生物酶处理对胡萝卜渣纤维素结构的影响

刘 欢 马中苏

（1.通化师范学院，吉林 通化 134002；2.吉林大学生物与农业工程学院，吉林 长春 130025）

以果蔬渣为原料提取膳食纤维，再将这些膳食纤维进行的处理，改变纤维素固有的特性，形成具有其它功能性质的产物或衍生物，在造纸、医药和食品等领域已得到广泛的应用［1，2］。目前，对纤维素的研究主要集中在木材和麦秆等纤维材料［3，4］，但随着研究的深入，果蔬中纤维素食用性和功能性也将逐渐被大家所认知［5］。

生物技术因其具有环保、节能和高效等优点被广泛的应用在各个领域中，尤其在农业废弃物再利用和纤维综合应用中发挥突出的贡献［6］。复合纤维素酶和纤维素作用时，其所含组分具有不同的活性和选择性，而显示出多种类型的协同作用［7，8］。Jackson等［8］用干燥过的漂白针叶木纤维和复合纤维素酶反应，研究发现细屑和细小纤维具有较大的比表面和可及度。杨博等［9］研究了纤维素酶、木聚糖酶处理对杨木纸浆物理性能的影响，并采用纤维质量分析仪和X－射线衍射分析生物酶处理后纤维形态及结晶指数的变化。结果表明，纸浆经酶处理后，细小纤维含量和纤维扭结指数降低，结晶指数提高。

在胡萝卜加工过程中，得到的胡萝卜渣约占原料的30%～50%，而其含有的胡萝卜纤维素占56%［10］。本试验采用生物酶对胡萝卜渣纤维（CPC）进行改性，观测改性前后纤维形态结构的变化，并采用示差扫描量热分析（differential scanning calorimetry，DSC）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）和X－射线衍射（X－ray diffractometer，X－ray）技术，进一步分析生物酶改性胡萝卜渣纤维（EMCPC）的微观结构特点。旨为生物酶改性纤维素的研究提供数据参考，为扩大纤维素在造纸、医药和食品等领域应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

胡萝卜渣：本实验室自制；

纤维素酶：15 000IU／g，国药集团化学试剂有限公司；

木聚糖酶：60 000IU／mg，北京鼎国生物技术有限责任公司；

柠檬酸、柠檬酸钠、酒石酸钾钠：分析纯，北京化工厂；

3，5－二硝基水杨酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

苯酚：分析纯，西陇化工股份有限公司；

亚硫酸氢钠：分析纯，天津市福晨化学试剂厂。

1.1.2 主要仪器设备

造纸纤维测量仪：JZ－K型，南通三思机电科技有限公司；

扫描电子显微镜：XL30－ESEM 型，荷兰FEI公司；

X－射线衍射仪：D8－ADVANCE型，德国Bruker公司；

傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）：Nexus 670 型，美国热电集团尼高力仪器公司；

示差扫描量热仪：DZ－3335 型，南京大展机电技术研究所。

1.2 方法

1.2.1 胡萝卜渣纤维素的制备 新鲜的胡萝卜洗净，切成3～5mm的小段，于榨汁机中榨汁，用240号尼龙滤布过滤（50目），滤渣干燥（50℃），粉碎过筛（100目）；胡萝卜渣和蒸馏水按质量比1∶2混合，用10%盐酸调节料液的pH 值为1.5，在85 ℃下浸提2.0h，过滤，热水洗涤滤渣，滤渣水洗至中性；按提取液用量为15 mL／g 加入10% NaOH 溶液，40 ℃浸提20h，滤渣用水洗至中性；用水洗除碱液，加等量次氯酸钠，用50%醋酸调pH 为4～5，加热至75 ℃，保持1h，冷却至室温，过滤，用95%乙醇洗涤除去次氯酸钠，过滤；滤渣在60 ℃烘干，得胡萝卜渣纤维素（CPC）。

1.2.2 酶活力的测定 采用DNS法［11］。

1.2.3 酶改性胡萝卜渣纤维素的工艺

CPC→预处理→酶处理→终止反应→EMCPC

CPC 与混合酶液按固液比20 g／L 进行酶改性，用0.05mol／L柠檬酸缓冲液（pH 4.8）配置酶混合溶液。酶改性条件：纤维素酶用量为90IU／g，木聚糖酶用量为36IU／g，酶解时间为1.5h，酶解温度为50 ℃。

1.2.4 形态的测定 用玻璃棒取少量纤维素，放入装有去离子水的离心管内。摇匀，将纤维素分散在离子水里。用胶头滴管取两滴，放入载玻璃片上。在显微镜下观察纤维素形态，高分辨率彩色摄像头采集图像，重复取样采集图像。

1.2.5 扫描电子显微镜 样品在40 ℃温度下干燥6h后，将样品用双面胶固定于不锈钢载物片上，真空镀金。取出样品置于电子显微镜的载物台上，观察样品表观形态结构，重复取样观测。

1.2.6 示差扫描量热分析 示差扫描量热法指在相同的程控温度变化下，用补偿器测量样品与参比物之间的温差保持为零所需热量对温度的依赖关系，它能定量分析可食膜的热行为。样品在40℃温度下干燥6h后，取10mg干燥样品于铝盒中，以空铝盒为空白对照，氮气流速10mL／min，升温速率为10 ℃／min，扫描起始温度为10 ℃，升温至500 ℃，得DSC曲线，重复取样测定。

