一种利用黄秋葵发酵酒酒渣制备纳米纤维素和可食性功能膜的方法与流程

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种利用黄秋葵发酵酒酒渣制备纳米纤维素和可食性功能膜的方法。

背景技术：

黄秋葵（okra，abelmoschusesculentusl.moench），也称秋葵、羊角菜、羊角豆、女人指，属锦葵科秋葵属一年生药食两用草本植物，其起源于非洲，广泛分布于亚洲、中东和美国，现已在我国多个地区广泛种植，资源十分丰富。黄秋葵嫩荚营养丰富，含有大量的蛋白质、维生素、微量元素、膳食纤维、粘性多糖等物质。在干的黄秋葵嫩荚中，蛋白质含量为22.98%，总糖含量为19.92%，脂肪含量为9.40%，黄酮含量为2.56%；同时黄秋葵中也含有游离氨基酸、vc、va、ve和磷、铁、钾、钙、锌、锰等矿质元素。

纳米纤维素是指在一维空间内尺寸小于或等于100nm的纳米级材料，其主要是来源于自然界中的植物纤维素，包括树、草、细菌纤维素、农副产品等。植物纳米纤维素主要被分为两大类，包括纤维素纳米纤丝（nanofibrillatedcellulose，nfc）和纤维素纳米晶体（nanocrystallinecellulose，ncc）。前者主要是采用机械方式制备得到，是通过高速、高压的剪切力破坏植物细胞壁，得到长度大于1μm、直径小于100nm的丝状结构，此法制备得到的纳米纤维素长度是ncc的5倍以上。后者则是通过强酸水解或酶解的方法制备得到的，其原理是利用强酸或酶的作用使纤维素中的非结晶区被脱出，留下具有高度规则排列的结晶区，此法得到的纳米纤维素刚性和强度都非常高。由于纳米纤维素具有较高的机械性能、可降解性、良好的生物相容性等特点，现已被广泛的应用到了各个领域。

本发明以黄秋葵发酵酒酒渣作为原料，将其中残余的果胶多糖提取出来，并将提取完果胶多糖后的纤维素制备成纳米纤维素，并进一步制成纳米纤维素可食性功能膜。

技术实现要素：

本发明针对现有黄秋葵发酵酒酒渣综合利用技术和产品开发不足的现状，提供了一种利用黄秋葵发酵酒酒渣制备纳米纤维素和可食性功能膜的方法，其是以黄秋葵发酵酒酒渣为原料，主要采用脱除果胶多糖、纤维素预处理、复合生物酶水解联合酸水解制备纳米纤维素，再以所得纳米纤维素为主要基材，通过添加相关功能性复合基材，制备基于黄秋葵酒渣纳米纤维素的可食性功能膜。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用黄秋葵发酵酒酒渣制备纳米纤维素和可食性功能膜的方法，其包括以下步骤：

1）脱除果胶多糖：将黄秋葵发酵酒酒渣于50℃-80℃烘干至恒重，然后机械粉碎，过30目筛，得酒渣干粉，冰箱保存备用；称取一定量酒渣干粉，加超纯水进行超声提取，离心后，去除含果胶多糖的上清液，取沉淀干燥，得黄秋葵酒渣粗纤维；

2）酒渣纤维素的预处理：称取一定量步骤1）所得黄秋葵酒渣粗纤维，置于索氏提取器中，加入苯/乙醇混合溶液浸泡并进行抽提，以除去沉淀中的脂肪、蜡等有机物，然后以4000r/min离心，得到酒渣纤维素；将所得酒渣纤维素置于70℃左右的恒温振荡水浴锅中，并每隔一小时加入一定量的亚氯酸钠和冰醋酸，直至物料变为白色，以脱去物料中的木质素，然后将物料转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，并于-80℃冰箱中保存；

3）纳米纤维素的制备：将预处理后的酒渣纤维素采用复合生物酶水解和酸水解联合水解法进行处理，再经离心、透析、超声处理及喷雾干燥，制得黄秋葵酒渣纳米纤维素；

4）可食性功能膜的制备：称取一定量制备好的黄秋葵酒渣纳米纤维素，与玉米醇溶蛋白、酪蛋白酸钠、海藻酸钠、葡萄糖酸锌共同溶于水中并经超声混匀后，加入一定量的甘油和山梨醇，在室温下以500-600r/min搅拌60min，再超声40-60min脱除气泡，得到膜液，将膜液倒在硅胶板上，均匀流延，在一定温度、相对湿度的恒温恒湿箱中干燥一定时间使其成膜，得到黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜。

