到積極作用[5]。

目前，提取農(nóng)業(yè)廢渣中纖維素的方法主要有酸法、堿法、酶法及機(jī)械處理法，堿法提取纖維素已廣泛運(yùn)用于馬鈴薯渣、果渣、豆渣、茶渣等原料中[6-7]。然而，目前有關(guān)堿法提取橄欖渣纖維素及結(jié)構(gòu)表征的方法鮮有報(bào)道。本研究以橄欖果渣為原料，用堿液浸提法提取橄欖果渣中的纖維素。在此基礎(chǔ)上，利用硫酸和鹽酸將此纖維素水解成微晶纖維素，通過電子掃描顯微鏡、傅里葉紅外光譜儀、X 射線衍射儀、差示掃描量熱儀分析原始纖維素與微晶纖維素的結(jié)構(gòu)，并對(duì)比兩類纖維素的持水力、持油力及膨脹力等理化性質(zhì)，為進(jìn)一步研究橄欖果渣纖維素的性能與應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

橄欖渣（橄欖果榨油之后剩余的殘?jiān)?，甘肅武都油橄欖廠。尼羅紅、熒光增白劑，美國Sigma公司。溴化鉀、氫氧化鈉、濃硫酸、濃鹽酸等均為國產(chǎn)分析純級(jí)。

FW100 高速萬能粉碎機(jī)，天津泰斯特儀器有限公司；T-203 電子天平，美國丹佛；202-00 干燥箱，北京化玻聯(lián)醫(yī)療器械有限公司；TD5A 臺(tái)式離心機(jī)，湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；HCJ-6D 磁力攪拌水浴鍋，常州朗越儀器制造有限公司；Vetex70 傅里葉變換紅外光譜儀、Model D8 X-射線衍射儀，德國布魯克公司；Q2000 差示掃描量熱儀，美國TA 公司；A1R 激光共聚焦掃描顯微鏡，日本尼康公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 初始纖維素的制備 將橄欖果渣置于80℃干燥箱中干燥8 h，使含水量不高于5%，去除果核，粉碎后過40～60 目篩，將所得橄欖渣粉末和質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的氫氧化鈉溶液按1∶15 混合，于80 ℃水浴鍋中水解80 min，隨后用6 mol/L 鹽酸中和。將上述所得混合物用高速離心機(jī)4 000 r/min 離心15 min，沉淀用大量蒸餾水洗滌，再離心，重復(fù)以上步驟3 次，棄上清，所得沉淀即為初始纖維素。將其置于50 ℃干燥箱中，干燥至恒重，使含水量不高于5%。保存在干燥器中備用。

1.2.2 微晶纖維素的制備 取上述初始纖維素分別 與2 mol/L H2SO4、2 mol/L HCl 按料液比1∶10混合，在45 ℃磁力攪拌水浴鍋中水解45 min[8]，轉(zhuǎn)速為200 r/min，隨后加入大量蒸餾水以停止反應(yīng)，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的一定量氫氧化鈉溶液中和，隨后過濾所得濾渣分別為H2SO4-MCC、HCl-MCC。將其置于50 ℃干燥箱中，干燥至恒重，使含水量不高于5%。保存在干燥器中備用。

1.3 纖維素相關(guān)性質(zhì)表征

1.3.1 持水性測定 準(zhǔn)確稱取1.00 g 纖維素于50 mL 離心管中，加入25 mL 蒸餾水，充分振蕩1 h，繼而3 000 r/min 離心10 min，隨后棄去上層清液并用濾紙將壁上殘留的水滴吸干，然后稱取質(zhì)量。按式（1）計(jì)算持水力（WRHC）[9]。

式中，m2——吸水后樣品的質(zhì)量（g）；m1——吸水前樣品的質(zhì)量（g）。

1.3.2 持油性測定 準(zhǔn)確稱取1.00 g 纖維素于50 mL 離心管中，加入20 g 玉米油，室溫下靜置1 h。3 000 r/min 離心20 min，棄去上層清液并用濾紙將壁上殘留的油滴吸干，然后稱其質(zhì)量。按式（2）計(jì)算持油力（WOHC）[9]。

