葡萄皮渣中木质素提取工艺的优化.pdf

第 卷第 期 河 南 城 建 学 院 学 报 年 月 收稿日期：基金项目：河南省高等学校重点科研项目计划（）作者简介：刘俊红（），女，河南鹤壁人，博士，副教授，研究方向为食品科学。文章编号：（）：葡萄皮渣中木质素提取工艺的优化刘俊红，王建成，刘瑞芳，洪军（河南城建学院 生命科学与工程学院，河南 平顶山 ）摘要：以葡萄皮渣为原料，通过碱处理工艺，采用超声波 酶解辅助提取葡萄皮渣中的木质素，探究葡萄皮渣中木质素的提取工艺。分别分析水浴温度、酶解时间、碱液用量、纤维素酶用量、超声波处理时间等对木质素提取率的影响，并通过正交实验优化提取条件。结果表明，水浴温度为 ，酶解 ，碱液用量为 （原料），纤维素酶用量为 ，超声波处理 时，葡萄皮渣中木质素的提取率达到最大，为 ，为高效利用木质素提供理论支持。关键词：碱处理；木质素提取工艺；超声波 酶解辅助；葡萄皮渣中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：文献标识码：，（，）：，（），：；葡萄作为我国农业生产中的大宗果品之一，除可以直接食用外，常作果汁与酿酒的原料。酿酒行业每年产生大量的加工废料，如果皮、种子、果肉和茎等 。葡萄皮中的木质素含量仅次于纤维素，是重要的天然芳香族高分子化合物。木质素可作为混凝土减水剂、钻井泥浆调节剂和染料溶液的稳定剂 。葡萄皮渣除少数用作饲料外，多数被作为垃圾，造成极大的浪费 。木质素含有丰富的羟基、羰基等结构，具有良好的生物活性和较高的利用价值。我国是农业大国，随着木质素产品性能的提高和市场的不断开发，木质素的需求量不断增加 。由于木质素和纤维素、半纤维素之间通过氢键和醚键等化学键连接，使得提取较为困难 。目前，提取木质素的方法主要有化学法、物理法和生物法 。化学法多采用酸、碱处理断裂化学键来提取木质素，存在综合利用率低、产物活性差、废液回收难度大以及环境污染等问题 。靳玉双等 基于传统的木质素提取方法，采用对甲苯磺酸提取玉米秸秆中的木质素。物理法是通过高压、高温作用使木质素与纤维素、半纤维素间的连接断裂提取木质素，产物纯度高、能耗大 ；生物法是通过纤维素酶和半纤维素酶的酶解作用选择性地水解纤维素以及半纤维素，高选择性地断开木质素与纤维素、半纤维素之间复杂的化学键 ，反应条件温和，可控性强，纯度高。超声波是常用的物理方法之一，通过机械效应、热效应以及空化效应等，破坏半纤维素与木质素之间的化学键，增加木质素的提取率 。史秋兰及其团队在前期研究工作的基础上，利用超声波法辅助提取甘草渣中的木质素，并且对该提取工艺进行了优化。结果显示，通过此方法提取得到的木质素含有紫丁香基和愈创木基结构，较好保留了甲基、亚甲基、羟基和羰基等活性基团。此法反应条件温和，结构比较完整，木质素的纯度也相对较高 。本文采用碱法处理，超声波 酶法辅助提取木质素，在单因素实验的基础上进行正交实验，确定最佳的提取工艺条件，为木质素的提取提供工艺条件，为葡萄皮渣的综合利用提供理论支持。材料与方法 实验材料晒干的葡萄皮渣经过粉碎机粉碎，过 目密封备用。主要仪器 型数控超声波清洗器（昆山市超声波仪器有限公司）；鼓风干燥机（科大创新股份有限公司）；离心机（上海普湘仪器有限公司）。主要试剂氢氧化钠（分析纯）、石油醚（分析纯）、无水乙醇（分析纯）购自洛阳市化学试剂厂；硫代硫酸钠（分析纯）购自天津博迪化工有限公司；重铬酸钾（分析纯）购自天津市富宇精细化工有限公司）；冰乙酸（分析纯）购自天津市恒兴化学试剂制造有限公司；纤维素酶（万 ）购自山东隆科特酶制剂有限公司。研究方法 研究内容与方法称取 葡萄皮渣，加入 （原料）氢氧化钠溶液（），水浴 ，冷却后调 至 ，加入 纤维素酶，酶解 后放入沸水浴灭酶，然后超声波温度调至 ，处理 。反应后离心，取滤渣干燥至恒重，用于木质素提取率的测定。（）不同水浴温度的设置。水浴温度分别设定为 、，碱液用量为 ，纤维素酶用量为 ，酶解 ，超声波处理 ，测定木质素提取率。