1.2.7 X－射线衍射 样品在40 ℃温度下干燥6h后，采用X 光广角衍射仪记录X－射线衍射图谱。测试条件：CuK 辐射，电压40kV，电流40mA；狭缝参数分别为DS狭缝2°、SS狭缝2°、RS狭缝0.3 mm；Ni滤波器；连续扫描，扫描速度2°／min，步长0.1°。依据X－射线衍射图谱，按照Sherrer法和Turley法，计算微晶尺寸和结晶度，重复取样测定。

2 试验结果

2.1 形态结构

CPC和EMCPC的形态图见图1和2，EMCPC 的SEM表征见图3和4。

图1 CPC形态结构图（×200）Figure 1 Morphology structure image of CPC（×200）

图2 EMCPC形态结构图（×200）Figure 2 Morphology structure image of EMCPC（×200）

图3 EMCPC的SEM 图（×500）Figure 3 SEM image of EMCPC（×500）

图4 EMCPC的SEM 图（×5 000）Figure 4 SEM image of EMCPC（×5 000）

由图1和2可知，酶解后，纤维素的长度减小。酶作用使长纤维素被分裂成尺寸较小的纤维素，纤维素表面的P层、S1层脱除，短纤维素数目增加［12］。

由图3和4可知，酶改性纤维素干燥后发生团聚，边缘含有细小组分及碎片，纤维素的次生壁微纤维素暴露，细胞壁层的脱除，并发生分丝“帚化”和“剥皮”现象，纤维素表面出现孔洞和沟槽，纤维素的断裂主要发生于孔洞处［13］。纤维素的外表面积与其形状和大小直接相关，并且随着纤维素表面积的增加，纤维素酶的吸附性和纤维素的反应活性不断升高。酶解纤维素作用除了会使外表面积增加，其更大作用可能是减少传质阻力。

2.2 DSC表征

CPC和EMCPC的DSC表征曲线见图5，曲线分析结果见表1。

图5 CPC和EMCPC的DSC曲线Figure 5 DSC curves of CPC and EMCPC

表1 CPC和EMCPC的DSC参数Table 1 DSC parameters of CPC and EMCPC

由图5和表1可知，两物质的DSC曲线在低温和高温处分别有一个放热峰，在中温处有一个吸热峰。第一个放热峰极值温度（Tc）在86 ℃附近开始，而吸热峰极值温度（Tm）在122 ℃附近开始；并且酶解后的增加，Tc和Tm升高。这是因为酶解后，胡萝卜渣纤维素的结晶态比例增加，使结晶温度升高。第二个放热峰极值温度（To）在224 ℃附近开始；酶解后，To降低。这是因为EMCPC 的粒径急剧减小，其比表面积显著增加，因此表面上的末端碳和外露的反应活性基团显著增加，其热稳定性能降低，氧化分解的热量减小。

2.3 X－射线衍射表征

CPC和EMCPC的X－射线衍射表征见图6，结晶度和微晶尺寸见表2。

图6 CPC和EMCPC的X－ray图谱Figure 6 X－ray spectra of CPC and EMCPC

表2 CPC和EMCPC的结晶度和微晶尺寸Table 2 Crystal degree and size of CPC and EMCPC

由图6可知，在X－ray衍射曲线上既有尖锐峰又有比较平的弥散峰，说明EMCPC不是100%结晶，仍保持结晶区与无定形区同时共存的状态。在X－ray 衍射角为14.76°、22.81°和35.1°均出现了特征衍射峰，与纤维素I型特征衍射峰所在的衍射角一致。这是因为CPC 在酶解后，EMCPC的晶型结构并未改变，仍是典型的纤维素I型。

由表2 可知，纤维素的结晶度由40.49% 提高到41.06%，一方面可能因为酶解过程对原纤维素结构中疏松的无定形区破坏不明显，结晶区比例相应略有增加；另一方面可能因为纤维素酶并非只作用于纤维素无定形区，而对结晶区的表面也有作用，维持结晶区和无定形区的比例不变，所以结晶度变化不明显。同时CPC 微晶尺寸为4.1nm，酶解后EMCPC的微晶尺寸为4.3nm，微晶尺寸增大了，这与DSC测得结果一致。这是因为酶解在纤维素表面的纤维素无定形区域和半纤维素的存在区域进行，所以酶解作用使纤维素以及细小组分的结晶度提高，半纤维素含量降低，从而使纤维素和细小组分的表面水化程度降低［14］。而酶改性纤维素微晶尺寸增加不明显，进一步说明酶解主要是在无定形区和结晶区表面上进行的。

3 结论

生物酶处理胡萝卜渣纤维素后，纤维素发生水解作用，使其结构发生改变，主要表现为纤维素的长度减小，短纤维素数量增加，纤维素的次生壁微纤维素暴露，细胞壁层的脱除，并发生分丝“帚化”和“剥皮”现象，纤维素表面出现孔洞和沟槽，纤维素在孔洞处发生断裂。通过对DSC和X－ray结果进一步分析发现，酶改性胡萝卜渣纤维素的结晶态比例和结晶度增加，但变化不明显，说明改性胡萝卜渣纤维素仍具有纤维素的基本化学结构和纤维素I型结构。这一结论与Gusakov和Pommier等［15，16］研究结果一致，酶处理纤维素使原纤化程度得到提高，纤维间结合力增强，而不引起纸浆物理性能的改变。因此，生物酶处理可以提高胡萝卜渣纤维素与其它化合物反应活性，并保留着较强的机械性能。所以酶改性胡萝卜渣纤维素可以作为一种环保、天然和可食的纤维素材料，而其应用的研究将成为今后主要发展方向。

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