微波輔助提取油茶果殼木質(zhì)素工藝優(yōu)化

崔曉芳，李偉陽，魏婷婷，王 麗*

(四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064)

微波輔助提取油茶果殼木質(zhì)素工藝優(yōu)化

崔曉芳，李偉陽，魏婷婷，王 麗*

(四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064)

采用微波堿液提取法對油茶果殼木質(zhì)素進(jìn)行提取分離，以探尋油茶果殼木質(zhì)素最佳提取工藝。采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)法研究堿濃度、料液比、微波射功率、微波時間對木質(zhì)素提取效果的影響，并對所提取木質(zhì)素進(jìn)行紅外和紫外光譜分析。確定最佳提取工藝條件為堿濃度0.7mol/L、料液比1:70(g/mL)、微波功率和時間分別為550W和60min，在此條件下油茶果殼木質(zhì)素得率達(dá)到11.45%；紫外圖譜和紅外圖譜顯示該方法提取的木質(zhì)素保持了木質(zhì)素的原有結(jié)構(gòu)。優(yōu)化油茶果殼木質(zhì)素的最佳提取工藝，對木質(zhì)素的工業(yè)化生產(chǎn)以及油茶的綜合開發(fā)利用具有重要意義。

木質(zhì)素；微波；堿法；油茶果殼

油茶(Camellia oleifera)，又叫茶子樹，是我國特有的木本油料樹種，廣泛分布于我國長江以南各省。種子含油30%以上，供食用及潤發(fā)、調(diào)藥，可制蠟燭和肥皂，也可作機(jī)油的代用品[1-3]。茶油給人們帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益，然而，油茶果殼卻常被當(dāng)作垃圾遺棄，非但不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，且對環(huán)境造成了一定的危害。因此對油茶果殼木質(zhì)素提取工藝進(jìn)行研究具有很高的實(shí)用價值。

木質(zhì)素(lignin)是工業(yè)上唯一能從可再生資源中獲取的芳香族化合物，并且無毒、價廉，是化學(xué)化工生產(chǎn)中芳香族化合物原料的豐富資源[4]。木質(zhì)素存在于植物細(xì)胞壁中，含量僅次于纖維素，一般植物果殼中含量較高。近年來，從板栗殼、花生殼、核桃殼以及造紙黑液中提取木質(zhì)素的研究較多[5-7]，但從油茶果殼中提取木質(zhì)素的研究國內(nèi)外尚未見報(bào)道。

微波輔助提取又稱微波萃取，是由微波和傳統(tǒng)的溶劑萃取法相結(jié)合而形成的一種新發(fā)展起來的技術(shù)。與傳統(tǒng)方法相比，微波提取法可大大縮短提取時間，提高提取效率、減少提取液中的雜質(zhì)等[8-10]，具有快速、節(jié)能、節(jié)省溶劑、重現(xiàn)性好、污染小，等優(yōu)點(diǎn)，因此在天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[11-15]。

本實(shí)驗(yàn)采用微波輔助提取法對油茶果殼木質(zhì)素的提取工藝進(jìn)行研究，并對其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；采用紫外和紅外光譜對所得木質(zhì)素進(jìn)行檢測。通過對油茶果殼堿木質(zhì)素提取最佳工藝的研究，以期為油茶的綜合開發(fā)利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

油茶果殼(來自貴州銅仁)；氫氧化鉀、濃鹽酸為化學(xué)純；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

QE-1000克粉碎機(jī) 武義縣屹立工具有限公司；松下微波爐改造裝置(外加回流裝置) 上海松下微波爐有限公司；SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水真空泵 鞏義市予華儀器有限公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海市金鵬分析儀器有限公司；Lambda-35型紫外-可見分光光度計(jì) 美國PerkinElmer公司；330型傅里葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet公司；AR11401C型電子分析天平。