（）不同碱液用量的设置。水浴温度为 ，碱液用量设定为 、，纤维素酶用量为 ，酶解 ，超声波处理 ，测定木质素提取率。（）不同酶解时间的设置。水浴温度为 ，碱液用量为 ，纤维素酶用量为 ，酶解时间分别为 、，超声波处理 ，测定木质素提取率。（）不同纤维素酶用量的设置。河南城建学院学报 年 月水浴温度为，碱液用量为 ，纤维素酶用量依次为 、，酶解，超声波处理 ，测定木质素提取率。（）不同超声波处理时间的设置。水浴温度为，碱液用量为 ，纤维素酶用量为 ，酶解，超声波处理时间设定为 、，测定木质素提取率。结合单因素实验的结果，通过正交设计助手 设计 （）正交实验。称取 葡萄皮渣，根据正交实验方案中各组实验不同水平的碱液（）用量加入碱液，设定对应温度水浴，反应结束后冷却调 至 ，加入适量纤维素酶酶解至设定时长，结束后灭酶，然后设置超声波温度 进行一定时间的处理。反应后离心，取滤渣干燥至恒重，测定木质素提取率，每组实验设置 组平行，根据正交实验的结果探究最佳提取条件。木质素提取率的测定采用氧化还原滴定法 进行木质素提取率的测定，具体操作如下：（）取 样品放入离心管中，记重量，加入 醋酸溶液 酸解 ，重复酸解两次；向酸解沉淀中加入 石油醚和无水乙醇混合溶液萃取脱脂，浸泡 后离心，将装有浸泡液的离心管置于沸水浴中，用玻璃棒搅拌并水浴蒸干，得到粉末状的酸性沉淀，取出冷却。（）向步骤（）得到的酸性沉淀中加入 硫酸溶液浸泡，搅匀，室温下静置过夜。（）静置后加入适量的蒸馏水和 氯化钡溶液 ，摇匀，离心 ，弃上清液，得到含木质素沉淀。（）用蒸馏水冲洗步骤（）的沉淀，向离心管中依次加入 、硫酸酸化处理的 重铬酸钾溶液 ，混匀后沸水浴加热 ，冷却后将离心管中所有物质转入烧杯中，待测。（）向步骤（）的烧杯中加 碘化钾溶液 ，静置，用 硫代硫酸钠标准溶液滴定至棕红色，再加入 淀粉溶液 ，继续滴定至亮绿色，即达到终点。记录消耗的硫代硫酸钠的体积。（）同时做空白实验。（）计算公式为（）式中：为木质素提取率，；为硫代硫酸钠溶液的浓度，；为空白滴定所消耗硫代硫酸钠的体积，；为样品溶液所消耗的硫代硫酸钠的体积，；为样品重量，；为 木质素（以 表征）相当于硫代硫酸钠的滴定度。结果与分析 单因素实验 水浴温度的影响如图 所示，溶液可以将木质素与纤维素、半纤维素间的连接打破，木质素逐渐释放出来 ；随着水浴温度升高，反应体系的能量增加，碱液与葡萄皮渣反应速率逐渐加快，木质素释放速率增加；当温度达到 时，木质素提取率达到最高；温度超过 时，木质素的提取率逐渐下降，可能是过高的温度带来反应体系的能量较高，在碱液的作用下木质素部分分解，导致提取率降低。碱液用量的影响如图 所示，在碱液的作用下，木质素与纤维素、半纤维素间的交联作用被打破；随着碱液浓度的增加，反应强度增强，表现为木质素的提取率升高，直至碱液浓度为 时木质素提取率达到最大；随后持续增高的碱液浓度使得反应体系中 含量较多，过多的 在断裂木质素与纤维素、半纤维素间连接的同时，会破坏释放出来的木质素的结构 ，导致提取率下降。第 卷第 期刘俊红，等：葡萄皮渣中木质素提取工艺的优化图 水浴温度对木质素提取率的影响图 碱液用量对木质素提取率的影响 酶解时间的影响木质素、纤维素和半纤维素通过复杂的化学键连接在一起，形成木质素 碳水化合物复合体 。在纤维素酶的作用下将纤维素降解为小分子后，木质素与纤维素间的连接被打开，木质素游离出来，随着作用时间的延长，木质素提取率呈现上升的趋势；由于原料中纤维素含量的限定，酶解 时纤维素酶作用显著，纤维素被降解的程度最高，提取率达到最大；随着酶解时间继续延长，可能导致反应体系中的副反应发生，木质素提取率缓慢下降（见图）。纤维素酶用量的影响纤维素酶在温和的条件下对样品中的纤维素进行水解，高选择性地断裂木质素与纤维素之间的连接，进而提高木质素的提取率；随着酶量的增加，纤维素被降解的速率加快，木质素提取率随之增高；根据米氏方程，当纤维素酶被饱和时反应速率最大，即当纤维素酶加入量达到 时，纤维素降解速率达到峰值，木质素的提取率最高；随后由于酶被饱和，纤维素酶的作用不会显著提升，木质素的提取率趋于平缓（见图）。