山葡萄皮渣纤维素的制备及表征

秦 婷，孙海涛，2，林余波，姚 瑶，邵信儒，2

（1.通化师范学院制药与食品科学学院，吉林通化 134002；2.通化师范学院长白山食用植物资源开发工程中心，吉林通化 134002）

山葡萄皮渣纤维素的制备及表征

秦 婷1，孙海涛1，2，林余波1，姚 瑶1，*邵信儒1，2

（1.通化师范学院制药与食品科学学院，吉林通化 134002；2.通化师范学院长白山食用植物资源开发工程中心，吉林通化 134002）

以山葡萄皮渣为试材，采用酸碱法制备山葡萄皮渣纤维素，研究了提取条件对纤维素得率的影响，优化了山葡萄皮渣纤维素的制备工艺，并对纤维素进行了表征。结果表明，当NaCO3质量分数22%，反应时间120 min，反应温度60℃，料液比1∶16（g∶mL） 时，山葡萄皮渣纤维素的得率最高，为38.89%。通过红外光谱分析和X射线衍射分析表明，山葡萄皮渣纤维素具有纤维素的典型结构和特征衍射峰，具有较高的结晶度。

纤维素；提取；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

通化地处长白山脚下，有着丰富的山葡萄资源，素有“中国葡萄酒之乡”的美誉。随着山葡萄酒产量的逐年增长，山葡萄酒副产物也不断增多。据统计，每生产100 L山葡萄酒可产25 kg废弃物，其中山葡萄皮渣13 kg，山葡萄籽8 kg和山葡萄梗4 kg。最初，这些副产物大多被应用于肥料、饲料，甚至被废弃，利用率较低[1]。研究表明，山葡萄加工废弃物中蕴含着大量的生物活性成分，如原花青素、葡萄籽油、膳食纤维、白藜芦醇等[2]。因此，从山葡萄皮渣中提取纤维素对深入开发利用山葡萄皮渣资源具有一定的经济效益和社会效益。

试验以山葡萄酒生产的副产物山葡萄皮渣为原料，采用酸碱法制备纤维素并对其进行表征，旨在为增加山葡萄皮渣资源的利用途径和提高山葡萄资源的附加值提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山葡萄皮渣，2016年10月购买于通化市；柠檬酸、碳酸钠，为食品级；次氯酸钠，为分析纯。

1.2 仪器与设备

DX-2700型XRD仪，丹东浩元仪器有限公司产品；IS50型FT-IR仪，美国Nicolet公司产品；LWF-6Bl型超微粉碎机，龙微制药设备有限公司产品；LGJ-50FD型真空冷冻干燥机，河南兄弟设备有限公司产品；KQ-200KDB型高功率数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；PB-10型酸度计，赛多利斯科学仪器有限公司产品；AL104型电子天平，Mettler-Toledo（上海）有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 山葡萄皮渣纤维素的制备工艺

山葡萄皮渣经清洗、除杂、干燥、超微粉碎后过100目筛，得到山葡萄皮渣粉末。取10 g山葡萄皮渣粉末加入到200 mL蒸馏水，用柠檬酸调节pH值为2.0，于80℃水浴中加热处理60 min，经冷却、过滤后备用。滤渣按料液比1∶16（g∶mL）加入质量分数为20%的NaCO3溶液，在60℃条件下反应100 min，抽滤，滤渣洗涤至中性，按质量体积比1∶3加入次氯酸钠；于50℃条件下脱色60 min，抽滤，滤渣洗涤至中性，真空冷冻干燥粉碎后得到山葡萄皮渣纤维素粉末。

1.3.2 山葡萄皮渣纤维素得率的测定

采用重铬酸钾-硫酸亚铁铵法测定山葡萄皮渣纤维素的含量[3]；山葡萄皮渣纤维素的得率参照文献[4]的方法测定，按照公式（1）计算。

式中：Y——山葡萄皮渣纤维素得率，%；

m1——山葡萄皮渣提取物的质量，g；

m2——山葡萄皮渣粉末的质量，g；

c——提取物中山葡萄皮渣纤维素的含量，%。

1.3.3 单因素试验

按1.3.1所述的方法制备山葡萄皮渣纤维素，分别考查NaCO3质量分数（18%，20%，22%，24%，26%）、反应时间 （60，80，100，120，140 min）、反应温度（40，50，60，70，80℃）、料液比（1∶10，1∶12，1∶14，1∶16，1∶18） 对山葡萄皮渣纤维素得率的影响。固定水平：NaCO3质量分数20%，反应时间100 min，反应温度60℃，料液比1∶16 （g∶mL）。

