CN102182089B - 基于短纤维食物废渣的纳米纤维素及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农产品加工领域，特别涉及基于短纤维食物废渣的纳米纤维素及其制备方法，其制备方法包括短纤维食物废渣的预处理、食物渣纤维的酸水解和均质三部分，用本方法制备的纳米纤维素粒度为50-300nm，为短棒状或微球体，可广泛用于制备食品添加剂或药物赋形剂等，本方法将酸水解与高压均质相结合，降低了酸用量和水解时间，提高了纳米纤维素的粒度均匀性，适用于大规模生产。

Description

基于短纤维食物废渣的纳米纤维素及其制备方法

技术领域

本发明涉及食品加工领域，特别涉及基于短纤维食物废渣的纳米纤维素及其制备方法。

背景技术

纤维素是天然高分子化合物，天然纤维素经过超微粉碎、酸碱处理、酶水解等处理可得到微晶纤维素、纳米纤维等一系列微细化纤维。与粉体纤维素以及微晶纤维素相比,纳米纤维素有许多优良性能,如高纯度、高聚合度、高结晶度、高亲水性、高杨氏模量、高强度、超精细结构和高透明性等。因此，纳米纤维素可以用于食品添加剂(成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂)、药物赋形剂，也可以用于制备防伪标签和高级变色油墨；还可以与其它材料复合制备可降解的纳米材料；纳米纤维素具有乳化和增稠作用，能耐高温和低温，且外观酷似奶油，可以代替奶油以降低奶制品的热量，作为理想的减肥食物；食用级的纳米微纤维素可广泛用于固体饮料、液体饮料、面食糕点和冷冻食品的生产中和作为牛奶、饮料等的添加剂。

从制备来源来说，纳米纤维素可以分为植物纤维素、 动物纤维素以及细菌纤维素。植物纤维素在自然界中资源丰富，价格低廉，因此，是制备纳米纤维素的重要来源。国内外学者先后研究了以棉纤维、竹纤维、桑枝纤维、香蕉茎纤维、剑麻纤维等长纤维为原料通过酸解制备纳米纤维素，但存在用酸量大、水解时间长、粒度范围大、在食品和药品中应用受限等缺点。

在玉米淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉、豆腐类食品等产品的生产中产生大量的废渣，含有丰富的纤维素，我国对这些食物渣纤维素的利用率不足10%，绝大部分用做饲料，造成食物渣纤维素资源的极大浪费。以短纤维素为主体的食物纤维素的结构和性质与长纤维素有较大的差别，导致在制备工艺条件和纳米纤维素性质方面存在差异。以豆渣、薯渣等食物短纤维素制备纳米纤维素的需求亟待解决。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种纳米纤维素的制备方法，该方法以食品加工中的短纤维废渣为原料制备纳米纤维素，其操作简单，适用于工业化生产。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

基于短纤维食物废渣制备纳米纤维素的方法，具体包括以下步骤：

A 短纤维食物废渣的预处理

将短纤维食物废渣细化至20-80μm，去除杂质并脱水后得食物渣纤维；

B 食物渣纤维的酸水解

将步骤A所得食物渣纤维进行酸水解，得酸水解食物渣纤维；

C 均质

将步骤B所得的酸水解食物渣纤维进行脱水处理，将脱水处理后的酸水解食物渣纤维洗涤1-3次，在均质压力30-50Mpa条件下均质1-3次，得均质液，所述均质液中含有纳米纤维素。

进一步，在步骤C之后，还包括对均质液进行干燥处理；

进一步，所述干燥处理优选为冷冻干燥或喷雾干燥处理；

进一步，所述短纤维食物废渣是指玉米皮渣、木薯渣、马铃薯渣、甘薯渣、豌豆皮渣、绿豆皮渣、大豆渣、芋头渣或小麦麸皮中任一种或多种的混合物；

进一步，所述步骤A具体为：将短纤维食物废渣用胶体磨细化至20-80μm后，去除杂质并通过离心或挤压脱水，用气流烘干机于60-120℃的热风中烘干，并用粉碎机进行粉碎，得食物渣纤维；

进一步，所述步骤B具体为：在步骤A所得食物渣纤维中加入相当于食物渣纤维重量10-60倍、浓度为2-4mol/L的盐酸或硫酸水溶液，搅拌均匀后，在低速搅拌状态下，80-100℃恒温至反应完全，调节PH值为6-7，得酸水解食物渣纤维；

进一步，所述步骤B具体为：将步骤A所得食物渣纤维送搅拌器的酸水解罐，加入相当于食物渣纤维重量30-60倍、浓度为2-4mol/L的盐酸或硫酸水溶液，搅拌均匀后，在100-300转/分钟的低速搅拌状态下，80-100℃恒温至反应完全，加入质量分数为2-5%的氢氧化钠水溶液调节PH值为6-7，得酸水解食物渣纤维；

进一步，所述步骤C具体为：将步骤B所得酸水解食物渣纤维在2000-4000转/分钟的速度下离心过滤，滤渣用清水洗涤2-3次并调节成质量分数为30%的食物渣纤维浆，送入高压均质机中，在均质压力30-50Mpa条件下均质，得均质液，所述均质液中含有纳米纤维素。

本发明的目的之二在于提供一种纳米纤维素，该纳米纤维素是以食品加工后的废渣制备而成，其运用广泛。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