1.3 方法

1.3.1 原料的預(yù)處理

將油茶果殼自然干燥、除雜，于烘箱中60℃干燥6h，粉碎、過40目篩。然后采用甲苯與乙醇(V:V=2:1)混合溶劑對粉碎的油茶果殼進(jìn)行浸提10h，過濾，回收甲苯-醇溶劑，濾渣在40℃烘干，得本實(shí)驗(yàn)所用的預(yù)處理樣品，備用。

1.3.2 油茶果殼木質(zhì)素的提取

稱取5.0g預(yù)處理樣品，加入一定濃度的KOH溶液，微波加熱提取、過濾，濾液用6mol/L的乙酸將pH值調(diào)至5.5，減壓濃縮，濃縮液用3倍其體積的95%乙醇處理，靜置，待沉淀完全，真空抽濾。濾液濃縮除去乙醇后用6mol/L HCl溶液調(diào)pH值至1.5，靜置、過濾，所得濾渣用pH值2.0的HCl溶液洗滌，自然干燥，所得產(chǎn)品即為堿木質(zhì)素[16]。

1.3.3 木質(zhì)素提取的單因素試驗(yàn)

分別以不同的微波功率(300、400、550、700、1000W)，微波時間(30、60、90、120、150min)，物料與KOH溶液的比值(料液比)(1:40、1:50、1:60、1:70、1:80g/mL)以及不同KOH濃度(0.1、0.3、0.5、0.7、0.9mol/L)為單因素，考察各因素對油茶果殼木質(zhì)素得率的影響，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.4 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交試驗(yàn)，進(jìn)一步分析微波功率、微波時間、堿濃度以及料液比對木質(zhì)素得率的影響，優(yōu)化木質(zhì)素提取工藝，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.5 紫外光譜的測定

取少量干燥的本實(shí)驗(yàn)所提取的木質(zhì)素樣品，溶于乙醇中，并以乙醇為空白，用紫外分光光度計(jì)測其在200～400nm范圍內(nèi)的吸收光譜。

1.3.6 紅外光譜測定

取少量干燥的本實(shí)驗(yàn)所提取的木質(zhì)素樣品，磨成粉末，再與溴化鉀粉末混合均勻。壓成薄片，利用傅里葉變換紅外光譜儀測定其紅外光譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 微波功率對木質(zhì)素提取得率的影響

圖1 微波功率對木質(zhì)素得率的影響Fig.1 Effect of microwave power on lignin yield from Camellia oleifera shell

由圖1可知，在300～500W范圍內(nèi)，隨著功率的增加，木質(zhì)素的得率呈明顯的上升趨勢，在550W時達(dá)到最大值；繼續(xù)增大功率木質(zhì)素得率下降。分析其原因可能是功率較小時，由于木質(zhì)素與纖維素結(jié)合緊密，導(dǎo)致兩者分離不徹底，所以木質(zhì)素的得率較低；而微波功率太大時，溫度過高，導(dǎo)致部分木質(zhì)素分解，以至于影響木質(zhì)素的得率。本實(shí)驗(yàn)選取正交試驗(yàn)中功率的3個水平為400、550、700W。

2.1.2 微波時間對木質(zhì)素得率的影響

在微波功率550W、料液比1:50、堿濃度0.5mol/L條件下，考察微波時間對木質(zhì)素得率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 微波時間對木質(zhì)素得率的影響Fig.2 Effect of microwave treatment time on lignin yield from Camellia oleifera shell

微波具有很強(qiáng)的穿透力和非常有效的瞬時深層加熱作用，樣品通過對微波能的吸收，能夠使其各組分快速分離。當(dāng)微波功率一定時，微波時間的長短，直接影響提取效果。由圖2可得：提取時間30～60min，隨著微波處理時間的延長，木質(zhì)素得率有明顯的提高。超過60min后，木質(zhì)素得率呈現(xiàn)下降趨勢。分析其原因可能是開始時隨著時間的延長，木質(zhì)素與纖維素分離程度逐漸上升，所以木質(zhì)素得率明顯提高；當(dāng)微波處理達(dá)到一定時間時，二者已經(jīng)分離完全，繼續(xù)延長微波時間，部分木質(zhì)素可能因長時間吸收微波而被分解，所以得率有所下降。正交試驗(yàn)中設(shè)定30、60、90min為微波時間的3個水平。