图 酶解时间对木质素提取率的影响图 纤维素酶用量对木质素提取率的影响图 超声波处理时间对木质素提取率的影响 超声波处理时间的影响超声波处理初期，由于超声波的机械效应、热效应以及空化效应，木质素、纤维素和半纤维素间的作用被打破 ，促进木质素的释放；随着作用时间的延长，超声波的综合效应增强，高温高压、强大的冲击波和高速射流使得反应程度增加，木质素的释放量逐渐增加，反应时间达到 时木质素提取率最大；随后继续延长超声波处理时间，超声波效应一方面可能会产生大量活性反应官能团，导致副反应发生，木质素被破坏 ，另一方面可能会使分离出来的木质素重新与残余的葡萄皮渣结合，最终导致提取率下降（见图）。河南城建学院学报 年 月 正交实验在单因素实验数据分析的基础上，通过正交软件设计正交实验，因素水平表见表，实验方案与结果见表，方差分析见表。表 正交实验的因素和水平水平水浴温度 酶解时间 碱液用量 （）纤维素酶用量 （）超声波处理时间 表 正交实验方案与结果实验号因素水浴温度 酶解时间 碱液用量 （）纤维素酶用 （）超声波处理时间 木质素提取率 第 卷第 期刘俊红，等：葡萄皮渣中木质素提取工艺的优化表 方差分析表因素偏差平方和自由度比临界值显著性水浴温度 酶解时间 碱液用量 （）纤维素酶用量 （）超声波时间 总误差 由表 中极差 值可知：碱液用量是影响木质素提取率的显著因素，在实验操作中要精确控制碱液用量。由表 直观分析结果显示，葡萄皮渣提取木质素的最佳提取条件为，即当水浴温度为 ，酶解时间为，碱液用量为 ，纤维素酶用量为 ，超声波处理 时，木质素提取率达到最大，为 ；均值分析结果显示，为提取葡萄皮渣中木质素的最佳提取条件；和 的验证实验结果表明，为最佳的提取工艺。结论与讨论本文采取碱处理、超声波 酶辅助的方法提取葡萄皮渣中的木质素。实验结果表明，水浴温度为 、碱液用量为 、纤维素酶用量为 、酶解、超声波处理 时，木质素提取率达到最大，为 。史秋兰等 采用超声波辅助一般碱法提取甘草渣木质素的研究显示，碱液浓度为 ，碱液用量为 、超声波功率为 、超声 时提取效果最优。靳玉双等 采用有机溶剂法提取玉米秸秆中的木质素，有机溶剂浓度为 （为质量百分比）、温度为 、时间为 时达到最佳提取效果。詹道丽等 用苯 乙醇溶液，超声波协同的方法提取松塔中的木质素。实验结果显示，料液比为 ，提取 ，超声波功率为 ，提取温度为 （少量浓硫酸作催化剂）时，木质素的提取率达到 。本文采取物理 化学 生物等方法的综合应用提取葡萄皮渣中的木质素，减少了单纯化学法提取所需的碱液用量，同时通过酶和超声波的协同作用，节约了提取时间，有利于环境保护和节能降耗，为葡萄皮渣的高附加值利用和新产品的开发提供理论依据。参考文献 王犁烨，武运，杨华峰，等 酿酒葡萄皮渣主要物质提取与利用的研究进展 中外葡萄与葡萄酒，（）：张进良，张翔，郭艳 葡萄中膳食纤维含量与面条风味的研究 粮食与饲料工业，（）：刘俊红，林青青，刘瑞芳，等 发酵法提取葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的研究 河南城建学院学报，（）：，：，（）：江源，张佰庆，李桂江 木质素的结构与应用 辽宁化工，（）：姜波，金永灿 基于木质素分子结构特性的功能材料研究进展 复合材料学报，（）：孙楠，邸明伟 木质素在聚合物材料中应用的研究进展 高分子材料科学与工程，（）：于美琦，王彬，徐慧洋，等 酿酒葡萄皮渣再利用研究进展 山东化工，（）：，杨晨露，施雪晴，王华 葡萄皮渣的生物价值及综合利用综述 中外葡萄与葡萄酒，（）：郝小燕，牟春堂，丁娜，等 葡萄皮渣在动物饲料中应用的研究进展 动物营养学报，（）：河南城建学院学报 年 月 李心祥 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