超聲波輔助堿液提取蘆竹葉纖維素的工藝研究

王艷萍，謝秋鳳

(運城學院 生命科學系，山西 運城 044000)

蘆竹(Arundodonax.L)禾本科，多年生，是新型纖維素能源草[1]。蘆竹喜溫暖，喜水濕，耐寒性不強。在我國蘆竹栽植范圍較廣，集中分布在南方的熱帶與亞熱帶地區(qū)，近年來北方也有引入栽培[2]。蘆竹纖維素含量較高，目前，國內(nèi)外對于蘆竹的研究基本是對其生物質(zhì)產(chǎn)量及生物質(zhì)特性的研究報道。關(guān)于蘆竹預(yù)處理的研究甚少，且尚未過多涉及。本文應(yīng)用超聲輔助堿液的方法，獲得提取蘆竹葉中纖維素最優(yōu)工藝參數(shù)，希望能為更好開發(fā)利用蘆竹資源提供理論性的參考。

1. 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

原料：蘆竹(運城市綠碧源農(nóng)林開發(fā)有限公司，品種“綠洲一號”。)

試劑：乙醚、硫酸、無水乙醇、氫氧化鈉、氫氧化鉀，均為分析純。

儀器：101A-1E電熱恒溫鼓風干燥箱(上海實驗儀器總廠)；SX-4-10電阻爐控制箱(天津市泰斯特儀器有限公司)；LXJ-Ⅱ離心沉淀機(上海醫(yī)分儀器制造有限公司)；KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 預(yù)實驗的方法選擇

通過查閱資料，實驗采用水浴處理、超聲處理的物理方法與酸液、堿液的化學方法相結(jié)合的方式，對蘆竹葉進行前期的預(yù)實驗處理。

1.2.2 蘆竹葉前期處理

將采集的蘆竹洗滌，用手工分離秸稈和葉子，并將蘆竹葉剪成1 cm左右的小段，65 ℃鼓風烘干，直到達恒重。再用粉碎機對樣品進行反復(fù)粉碎，用標準篩選出60～80目的試樣(通過60目不能通過80目)，置于干燥器中備用。

1.2.3 蘆竹葉纖維素提取的工藝流程

處理后的蘆竹葉→氫氧化鈉溶液超聲波處理→洗滌中性→干燥至恒重→稱取一定量處理后的樣品→測定其中的纖維素含量。

1.2.4 纖維素測定

蘆竹葉纖維素的測定采用非酶重量法[3]。

1.2.5 響應(yīng)面試驗選擇

根據(jù)Box-Behnken的響應(yīng)面試驗的設(shè)計原理[4]。按照單因素所得結(jié)果，采用四因素三水平設(shè)計優(yōu)化方案，設(shè)計見表1。

表1 試驗因素水平及編碼

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過Design-Expert8.0.6軟件對實驗所得數(shù)據(jù)進行處理。

2. 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)曲面模型設(shè)計及試驗結(jié)果

采用Design-Expert8.0.6軟件，具體的設(shè)計方案及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計與實驗結(jié)果

由表2可以看出，實際測得的纖維含量與理論測得的纖維含量大部分相近，實驗誤差較小，所得數(shù)據(jù)較為可靠。

2.2 響應(yīng)曲面模型建立與顯著性檢驗

運用Design-Expert8.0.6，得到方差分析結(jié)果見表3，各相關(guān)系數(shù)見表4。

表3 纖維素含量響應(yīng)面模型的方差分析

表4 各相關(guān)系數(shù)分析

對數(shù)據(jù)進行多項式擬合，以纖維素含量為因變量(Y)，得到回歸方程為：

Y=79.88-1.7A+0.74B+0.77C+2.10D-1.36AB-0.48AC-0.013AD+2.07BC+1.2BD--2.74CD-5.44A2-1.93B2-5.13C2-3.91D2

在剔除不顯著因素后，得到簡化后的模型回歸方程為：

Y=79.88-1.7A+2.10D-1.36AB+2.07BC-2.74CD-5.44A2-1.93B2-5.13C2-3.91D2

2.3 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

各顯著因素對蘆竹葉中纖維素含量影響的等高線如圖1、圖2和圖3所示。從回歸模型所得到的等高線可用來評價選取因素之間的交互性。

圖1 NaOH質(zhì)量分數(shù)和料液比的等高線

圖2 料液比和反應(yīng)時間的等高線

由圖1可看出，AB交互作用的等高線橢圓不是很明顯，說明AB的影響不是很顯著。當反應(yīng)時間和提取溫度一定時，隨NaOH質(zhì)量濃度的增大和料液比的增加，纖維素的含量是先升高后下降的。原因是隨著NaOH質(zhì)量濃度增大，蛋白質(zhì)、色素等堿溶性物質(zhì)被溶出[6]，纖維素的含量增加。但持續(xù)增大堿液濃度，纖維素的含量下降原因是纖維素溶解。

也可以看出在一定范圍內(nèi)，纖維素含量在80%以上。且得到NaOH質(zhì)量濃度所得的圖較料液比所得的圖較陡，表明NaOH質(zhì)量濃度對含量的影響較料液比更明顯。

由圖2，BC交互作用所得等高線明顯呈橢圓形狀，說明BC的影響是顯著。當NaOH質(zhì)量濃度和提取溫度一定時，隨料液比的增加和反應(yīng)時間的延長，纖維素含量呈先升高后緩慢下降的趨勢。也可以看出在一定范圍內(nèi)，纖維素的含量達到78%以上。

圖3 反應(yīng)時間和提取溫度的等高線

由圖3可知，CD交互作用所得等高線呈橢圓形狀，說明CD的影響是顯著。當NaOH質(zhì)量濃度和料液比一定時，隨反應(yīng)時間的延長和提取溫度的升高，纖維素含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢；也可以看出在一定范圍內(nèi)，纖維素含量到達80%以上。綜上，所得結(jié)果與方差分析的結(jié)果相似。

2.4 響應(yīng)曲面驗證實驗

經(jīng)響應(yīng)曲面分析，獲得最優(yōu)參數(shù)是：NaOH質(zhì)量濃度11.61%，料液比1∶13.55 g/mL，處理時間80.04 min，提取溫度72.96 ℃，理論應(yīng)測得纖維素含量為80.42%。結(jié)合實驗室的實際條件，對驗證實驗的提取條件進行修正后為：NaOH質(zhì)量濃度11.6%，料液比1∶13.5 g/mL，處理時間取80 min，提取溫度73 ℃。然后進行三次平行驗證試驗，測得纖維素含量分別是80.18%，80.33%，80.25%，均值為80.25%。因此，可以看出數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性良好，且回歸方程能較真實的反映各因素對優(yōu)化提取蘆竹葉中纖維含量的影響，證明采用響應(yīng)曲面分析法得到蘆竹葉中纖維素的理論提取條件是真實可靠的，故可以用作參考依據(jù)。

3. 結(jié)論

以纖維素含量為指標，響應(yīng)面優(yōu)化得到提取蘆竹纖維素最優(yōu)工藝參數(shù)為：NaOH質(zhì)量濃度11.6%、料液比1∶13.5 g/mL、提取溫度為73 ℃、提取時間80 min，測得的蘆竹葉中纖維素含量是80.25%；各因素對于纖維素含量的顯著性影響表現(xiàn)為：提取溫度>NaOH質(zhì)量濃度>處理時間>料液比。