2.1.3 料液比對木質(zhì)素得率的影響

在微波功率550W、微波時間60min、堿濃度0.5mol/L條件下，考察料液比對木質(zhì)素得率的影響。

圖3 料液比對木質(zhì)素得率的影響Fig.3 Effect of solid-to-liquid ratio on lignin yield from Camellia oleifera shell

圖3 結(jié)果顯示，隨著料液比的減小，木質(zhì)素得率逐步提高，當(dāng)料液比為1:60時得率最大，因此正交試驗(yàn)選用1:50、1:60、1:70為料液比的3個水平。

2.1.4 堿濃度對木質(zhì)素得率的影響

微波功率550W、微波時間60min、料液比1:60，考察不同KOH溶液濃度對木質(zhì)素得率的影響。

[22] 李軍“圖形作為知識：十幅世界地圖的跨文化旅行”,《美術(shù)研究》[J]，北京：中央美術(shù)學(xué)院，2018年 02 期，P76.

圖4 堿濃度對木質(zhì)素得率的影響Fig.4 Effect of alkaline concentration on lignin yield from Camellia oleifera shell

由圖4可知，木質(zhì)素的得率隨著堿濃度的升高而增加，但當(dāng)濃度增加到0.7mol/L后，繼續(xù)增大堿濃度，木質(zhì)素得率不再提高，而是略呈下降趨勢。這說明，由于木質(zhì)素在堿液中以溶解狀態(tài)存在，萃取液中堿濃度越高，木質(zhì)素溶解越完全，得率越高，但當(dāng)濃度0.7mol/L時，已經(jīng)達(dá)到木質(zhì)素的最佳提取濃度，所以繼續(xù)提高堿濃度后，木質(zhì)素的得率變化不大，因此依據(jù)試驗(yàn)條件選取合適的堿濃度，選擇堿濃度0.5、0.7、0.9mol/L進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.2 微波輔助堿液提取油茶果殼木質(zhì)素正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的研究結(jié)果，將微波時間、微波功率、料液比和堿濃度作為考察因素，按照L9(34)正交試驗(yàn)對木質(zhì)素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表1。

表1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)結(jié)果Table 1 Orthogonal array design arrangement and experimental results

由表1可知，各因素對結(jié)果的影響大小為微波功率影響最大，其次是微波時間、堿濃度，最后是料液比。最佳的工藝條件組合為微波功率550W、微波時間60min、堿濃度0.7mol/L、料液比1:70。

為進(jìn)一步判斷上述4因素對正交試驗(yàn)結(jié)果的影響是否存在，將正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，選擇料液比為誤差所在的列，結(jié)果見表2。

表2 木質(zhì)素得率的數(shù)據(jù)方差分析Table 2 Variance analysis for lignin yield from Camellia oleifera shell with various extraction conditions

從表2可以看出，在95%可信度時，誤差所在列在因素C(料液比)時，因素B(微波功率)對木質(zhì)素得率的影響顯著。而微波時間、堿濃度以及料液比對木質(zhì)素得率的影響均不顯著，這說明微波功率對木質(zhì)素得率起主要作用。

對微波法最佳提取工藝進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，5次平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到木質(zhì)素的得率分別是11.57%、11.26%、11.46%、11.63%、11.34%。通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素的平均得率可達(dá)到11.45%，RSD值為1.3%，所以該木質(zhì)素提取工藝穩(wěn)定可行。