1.3.4 正交试验

在单因素试验基础上设计四因素三水平的正交试验，优化山葡萄皮渣纤维素制备的最佳工艺条件。

L9（34）正交试验因素与水平设计见表1。

表1L9（34）正交试验因素与水平设计

1.3.5 FTIR分析

采用ATR测试方法，红外光谱的扫描范围为4 000～550 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数16次，记录红外光谱图。

1.3.6 XRD分析

取适量试样平铺于测试板中央，置于X射线衍射仪测试仓内，X光管Cu靶，Ka射线，测量方式：步进测量，管电流为40 mA，管压为40 kV，扫描范围为5°～50°，步进角度为0.020，采样时间为0.1 s。利用MDI Jade 6软件分析X射线衍射图，确定衍射峰、晶型结构和结晶度的变化情况。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 NaCO3质量分数对山葡萄皮渣纤维素得率的影响

由结果可知，当NaCO3质量分数在18%～24%时，随着NaCO3质量分数的增加，纤维素得率显著提高，并在NaCO3质量分数为24%时达到最大值34.99%。这是由于碱质量分数增大，可使山葡萄皮渣的纤维结构松散，增加了对半纤维素溶解的能力，促使山葡萄皮渣中的蛋白质和无氮浸出物等碱溶性物质不断溶出，纤维素得率提高。当NaCO3质量分数超过24%时，纤维素得率逐渐下降。这是由于碱质量分数过大，氧化性增强，纤维素被分解；另外，部分纤维素可与高质量分数的碱液反应生成碱纤维素，从而导致纤维素得率降低[5]。

2.1.2 反应时间对山葡萄皮渣纤维素得率的影响

由结果可知，随着反应时间的延长，纤维素得率逐渐增大，当反应时间达到120 min时达到最大值32.92%。这是由于随着反应时间的增加，使半纤维素和木质素等物质充分溶出，纤维素得率提高。当继续延长反应时间时，使纤维素结构遭到破坏，发生降解而使纤维素得率降低。

2.1.3 反应温度对山葡萄皮渣纤维素得率的影响

由结果可知，当反应温度不超过60℃时，随着反应温度的提高，纤维素得率逐渐增大，在反应温度60℃时达到最大值35.32%。这是由于当反应温度较低时，木质素不易去除；随着反应温度的升高，分子运动加剧，加强了NaCO3溶液的反应活力，促进山葡萄皮渣分子间糖苷键断裂，以及木质素、半纤维素等物质溶出，纤维素得率增大[6]。当反应温度超过60℃时，破坏了部分纤维素结构，使纤维素得率逐渐降低。

2.1.4 料液比对山葡萄皮渣纤维素得率的影响

由结果可知，随着料液比的增加，纤维素得率先增大而后降低，在料液比1∶16（g∶mL） 时达到最大值。这是由于随着料液比的增大，山葡萄皮渣粉末更加充分和迅速地与碱液接触，加强了对山葡萄皮渣中半纤维素和无氮浸出物的水解能力；同时，随着料液比增大，在提取过程中目标物质与溶剂边界层浓度差变大，纤维素得率提高。但是，过度提高料液比也会导致纤维素的分解，纤维素得率降低。

2.2 正交试验

正交试验的极差分析见表2，正交试验的方差分析见表3。

由表2和表3可知，对山葡萄皮渣纤维素得率影响最大的是NaCO3质量分数、反应温度，其次是反应时间，最后是料液比。其中，NaCO3质量分数和反应温度对山葡萄皮渣纤维素得率的影响达到显著水平。同时，经分析优化得到山葡萄皮渣纤维素的最佳制备工艺组合为A1B2C3D2，即NaCO3质量分数22%，反应时间120 min，反应温度60℃，料液比1∶16。在此条件下进行验证试验，得到山葡萄皮渣纤维素的得率为38.89%，高于试验组，说明试验结果可靠。