步骤1）中所用酒渣干粉与超纯水的比例为1g:(10-40)ml；所述超声提取的功率为200w-500w，温度为30℃-70℃，时间为30min-120min。

步骤2）中所述苯/乙醇混合溶液中苯与乙醇的体积比为2:1；所述抽提的温度为70℃-90℃，时间为3h-5h；每次加入亚氯酸钠和冰醋酸的量按黄秋葵酒渣粗纤维:亚氯酸钠:冰醋酸=5g:1g:2ml。

步骤3）中所述复合生物酶水解和酸水解联合水解法是先进行复合生物酶水解、再进行酸水解；

所述复合生物酶水解是将经预处理的酒渣纤维素加超纯水配成溶液，然后加入一定量的复合生物酶进行酶解，再对酶解液进行加压浓缩、冷冻干燥；其中，所用酒渣纤维素与超纯水的比例为1g:(10-30)ml；所述复合生物酶是由纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶按质量比8:1:1构成，其加入量按总酶量计为50u/ml-500u/ml；所述酶解的温度为30℃-55℃，时间为2h-5h。

所述酸水解是将复合生物酶水解后的冻干产物与硫酸溶液混合均匀后，于70℃恒温振荡水浴锅中反应1h；其中，所用产物与硫酸溶液的比例为1g:(10-25)ml，所述硫酸溶液的质量浓度为35%-65%。

步骤3）中所述离心的转速为4000r/min，离心次数为9次，每次10min；所述超声处理的功率为200w-500w，温度为30℃-55℃，时间为5min-30min。

步骤4）所述膜液中含有的各物料的质量浓度为：纳米纤维素1.0%-2.5%、玉米醇溶蛋白0.5%-1.0%、酪蛋白酸钠0.5%-0.85%、海藻酸钠0.8%-2.0%、葡萄糖酸锌0.05%-0.15%，甘油0.5%-1.0%，山梨醇0.3%-0.9%。

步骤4）所述超声混合的功率为200w-300w，温度为30℃-50℃，时间为30min-60min；所述干燥的温度为20℃-60℃、相对湿度为40%-60%，时间为12h-24h。

本发明根据黄秋葵发酵酒酒渣富含可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维的特性，采用黄秋葵发酵酒酒渣为原料，经脱除果胶多糖、酒渣纤维素预处理、复合生物酶水解和酸水解联合制备纳米纤维素，再以所得纳米纤维素为主要基材，通过添加相关功能性复合基材，制备基于黄秋葵发酵酒渣纳米纤维素的可食性功能膜。

本发明制备的黄秋葵酒渣纳米纤维素为直径在80nm左右的棒状结构，其结晶度为65.14%，具备纳米纤维素最基本的化学结构。以其制备的可食性功能膜的抗拉强度为23.06mpa、断裂伸长率为83.16%、水蒸气透过率为1.58·10^-10(g·cm^-1·s^-1·pa^-1)。经扫描电镜(sem)和傅立叶变换红外光谱(ftir)分析，该可食性功能膜的致密性好，成膜材料之间具有良好相容性，适宜于包装各类食品材料。

本发明具有以下优点：

1、本发明利用黄秋葵发酵酒酒渣为原料制备纳米纤维素和纳米纤维素可食性功能膜，提高了原料利用价值。

2、本发明通过设备、工艺的优化和联动，最大限度地利用了黄秋葵酒渣的有效成分，减少了生产过程废弃物的排放，降低了生产成本。

3、本发明制备的黄秋葵酒渣纳米纤维素为白色粉末，易于利用。制备的黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜，性能良好，适宜于包装各类食品材料，应用范围广。

附图说明

图1为实施例1制备的黄秋葵酒渣纤维素（a×3500、b×6000）和黄秋葵酒渣纳米纤维素（c×3500、d×6000）在不同倍率下的扫描电镜图。

图2为实施例1制备的黄秋葵酒渣（a）、黄秋葵酒渣纤维素（b）和黄秋葵酒渣纳米纤维素（c）的傅里叶红外光谱图。

图3为实施例1制备的纳米纤维素可食性功能膜在不同倍率下的扫描电镜图（a×200、b×500）。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