式中，m2——吸油后樣品的質(zhì)量（g）；m1——吸油前樣品的質(zhì)量（g）。

1.3.3 膨脹力測定 準(zhǔn)確稱取1.00 g 纖維素于20 mL 刻度試管中，輕微振蕩，使表面保持平整，讀取纖維素干品體積記為V1，然后準(zhǔn)確移取10 mL 蒸餾水加入試管，振蕩均勻后放置24 h，讀取纖維素吸水之后的體積記為V2。按式（3）計(jì)算膨脹力（WSC）[10]。

式中，V2——吸水后的體積（mL）；V1——吸水前的體積（mL）；m——樣品的質(zhì)量（g）。

1.3.4 結(jié)晶度測定 將纖維素樣品研磨至細(xì)粉末狀，干燥至恒重，在室溫下于X-射線衍射儀上進(jìn)行譜圖測定，在40 kV、40 mA，以及衍射角2θ=10°～40°條件下測定，掃描速度為0.02°/min。晶粒尺寸根據(jù)Scherrer 公式[11]計(jì)算，見式（4）。

式中，L002——水解纖維素002 面晶粒尺寸（nm）；k——Scherrer 常數(shù)，取0.94；γ——X 射線的波長，為0.154 nm；β——衍射峰半高寬（rad）；θ——衍射角（°）。

1.3.5 DSC 測定 稱取5 mg 左右的纖維素置于DSC 鋁盒中，以空的密封鋁盒作為對(duì)照，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，測定模式為Standard 模式，待測樣品以10 ℃/min 的速率從20 ℃升至500 ℃[12]。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu) 采用電子掃描顯微鏡觀察不同纖維素的微觀結(jié)構(gòu)，觀察時(shí)采用高真空模式，工作電壓為10 kV。將纖維素樣品干燥，然后噴金，粘臺(tái)后觀察。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜 準(zhǔn)確稱取1 mg 纖維素粉末于瑪瑙研缽中充分研磨，再加入100 mg干燥至恒重的溴化鉀粉末，繼續(xù)研磨至樣品與溴化鉀粉末混合均勻后，稱取30 mg 混合物壓片，薄片置于傅里葉變換紅外光譜儀上進(jìn)行譜圖測定。測定范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.3.8 乳化性測定 乳液的配制根據(jù)Hu 等[13]的方法稍作修改。將纖維素配成0.2%的懸浮液，然后10 000 r/min 勻漿2 min，按與玉米油質(zhì)量比為4∶1 的比例加入一定量的玉米油進(jìn)行混合，10 000 r/min 勻漿2 min。油滴和纖維素分別用尼羅紅和熒光增白劑進(jìn)行染色，用蓋玻片覆蓋載有乳液的載玻片，利用激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）觀察乳液的乳化結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 持水力、持油力和膨脹力

3 種纖維素的持水力、持油力和膨脹力測定數(shù)據(jù)如表1所示，纖維素本身具有較高的持水性，這是因?yàn)槔w維素中存在較多的羥基[14]，纖維素與水分子間的氫鍵作用決定了其較高的持水性，經(jīng)硫酸和鹽酸水解之后得到的微晶纖維素，持水力由原先的3.19（初始纖維素）升高到3.81（H2SO4-MCC）和3.24（HCl-MCC），酸水解過程破壞了纖維素的原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致更多的親水基團(tuán)暴露，增加了親水基團(tuán)的比表面積，因此持水性增強(qiáng)。3 種纖維素的持油力均低于持水力，且總體較低，這是因?yàn)樗崛〉睦w維素是水不溶性的，而申輝等[15]研究發(fā)現(xiàn)水溶性纖維具有較好的吸附有機(jī)物的特性，水不溶性纖維的吸油性相對(duì)較差。申瑞玲等[16]報(bào)道稱高纖維素含量的食品可以降低對(duì)油脂的吸附，而木質(zhì)素和半纖維素含量較高時(shí)持油性較強(qiáng)，這與本文酸水解之后微晶纖維素的持油性較低的結(jié)果相符。膨脹力的變化趨勢與持水力一致，膨脹力代表纖維素的生理功能，即可以使人體腸道增容，使人產(chǎn)生飽腹感，可以有效預(yù)防肥胖癥。硫酸水解得到的微晶纖維素的膨脹力最大，鹽酸水解次之。且水解之后的微晶纖維素的膨脹力均高于初始纖維素，表明酸水解之后纖維素的生理活性有所提高。