2.3 FTIR分析

山葡萄皮渣原料与纤维素的FTIR对比结果见图1。

表2 正交试验的极差分析

表3 正交试验的方差分析

图1 山葡萄皮渣原料与纤维素的FTIR对比结果

由图1可知，山葡萄皮渣原料和纤维素均在3 331 cm-1处有较强的吸收峰出现，这是由O-H伸缩振动产生的吸收峰；山葡萄皮渣原料图谱在2 922 cm-1和2 852 cm-1处出现的吸收峰为饱和C-H伸缩振动和弯曲振动产生；在2 359 cm-1和1 742 cm-1处出现明显的吸收峰，此为C=O伸缩振动产生的吸收峰，而在纤维素的图谱中此峰消失或明显减弱，说明其被碱液处理去除，同时表明碱液水解去除了部分半纤维素和木质素成分；在1 398 cm-1附近的吸收峰对应的是C-H对称伸缩振动和弯曲振动产生；在903 cm-1和789 cm-1附近产生较强的吸收峰，此为β-D-葡萄糖基的特征光谱和=C-H面外变形振动吸收，这些吸收峰在纤维素图谱中被碱液去除而减弱或消失。纤维素图谱在1 608 cm-1附近的吸收峰为C=C的伸缩振动产生；在1 262 cm-1和1 028 cm-1附近产生C-C骨架伸缩振动峰，对应纤维素的异头碳振动频率，是纤维素的特征峰[7]。同时，经分析表明，通过试验制备的山葡萄皮渣纤维素具有纤维素的典型特征，并未破坏其基本化学结构。

2.4 山葡萄皮渣纤维素的XRD分析

山葡萄原料与葡萄皮渣纤维素的XRD结果见图2。

图2 山葡萄原料与山葡萄皮渣纤维素的XRD结果

由图2可知，山葡萄皮渣纤维素在2θ=14.8°，16.6°，22.5°和34.6°处出现衍射峰，此为纤维素的特征衍射峰。与之相比，山葡萄皮渣在2θ=16.7°，21.3°，24.3°，27.6°，31.1°，36.4°出现较明显的衍射峰，纤维素在（002） 特征晶面（2θ=22.6°） 的衍射峰更为尖锐，相对峰强度明显增大，非晶部分弥散峰明显减小，这主要由于碱液处理使其纤维素中的杂质、木质素、半纤维素等去除。山葡萄皮渣纤维素在[101]特征晶面 （2θ=14.83°） 处和（040） 特征晶面（2θ=34.67°） 处出现较弱的衍射峰，进一步表明其属于纤维素Ⅰ晶型。利用MDI Jade 6软件对XRD谱图进行分峰计算可知，制备得到的纤维素结晶度较高，达到52.7%。

3 结论

采用酸碱法制备山葡萄皮渣纤维素，通过单因素试验和正交试验优化了纤维素的最佳制备工艺为NaCO3质量分数22%，反应时间120 min，反应温度60℃，料液比1∶16；在此条件下，制备山葡萄皮渣纤维素的得率最高为38.89%。通过FTIR分析和XRD分析表明，通过酸碱法制备的山葡萄皮渣纤维素保持着纤维素典型结构和特征；同时，弱酸弱碱可将山葡萄皮渣中大部分杂质和半纤维素去除，山葡萄皮渣纤维素具有纤维素的特征衍射峰，结晶度达52.7%。

[1]令博.葡萄皮渣膳食纤维的改性及其生理功能和应用研究 [D].重庆：西南大学，2012.

[2]郭红珍，李丛胜，解春艳，等.酶法对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的提取研究 [J].酿酒科技，2015（9）：107-110.

[3]李春光，王彦秋，李宁，等.玉米秸秆纤维素提取及半纤维素与木质素脱除工艺探讨 [J].中国农学通报，2011，27（1）：199-202.

[4]陆红佳，郑龙辉，刘雄.超声波辅助酶结合碱法提取薯渣纤维素的工艺研究 [J].食品工业科技，2012（1）：234-237.

[5]申辉，范学辉，张清安，等.苦杏仁皮水不溶性膳食纤维提取工艺优化及其特性分析 [J].食品科学，2014，35 （20）：6-10.

[6]曾小峰，白小鸣，盖智星，等.响应面试验优化超声辅助提取柚皮纤维素工艺 [J].食品科学，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

吉林省教育厅“十三五”科学技术研究规划项目（JJKH20170436KJ）；国家大学生创新创业训练计划项目（201610202013）；通化师范学院自然科学科研项目（201647）。

秦 婷（1995— ），女，本科，研究方向为食品天然产物提取及功能性研究。

*通讯作者：邵信儒（1981— ），女，博士，副教授，研究方向食品天然产物提取及功能性研究。