1）脱除果胶多糖：将黄秋葵发酵酒酒渣于60℃烘干至恒重，然后机械粉碎，过30目筛，得酒渣干粉，冰箱保存备用；称取200g酒渣干粉，按用量比1g:15ml加入超纯水，50℃、300w下超声提取60min，然后离心后，去除含果胶多糖的上清液，取沉淀干燥，得83.6g黄秋葵酒渣粗纤维，备用；

2）酒渣纤维素的预处理：称取所得黄秋葵酒渣粗纤维80.0g，置于索氏提取器中，加入苯/乙醇混合溶液（2:1，v/v）进行浸泡，并于85℃抽提4h，以除去沉淀中的脂肪、蜡等有机物，然后以4000r/min离心，得到酒渣纤维素；将所得酒渣纤维素置于70℃左右的恒温振荡水浴锅中，并每隔一小时加入16g亚氯酸钠和32ml冰醋酸，重复三次直至物料变为白色，以脱去物料中的木质素，然后将物料转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得72.8g黄秋葵酒渣纤维素，并于-80℃冰箱中保存；

3）纳米纤维素的制备：将预处理后的酒渣纤维素采用复合生物酶水解和酸水解联合水解法进行处理，即称取65.0g的黄秋葵酒渣纤维素，按用量比1g:15ml加超纯水配成溶液，然后按总酶量为400u/ml加入复合生物酶（所述复合生物酶由纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶按质量比8:1:1构成），55℃酶解3h，再对酶解液进行加压浓缩、冷冻干燥，然后将复合生物酶水解后的冻干产物与质量浓度为45%的硫酸溶液按1g:20ml混合均匀后，于70℃恒温振荡水浴锅中反应1h，再将反应后的悬浮液以4000r/min离心9次，每次离心10min，直至悬浮液的ph值在5-6的范围内，再将悬浮液置于透析袋中透析至少48h，直至悬浮液的ph恒定为中性，将透析后的悬浮液于300w、40℃超声处理25min，超声处理后的样液呈白色，然后进行喷雾干燥，最后得到58.6g黄秋葵酒渣纳米纤维素的白色粉末；

4）可食性功能膜的制备：按黄秋葵酒渣纳米纤维素2.0%、玉米醇溶蛋白0.8%、酪蛋白酸钠0.6%、海藻酸钠1.5%、葡萄糖酸锌0.08%的量溶于1000ml水中，并经250w、40℃超声30min使其混匀后，加入甘油1.0%和山梨醇0.5%，在室温下以550r/min搅拌60min，再超声60min脱除气泡，得到膜液，将膜液倒在硅胶板上，均匀流延，在35℃、相对湿度50%的恒温恒湿箱中干燥24h使其成膜，得到黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜。

实施例2

1）脱除果胶多糖：将黄秋葵发酵酒酒渣于60℃烘干至恒重，然后机械粉碎，过30目筛，得酒渣干粉，冰箱保存备用；称取200g酒渣干粉，按用量比1g:20ml加入超纯水，55℃、400w下超声提取50min，然后离心后，去除含果胶多糖的上清液，取沉淀干燥，得81.9g黄秋葵酒渣粗纤维，备用；

2）酒渣纤维素的预处理：称取所得黄秋葵酒渣粗纤维80.0g，置于索氏提取器中，加入苯/乙醇混合溶液（2:1，v/v）进行浸泡，并于90℃抽提3h，以除去沉淀中的脂肪、蜡等有机物，然后以4000r/min离心，得到酒渣纤维素；将所得酒渣纤维素置于70℃左右的恒温振荡水浴锅中，并每隔一小时加入16g亚氯酸钠和32ml冰醋酸，重复三次直至物料变为白色，以脱去物料中的木质素，然后将物料转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得70.9g黄秋葵酒渣纤维素，并于-80℃冰箱中保存；

3）纳米纤维素的制备：将预处理后的酒渣纤维素采用复合生物酶水解和酸水解联合水解法进行处理，即称取70.0g的黄秋葵酒渣纤维素，按用量比1g:20ml加超纯水配成溶液，然后按总酶量为500u/ml加入复合生物酶（所述复合生物酶由纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶按质量比8:1:1构成），50℃酶解4h，再对酶解液进行加压浓缩、冷冻干燥，然后将复合生物酶水解后的冻干产物与质量浓度为50%的硫酸溶液按1g:15ml混合均匀后，于70℃恒温振荡水浴锅中反应1h，再将反应后的悬浮液以4000r/min离心9次，每次离心10min，直至悬浮液的ph值在5-6的范围内，再将悬浮液置于透析袋中透析至少48h，直至悬浮液的ph恒定为中性，将透析后的悬浮液于300w、40℃超声处理25min，超声处理后的样液呈白色，然后进行喷雾干燥，最后得到67.1g黄秋葵酒渣纳米纤维素的白色粉末；

