农产品废弃物中纤维素的提取方式探究

农产品废弃物中纤维素的提取方式探究
摘要:纤维素是自然界中分布最广、储量最大的天然高分子材料,具有生物相
容性好、可再生和可生物降解等优势。

通过光合作用,植物每年可合成的纤维素
有数亿万t。

其提取与利用一直以来都是研究的热点。

本文主要对纤维素提取方
法及纤维素在食品工业中的应用进行了阐述。

首先介绍了纤维素的分子结构特点、化学性质等,总结并对比分析了纤维素常用提取方法,为纤维素的提取研究提供参考。

高纤维素的综合利用水平提供一些思路。

关键词：农产品废弃物、纤维素、提取方式
引言：纤维素是自然界中分布最为广泛、含量最为丰富的天然有机大分子聚
合物,来源主要包括高等植物、细菌和藻类等,是植物细胞壁的主要组成成分,可
通过植物形成细
胞壁而源源不断地合成,属于是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源。

纤
维素由D-吡喃葡萄糖酐以β-1,4-糖苷键连接而成,分子式为(C6H10O5)n,其结构
式如图1所示。

纤维素链上含有丰富的羟基基团,非末端的结构单元中含有3个
羟基组,其中含有1个性质较为活泼的伯羟基(-CH2OH),这类羟基的存在赋予了纤
维素特殊的化学性质,因此可以发生一系列的反应,如酯化、醚化、氧化和接枝共
聚等。

这使得纤维素衍生物众多,被广泛用于多种领域,如食品、能源、材料等。

1.
物理法
物理法是指通过高温、高压、高剪切力等物理机械作用,来改变纤维素原料
的化学组成和物理结构。

常用的方法主要包括超声波辅助提取法、蒸汽爆破、机
械粉碎等,多用于原料的预处理过程。

其中,超声波辅助提取是利用超声波辐射的
热力学机制、空化效应和机械效应等多种作用,加速待提取或分离的化合物分子
的运动,提高分子与溶剂碰撞的概率,使纤维素更容易进入溶剂中从而被分离提取
出来,因此可以极大地缩短提取时间,提高提取效率。

NGO等利用超声辅助从越南
稻草中提取纤维素,在超声波作用10~30min内,纤维素的提取率随时间的延长而
增加,纤维素的热稳定性有所提高。

也利用了超声辅助处理了芒草,研究表明,超
声处理过程中可以选择性地去除木质素,在后续的处理中,除去半纤维素和木质素的同时也不会对纤维素有明显的降解作用。

蒸汽爆破法是将原料置于高温、高压的环境中,孔隙中充满蒸汽,当瞬间解除高压时,原料孔隙中的过热蒸汽迅速汽化,体积急剧膨胀而使细胞“爆破”,细胞壁破裂形成多孔,小分子物质从细胞内释放出来。

等进行了多次蒸汽爆破提取油棕榈果皮纤维的实验。

研究表明,与未经过蒸汽爆破处理的对照组比较,纤维素得率都有所提高、结晶度较高、热稳定性相近。

在不同条件下探究蒸汽爆破对小麦秸秆组分的影响,
当蒸汽爆破处理条件为压力1.8MPa、保压时间6min时效果较好,纤维素的回收率为80.5%,半纤维素脱除了88.2%。

机械粉碎法主要用于获得颗粒均匀细小的原料,可为后续进一步提取纤维素或分离胶质提供便利。

等利用自制的球磨机对松木漂白浆进行机械活化,然后对其进行溶解度和聚合度的测定以及相关分析,发现活化后的漂白浆比表面积增大,结晶结构被破坏,化学试剂更容易进入纤维素无定形区发生作用。

物理法主要是通过外力对纤维素的结构进行破坏,其优点在于操作方便、高效、时间短、无污染。

其中,超声波辅助提取法和蒸汽爆破法效率较高、
提取效果显著,且可以利用压力的瞬间变化,对分子内结构进行破坏,如蒸汽爆破
的蒸汽分子可使纤维素大分子链断裂、氢键断裂,还可以破坏无定形区和结晶区,增加可及度(反应试剂进入纤维素羟基的难易程度),实现纤维素提取原料的组分
分离与结构变化。

因此,这2种方法是比较受青睐的方法。

单纯的机械粉碎一般
而言难以将纤维素
和木质素从原料中
离,对纤维素的提
取十分有限且纯
度难以保证。

本人
开发了一种试用装
置，能使得纤维素
能够被更快的物理
提取为了使纤维素
表面和溶剂快速、充份接触，加快润湿速度，控制润湿时间，提升润湿质量，提
高生产效率，减少溶剂的使用，降低成本。

现有生产工艺是将纤维素投入到充满
有机溶剂的搅拌罐进行搅拌，使二者充分接触润湿，以进行下一步的反应。

因纤
维素比重小，漂浮在溶剂表面，不能充分与溶剂接触，浸润进行的并不顺利，容
易出现结块、浸润不彻底等现象。

浸润时间不一致，会导致产品反应程度不一样，影响质量，另外存在搅拌时间长、效率低、不能连续生产，溶剂加入量大、利用
率低、需要后续回收处理等问题，而本装置将批量生产过程变为连续生产过程，
专用设备使纤维素处于松散状态，并使之从进料口向出料口移动，在此过程中逐
步将溶剂以喷雾的形式加入到纤维素中，在到达出料口之前，使之充份混合均匀。

控制溶剂的加入量，满足润透即可，以节约用量。

本装置的使用流程主要是将粉
碎后的纤维素放入料仓内，料仓出口处用喷嘴将溶剂雾化后喷入，使纤维素在下
落过程中即与溶剂接触，完成初步浸润，增加比重，改变易架桥、堵塞的特性；
在预混设备内中再喷入有机溶剂，调整纤维素与溶剂的比例，并持续改进物料输
送状态；最后在专用设备内，被高速转动的桨叶打散、破壳、混合，充份浸润后
排出产品。