2.3 紫外吸收光譜分析

圖5 油茶果殼木質(zhì)素的紫外光譜Fig.5 UV spectrum of lignin from Camellia oleifera shell

在200～400nm范圍內(nèi)掃描，測得本實(shí)驗(yàn)所提取的木質(zhì)素的紫外吸收光譜(圖5)。在230nm(紅移)附近有較強(qiáng)的吸收帶，在280nm附近有中等強(qiáng)度吸收帶，這些都是苯環(huán)的特征峰。所以，說明所提木質(zhì)素為芳香族化合物，該檢測結(jié)果與云杉木質(zhì)素及甘蔗渣木質(zhì)素的紫外圖譜接近[4,17]。

2.4 紅外光譜分析

本實(shí)驗(yàn)所提取木質(zhì)素的傅里葉變換紅外光譜見圖6。其所對應(yīng)的吸收峰歸屬分析見表3[18-21]。由表3分析可知，油茶果殼堿木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元由芳香族的苯環(huán)以及脂肪族的側(cè)鏈構(gòu)成，其上還有各種功能基，如甲基、甲氧基、羥基和羰基等，是一種具有一定化學(xué)活性的物質(zhì)。該紅外光譜與云杉木質(zhì)素及板栗殼木質(zhì)素標(biāo)準(zhǔn)圖譜[4,7]基本上一致。

圖6 油茶果殼木質(zhì)素的紅外光譜Fig.6 IR spectrum of lignin from Camellia oleifera shell

表3 木質(zhì)素的紅外光譜吸收表Table 3 IR absorption peaks of lignin from Camellia oleifera shell

3 結(jié) 論

3.1 本實(shí)驗(yàn)分別通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對油茶果殼木質(zhì)素的微波法提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)試驗(yàn)確定其最佳提取工藝條件為堿濃度0.7mol/L、料液比1:70、微波時間60min、微波功率550W。在此條件下，木質(zhì)素得率達(dá)到11.45%。極差和方差分析表明微波功率對木質(zhì)素得率影響顯著。

3.2 得到的堿木質(zhì)素為棕褐色固體，可溶于1,4-丁二醇和苯酚或堿溶液，但不溶于水。根據(jù)紫外、紅外波譜分析，驗(yàn)證了木質(zhì)素的芳香族結(jié)構(gòu)。

3.3 利用微波堿法提取木質(zhì)素具有設(shè)備簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。提取木質(zhì)素后的剩余殘?jiān)w維素，還可以被繼續(xù)開發(fā)成纖維素產(chǎn)品，或利用生物的方法進(jìn)一步降解成糖類物質(zhì)。該法為油茶果殼的綜合利用奠定了很好的基礎(chǔ)。

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Process Optimization for Microwave-assisted Extraction of Lignin from Camellia oleifera Shell

CUI Xiao-fang，LI Wei-yang，WEI Ting-ting，WANG Li*
(College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

Lignin was extracted from Camellia oleifera shell by alkaline water with the assistance of microwave. The effects of potassium hydroxide concentration, solid-to-liquid ratio, microwave power and treatment time on the yield of lignin were studied by single factor and orthogonal array design methods. Meanwhile, the lignin obtained was structurally analyzed by infrared and (IR) and UV spectroscopy. The optimum extraction conditions were as follows: alkaline concentration 0.7 mol/L,solid-to-liquid ratio 1:70, and microwave radiation power 550 W for an extraction duration of 60 min. Under such conditions, the yield of lignin was up to 11.45%. IR and UV spectral analyses showed that the lignin extracted by this method remained its original structure. In conclusion, the optimum microwave-assisted extraction technology for lignin from Camellia oleifera shell has been obtained, which has great significance for the comprehensive exploitation and industrial utilization of Camellia oleifera shell as a rich source of lignin.

lignin；microwave；alkaline；Camellia oleifera shell

Q946.826.5

A

1002-6630(2011)08-0098-05

2010-06-20

四川省科技廳科技支撐項(xiàng)目(2009FZ0059)

崔曉芳(1986—)，女，碩士研究生，主要從事天然產(chǎn)物研究。Email：scucxf@163.com

*通信作者：王麗(1969—)，女，教授，博士，主要從事資源植物學(xué)研究。Email：yzxj@vip.163.com