4）可食性功能膜的制备：按黄秋葵酒渣纳米纤维素2.5%、玉米醇溶蛋白0.5%、酪蛋白酸钠0.8%、海藻酸钠2.0%、葡萄糖酸锌0.06%的量溶于1000ml水中，并经250w、40℃超声30min使其混匀后，加入甘油1.0%和山梨醇0.5%，在室温下以500r/min搅拌60min，再超声60min脱除气泡，得到膜液，将膜液倒在硅胶板上，均匀流延，在40℃、相对湿度55%的恒温恒湿箱中干燥20h使其成膜，得到黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜。

实施例3

1）脱除果胶多糖：将黄秋葵发酵酒酒渣于60℃烘干至恒重，然后机械粉碎，过30目筛，得酒渣干粉，冰箱保存备用；称取200g酒渣干粉，按用量比1g:25ml加入超纯水，65℃、400w下超声提取40min，然后离心后，去除含果胶多糖的上清液，取沉淀干燥，得82.5g黄秋葵酒渣粗纤维，备用；

2）酒渣纤维素的预处理：称取所得黄秋葵酒渣粗纤维80.0g，置于索氏提取器中，加入苯/乙醇混合溶液（2:1，v/v）进行浸泡，并于85℃抽提4h，以除去沉淀中的脂肪、蜡等有机物，然后以4000r/min离心，得到酒渣纤维素；将所得酒渣纤维素置于70℃左右的恒温振荡水浴锅中，并每隔一小时加入16g亚氯酸钠和32ml冰醋酸，重复三次直至物料变为白色，以脱去物料中的木质素，然后将物料转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得72.0g黄秋葵酒渣纤维素，并于-80℃冰箱中保存；

3）纳米纤维素的制备：将预处理后的酒渣纤维素采用复合生物酶水解和酸水解联合水解法进行处理，即称取70.0g的黄秋葵酒渣纤维素，按用量比1g:25ml加超纯水配成溶液，然后按总酶量为500u/ml加入复合生物酶（所述复合生物酶由纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶按质量比8:1:1构成），55℃酶解3h，再对酶解液进行加压浓缩、冷冻干燥，然后将复合生物酶水解后的冻干产物与质量浓度为45%的硫酸溶液按1g:25ml混合均匀后，于70℃恒温振荡水浴锅中反应1h，再将反应后的悬浮液以4000r/min离心9次，每次离心10min，直至悬浮液的ph值在5-6的范围内，再将悬浮液置于透析袋中透析至少48h，直至悬浮液的ph恒定为中性，将透析后的悬浮液于300w、40℃超声处理25min，超声处理后的样液呈白色，然后进行喷雾干燥，最后得到68.0g黄秋葵酒渣纳米纤维素的白色粉末；

4）可食性功能膜的制备：按黄秋葵酒渣纳米纤维素2.0%、玉米醇溶蛋白1.0%、酪蛋白酸钠0.85%、海藻酸钠2.0%、葡萄糖酸锌0.10%的量溶于1000ml水中，并经250w、40℃超声30min使其混匀后，加入甘油0.8%和山梨醇0.9%，在室温下以550r/min搅拌50min，再超声60min脱除气泡，得到膜液，将膜液倒在硅胶板上，均匀流延，在35℃、相对湿度40%的恒温恒湿箱中干燥30h使其成膜，得到黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜。

对比例1：采用单一复合生物酶水解法进行处理

1）脱除果胶多糖：将黄秋葵发酵酒酒渣于60℃烘干至恒重，然后机械粉碎，过30目筛，得酒渣干粉，冰箱保存备用；称取200g酒渣干粉，按用量比1g:15ml加入超纯水，50℃、300w下超声提取60min，然后离心后，去除含果胶多糖的上清液，取沉淀干燥，得83.6g黄秋葵酒渣粗纤维，备用；