2.化学法
化学法是指使用化学药剂处理纤维素原料,使纤维素溶解或分离出来,之后再
进行提取。

主要包括碱处理、酸处理、有机溶剂法和离子液体法等。

采用不同的
试剂对蔗渣纤维素的提取效果进行比较,发现硝酸-乙醇-硫酸法提取蔗渣纤维素
的效果更好、工艺操作简单、耗时短。

研究了硝酸-乙醇法对玉米皮纤维素的较
优提取条件,并用红外光谱分析、X射线衍射分析和热重分析对处理前后样品进行
比较分析,结果表明,硝酸-乙醇溶液处理可将半纤维素和木质素大部分去除,所制
备的纤维素晶型仍为I型,结晶度为56%,当热分解温度为222°C时,其热稳定性
优于玉米皮为原料所制备的纤维素。

酸处理和碱处理都是目前使用较多且更为成
熟的技术,但由于酸或碱处理过程中副产物较多,且副产物的利用率低,同时也给
环境带来一定消极影响。

而溶剂法主要是通过有机溶剂使纤维发生涨润或溶解,
再进行进一步处理,如制备纳米纤维素。

有机溶剂还有许多优良特点,如7308食
品安全质量检测学报第12卷化学稳定性、热稳定性、不燃性及极低蒸汽压等,同
时可以通过蒸发、离子交换、反渗透等方法进行回收,利于循环使用。

因此近年来溶剂法逐渐成为研究的重点。

如利用N-甲基吗啉-N-氧化物(N-methylmorpholine-N-oxide,NMMO)低共熔溶剂等提取纤维素。

这些离子液体的特点之一是它们能够打破木质纤维素生物质的细胞壁,使纤维素得以溶解。

KATARZYNA等[23]利用离子液体对造纸污泥中的纤维素进行提取,分别在不同的反应温度、不同溶剂用量下比较纤维素提取效果,发现温度影响不明显而一定范围
内溶剂用量越少提取效果越好,同时较低温度可能也会产生影响;研究中也证明了离子液体可以回收,但还需进一步研究离子液体的分离纯化工作。

设计了5种离
子液体来溶解提取玉米秸秆中的纤维素,反应条件温和,但只成功回收了其中的咪唑类离子液体。

则结合了微波辅助碱预处理、超声辅助离子液等多手段提取制备纤维素纳米晶须。

一般来说,化学法会对环境造成一定污染,但使用更为广泛,具
有优异的化学和热稳定性,适用性强,受原料限制不大。

提取效果虽受原料、条件不同而有所差异,但无论是作为预处理方式还是主要提取方式都具有可操作性。

3.生物酶法
生物法提取纤维素一般是利用生物中的半纤维素酶、木质素酶、果胶酶等酶的作用分解相应的物质进而提取纤维素。

利用α-淀粉酶、纤维素酶、中性蛋白
酶等从柚子皮中提取了65%以上的总膳食纤维,这与同种条件下采用化学方法相比,所提取的纤维素中蛋白质等杂质的含量较低,这说明使用酶法提取的膳食纤维纯
度更高,突显出了酶具有特异性这一特点。

利用半纤维素酶和果胶酶对香蕉茎秆
进行处理,处理后的香蕉茎秆纤维素含量达65.06%,相比于用超声波及碱处理得到的纤维素含量略高且纤维素结构保持较好,但机械性能有所下降,处理后的茎秆仍有大部分木质素残留。

REN等[34]利用盐酸和纤维素酶、木聚糖酶提取纯化高粱
中的微晶纤维素利用α-淀粉酶、糖化酶、乙醇、丙酮等提取马铃薯膳食纤维,在α-淀粉酶和糖化酶的酶解最优体系条件下,从马铃薯渣中提取得到的总膳食纤维含量可达76.92%。

生物法较为温和,对纤维的损伤不大,可以很好地保持纤维素的结构,同时可减少试剂的使用、节省较多试剂成本、减少化学试剂造成的环境污染。

研究发现木腐菌(包括白腐菌、软腐菌、褐腐菌)为提取纤维素最常用的微生物之一,其中白腐菌分解木质素的能力最强。

但仅靠生物法并不能很好地去除所
有木质素、半纤维素,还需配合其他方法使用才能得到更纯、质量更好的纤维。

1.
结论与展望
一直以来,纤维素以其来源广泛、可再生、易降解等特点而受到研究者们的
重点关虽然,目前在纤维素的提取及其在食品行业中的应用方面开展了大量的研
究工作,但是想要真正将纤维素大量工业化制备并应用,仍然存在许多挑战。

为提
高纤维素利用率,可以从以下几个方面进行深入研究:
(1)对于纤维素的提取。

由于生物酶法仍存在选择性低,且稳定性不高,目前
仍以物理化学联合法为主。

随着绿色溶剂应用的发展,可开发成低本、稳定性好、溶解度高、易回收的绿色溶剂应用于纤维素提起分离工艺中,以期提高纤维素提
取率并提高经济效益。

(2)在纤维素利用方面。

由于纤维素自身结晶度和低溶解性是导致利用率低
的重要原因,可考虑开发更多的纤维素衍生物种类,拓宽纤维素应用领域,为提高
纤维素的利用率增加有效途径。

参考文献
［1］许子飏,莫胜鹏,付名利,等.稀土材料在挥发性有机废气降解中的应用
及发展趋势[J].环境工程,2020,38(1):1-12,36.
［2］李悦,许琦,杨百忍,等.生物滴滤器处理间二氯苯废气的性能分析[J].
环境工程学报,2020,14(2):448-456.。