表1 不同纖維素的持水力、持油力及膨脹力Table 1 The water/oil holding capacity and swelling force of different cellulose samples

2.2 結(jié)晶度分析

不同的纖維素變體有纖維素Ⅰ、纖維素Ⅱ、纖維素Ⅲ、纖維素Ⅳ和纖維素X[17]，圖1為初始纖維素和微晶纖維素的XRD 圖譜，H2SO4-MCC 與HCl-MCC 的衍射圖譜基本一致，表明材料結(jié)晶具有相同性。觀察幾種纖維素的X 衍射圖譜，可以看出，所有纖維素在2θ 約為22°左右有一個(gè)尖銳的峰，在2θ 約為14°和16°左右有2 個(gè)較為弱一點(diǎn)的峰，分別代表纖維素結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的衍射強(qiáng)度，這是典型的纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)[18-20]。經(jīng)酸水解前、后的纖維素，雖然特征譜線幾乎一致，但結(jié)晶度有較大差異。通過Jade 軟件計(jì)算出纖維素的結(jié)晶 度 分 別 為37.53% （ 初 始 纖 維 素）、75.77%（H2SO4-MCC） 和 64.92% （HCl-MCC）。依 據(jù)Scherrer 公式計(jì)算纖維素的晶粒尺寸分別為2.57 nm（初始纖維素）、5.35 nm（H2SO4-MCC）和4.96 nm（HCl-MCC）。與結(jié)晶區(qū)相比，無定形區(qū)纖維素分子鏈的排列是松散無序的。酸水解過程H+可以進(jìn)入纖維素的無定形區(qū)，加速葡萄糖間糖苷鍵的斷裂[21]。隨著酸水解過程的進(jìn)行，纖維素?zé)o定形區(qū)被水解，結(jié)晶區(qū)所占的比例升高，因此結(jié)晶度增大。這一結(jié)果與之前的報(bào)道[22]類似，即初始纖維素經(jīng)過酸水解之后晶粒數(shù)量增多，尺寸增大，結(jié)構(gòu)更加規(guī)整。晶粒尺寸增大也表明無定形區(qū)減少，結(jié)晶區(qū)比例增大，晶型更加完整。

圖1 不同纖維素的X 射線衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of different cellulose samples

2.3 DSC 結(jié)果分析

圖2所示為不同纖維素的DSC 曲線，由圖2可知3 種纖維素在100 ℃和360 ℃左右有2 個(gè)明顯的峰，100 ℃左右的峰代表水的蒸發(fā)損失，此溫度越高，焓值越大，表明水的蒸發(fā)越困難，證明其持水性越好。水的蒸發(fā)溫度從108.89 ℃（初始纖維素） 升高至112.57 ℃（H2SO4-MCC） 和109.9 ℃（HCl-MCC），這是由于酸水解之后纖維素表面暴露出更多的羥基，更容易保持水分，這與纖維素的持水性測定結(jié)果相一致。360 ℃左右的峰是由于隨著溫度的升高，在高溫作用下分子鏈發(fā)生斷裂，纖維素開始降解所形成，其溫度受結(jié)晶度、結(jié)晶尺寸[23-24]的影響較大，此處的起點(diǎn)溫度越高，熱穩(wěn)定性越好[25]。H2SO4-MCC 和HCl-MCC 的熱降解溫度稍低于初始纖維素，這可能是由于通過鹽酸和硫酸水解作用導(dǎo)致粒徑和聚合度減小，纖維素比表面積增大，暴露在外面的活性基團(tuán)增多，因此熱穩(wěn)定性降低。

圖2 不同纖維素的DSC 掃描圖譜Fig.2 DSC results of different cellulose samples

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

SEM 圖可用來分析纖維素的形態(tài)學(xué)特征和結(jié)構(gòu)特征，如圖3所示，初始纖維素的微觀結(jié)構(gòu)呈扁平且相互交疊狀分布（圖3a），由于半纖維素和木質(zhì)素的存在使其分布雜亂又無序，且表面不平整。經(jīng)酸水解后初始纖維素降解斷裂，以短棒狀的纖維片段為主，長度變短，直徑幾乎保持不變，表面更加光滑整齊（圖3b，3c），可見纖維素的水解反應(yīng)主要是結(jié)構(gòu)疏松的無定形部分發(fā)生降解，纖維橫向斷裂，剩余部分表面更加光滑，結(jié)構(gòu)更加緊湊[26]，跟上述X 衍射結(jié)果一致。