2）酒渣纤维素的预处理：称取所得黄秋葵酒渣粗纤维80.0g，置于索氏提取器中，加入苯/乙醇混合溶液（2:1，v/v）进行浸泡，并于85℃抽提4h，以除去沉淀中的脂肪、蜡等有机物，然后以4000r/min离心，得到酒渣纤维素；将所得酒渣纤维素置于70℃左右的恒温振荡水浴锅中，并每隔一小时加入16g亚氯酸钠和32ml冰醋酸，重复三次直至物料变为白色，以脱去物料中的木质素，然后将物料转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得72.8g黄秋葵酒渣纤维素，并于-80℃冰箱中保存；

3）纳米纤维素的制备：将预处理后的酒渣纤维素采用复合生物酶水解法进行处理，即称取65.0g的黄秋葵酒渣纤维素，按用量比1g:15ml加超纯水配成溶液，然后按总酶量为400u/ml加入复合生物酶（所述复合生物酶由纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶按质量比8:1:1构成），55℃酶解3h，再对酶解液进行加压浓缩、冷冻干燥，最后得到61.2g黄秋葵酒渣纳米纤维素的白色粉末；

4）可食性功能膜的制备：按黄秋葵酒渣纳米纤维素2.0%、玉米醇溶蛋白0.8%、酪蛋白酸钠0.6%、海藻酸钠1.5%、葡萄糖酸锌0.08%的量溶于1000ml水中，并经250w、40℃超声30min使其混匀后，加入甘油1.0%和山梨醇0.5%，在室温下以550r/min搅拌60min，再超声60min脱除气泡，得到膜液，将膜液倒在硅胶板上，均匀流延，在35℃、相对湿度50%的恒温恒湿箱中干燥24h使其成膜，得到黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜。

对比例2：采用单一酸水解法进行处理

1）脱除果胶多糖：将黄秋葵发酵酒酒渣于60℃烘干至恒重，然后机械粉碎，过30目筛，得酒渣干粉，冰箱保存备用；称取200g酒渣干粉，按用量比1g:15ml加入超纯水，50℃、300w下超声提取60min，然后离心后，去除含果胶多糖的上清液，取沉淀干燥，得83.6g黄秋葵酒渣粗纤维，备用；

2）酒渣纤维素的预处理：称取所得黄秋葵酒渣粗纤维80.0g，置于索氏提取器中，加入苯/乙醇混合溶液（2:1，v/v）进行浸泡，并于85℃抽提4h，以除去沉淀中的脂肪、蜡等有机物，然后以4000r/min离心，得到酒渣纤维素；将所得酒渣纤维素置于70℃左右的恒温振荡水浴锅中，并每隔一小时加入16g亚氯酸钠和32ml冰醋酸，重复三次直至物料变为白色，以脱去物料中的木质素，然后将物料转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得72.8g黄秋葵酒渣纤维素，并于-80℃冰箱中保存；

3）纳米纤维素的制备：将预处理后的酒渣纤维素采用酸水解进行处理，即称取65.0g的黄秋葵酒渣纤维素，将其与质量浓度为45%的硫酸溶液按1g:20ml混合均匀后，于70℃恒温振荡水浴锅中反应1h进行酸水解，再将反应后的悬浮液以4000r/min离心9次，每次离心10min，直至悬浮液的ph值在5-6的范围内，再将悬浮液置于透析袋中透析至少48h，直至悬浮液的ph恒定为中性，将透析后的悬浮液于300w、40℃超声处理25min，超声处理后的样液呈白色，然后进行喷雾干燥，最后得到60.8g黄秋葵酒渣纳米纤维素的白色粉末；

4）可食性功能膜的制备：按黄秋葵酒渣纳米纤维素2.0%、玉米醇溶蛋白0.8%、酪蛋白酸钠0.6%、海藻酸钠1.5%、葡萄糖酸锌0.08%的量溶于1000ml水中，并经250w、40℃超声30min使其混匀后，加入甘油1.0%和山梨醇0.5%，在室温下以550r/min搅拌60min，再超声60min脱除气泡，得到膜液，将膜液倒在硅胶板上，均匀流延，在35℃、相对湿度50%的恒温恒湿箱中干燥24h使其成膜，得到黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜。

实施例及对比例所制备黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜的性能对比见表1。

表1黄秋葵酒渣纳米纤维素可食性功能膜的性能测试结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。