圖3 纖維素掃描電子顯微鏡圖Fig.3 Scanning electron microscope images of cellulose samples

2.5 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析

纖維素的FTIR 圖譜如圖4所示，3 條曲線峰在一定程度上都展示了其獨(dú)特的特征結(jié)構(gòu)。其中890 cm-1與1 165 cm-1處為β-1，4-糖苷鍵的特征吸收峰。3 650～3 000 cm-1處的吸收峰是由纖維素分子中-OH 的伸縮振動(dòng)所引起，酸水解后，由于氫鍵的形成，波數(shù)向低波數(shù)移動(dòng)[27]，表明酸水解有利于形成氫鍵。2 900 cm-1處的吸收峰是C-H 基團(tuán)的彎曲振動(dòng)所引起，1 640 cm-1是吸收水的峰[28]，1 430 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)著-CH2-的伸縮振動(dòng)[29]；1 736 cm-1代表的是羰基伸縮區(qū)中的一些附加帶，是半纖維素中羧基和乙酰基中C-O 的伸縮振動(dòng)，然而酸水解之后此處的峰變小甚至消失不見，表明酸水解之后部分半纖維素水解。

圖4 不同纖維素樣品的FTIR 圖譜Fig.4 FTIR spectrum of different cellulose samples

2.6 乳化性分析

用尼羅紅和熒光增白劑1∶1 混合液對(duì)新鮮乳液進(jìn)行染色，觀察油滴的分布情況，這種纖維素固體顆?？梢晕皆谟?水界面穩(wěn)定乳液的機(jī)制稱為皮克林機(jī)制，由固體顆粒穩(wěn)定的乳液稱為皮克林乳液[30]，纖維素因具有高度有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并且具有很強(qiáng)的分子內(nèi)和分子間氫鍵，導(dǎo)致其難溶于水[31]，因此限制了纖維素的乳液穩(wěn)定作用。Kalashnikova 等[32]研究指出，酸水解纖維素是一個(gè)異構(gòu)過程，得到含有大量纖維素納米顆粒的渾濁懸浮液。顆粒在界面的不可逆吸附是液滴穩(wěn)定的主要原因。圖5紅色區(qū)域代表油滴，藍(lán)色區(qū)域代表纖維素基質(zhì)，由圖5可知，酸水解之后的微晶纖維素（圖5b，5c）與初始纖維素（圖5a）相比，油滴分布比較均勻且油滴較小，說明乳液穩(wěn)定性較好[33]。對(duì)比H2SO4-MCC 與HCl-MCC 的乳化特性，發(fā)現(xiàn)H2SO4-MCC 形成的乳液更加穩(wěn)定，形成這種情況的可能原因是SO42+的引入增加了纖維素的不可逆吸附作用[34]。

圖5 纖維素乳液的CLSM 圖片F(xiàn)ig.5 CLSM images of cellulose emulsions

3 結(jié)論

本研究以橄欖果渣為原料，經(jīng)干燥、粉碎、堿液浸提過程提取出橄欖果渣中的纖維素。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用低濃度的硫酸和鹽酸溶液將上述纖維素水解為微晶纖維素。酸水解后微晶纖維素的持水力和膨脹力增加，持油力低于持水力，且總體較低。X 衍射圖譜表明初始纖維素與微晶纖維素均屬于纖維素Ⅰ型，且微晶纖維素結(jié)晶度和晶粒尺寸較大，分別為75.77%，5.35 nm （H2SO4-MCC）以及64.92%，4.96 nm（HCl-MCC）。DSC 掃描結(jié)果顯示微晶纖維素降解溫度低于初始纖維素，這是由于微晶纖維素樣品聚合度小，比表面積增加，暴露在外的活性基團(tuán)較多，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性降低。FTIR 圖譜證明酸水解使纖維素中部分半纖維素水解。SEM 圖片顯示酸水解之后纖維橫向斷裂，以短棒狀的纖維片段為主，直徑幾乎不變。