基于短纤维食物废渣制备纳米纤维素的方法所得的纳米纤维素。

进一步，所述纳米纤维素粒度为50-300nm，所述纳米纤维素为短棒状或微球体。

本发明的有益效果在于：本纳米纤维素的颗粒外观为短棒状或微球体，粒度范围50-300nm，具有粒度细、多呈微球体、晶区致密性弱的特点，因此，比表面积大于棒状纳米纤维素，其吸附性、乳化性、安全性高于其它原料制备的纳米纤维素。

本方法采用富含短纤维素的食物纤维素为原材料，同棉纤维、竹纤维、桑枝纤维、香蕉茎纤维、剑麻纤维等长纤维为原料制备纳米纤维素晶体相比，本发明的纳米纤维素结晶度低、晶区结构松散，非晶区比例大，易水解。

本方法将酸水解与高压均质相结合，降低了酸用量和水解时间，提高了纳米纤维素的粒度均匀性。在干燥过程中采用喷雾干燥，缩短了干燥时间，降低纳米纤维素在干燥过程中的黏结，提高纳米纤维的分散性。

更多有益效果将体现于具体实施方式中。

附图说明

     图1为甘薯渣纤维素的图片；

图2为大豆渣制备的纳米纤维素图片；

图3为甘薯为原料的甘薯渣纳米纤维素（喷雾干燥）的图片。

具体实施方式

      本发明中所指的食物短纤维是指食物中长度小于2cm的纤维素，短纤维食物是指含有长度小于2cm的纤维素的食物，如玉米、木薯、马铃薯、甘薯、豌豆、绿豆、大豆、芋头及小麦等。

    本发明中的低速搅拌是指以避免引入空气接触及避免产生气泡为目的的搅拌。

实施例1 用甘薯渣制备纳米纤维素 

将甘薯渣用胶体磨细化到50μm以下，用清水洗涤2次，将洗涤后的甘薯渣用磷酸缓冲液调节到质量浓度为30%，加热到100℃保温10min，加入相当于甘薯渣干重2%的高温α-淀粉酶，在90℃条件下水解1h，然后用清水洗涤3次，离心脱水，得甘薯渣纤维，详见图1；将甘薯渣纤维送入带搅拌器的酸水解罐中，加入相当于甘薯渣纤维重量10倍、浓度为2mol/L的盐酸水溶液，搅拌均匀后，在85℃条件下， 300转/分钟搅拌反应240min，水解结束后加入浓度为2%的氢氧化钠水溶液中和反应液到pH6.0，得酸水解甘薯渣。将酸水解甘薯渣在4000转/分钟条件下离心过滤，滤渣用清水洗涤2次后，调节质量浓度为30%甘薯渣纤维浆，送入高压均质机中，在均质压力50Mpa条件下均质，均质溶液经过冷冻干燥，即得成品。制得纳米纤维素，其粒度在60-150nm，详见图3。

实施例2 马铃薯渣制备纳米纤维素

将马铃薯渣用胶体磨细化40μm以下，用清水洗涤2次，将洗涤后的马铃薯渣用磷酸缓冲液调节到质量浓度为35%，加热到100℃保温10分钟，加入相当于马铃薯渣质量分数2%的高温α-淀粉酶，在90℃条件下水解1小时，然后用清水洗涤3次，离心脱水后得马铃薯渣纤维，将马铃薯渣纤维送入带搅拌器的酸水解罐中，加入相当于马铃薯渣纤维质量20倍的浓度为3mol/L的盐酸水溶液，搅拌均匀后，在85℃条件下，100-300转/分钟的低速搅拌反应200分钟，水解结束后加入浓度为2%的氢氧化钠水溶液中和反应液到pH6.5，得酸水解马铃薯渣纤维。将酸水解马铃薯渣纤维在3000转/分钟条件下离心过滤，滤渣用清水洗涤2次后，调节质量分数为30%的马铃薯渣纤维浆，送入高压均质机中，在均质压力40Mpa条件下均质2次，均质溶液送入喷雾干燥机中，喷雾干燥，即得成品。制得纳米纤维素，其粒度在50-100nm。

实施例3 小麦麸皮制备纳米纤维素

将小麦麸皮加入5倍的水中混合，用胶体磨将小麦麸皮细化到80μm以下，用清水洗涤3次，将洗涤后的小麦麸皮用磷酸缓冲液调节到质量浓度为35%，pH9.0，加入相当于小麦麸皮干重1%的碱性蛋白酶，在50℃条件下，水解2h；然后调节溶液到pH4.5，加热到100℃保温5min，加入相当于小麦麸皮重量2%的高温α-淀粉酶，在90℃条件下水解1h，然后用清水洗涤3次，离心脱水后的小麦麸皮渣。将小麦麸皮渣送入带搅拌器的酸水解罐中，加入相当于小麦麸皮渣50倍的浓度为4mol/L的硫酸水溶液，搅拌均匀后，在90℃条件下，300转/分钟搅拌反应100min，水解结束后加入浓度为2%的氢氧化钠水溶液中和反应液到pH7.0，得酸水解小麦麸皮渣纤维。将酸水解小麦麸皮渣纤维在2000转/分钟条件下离心过滤，滤渣用清水洗涤2次后，调节质量浓度为30%的小麦麸皮渣纤维浆，送入高压均质机中，在均质压力50Mpa条件下均质3次，均质溶液送入喷雾干燥机中，喷雾干燥，即得成品。制得的纳米纤维素，其粒度在80-400nm。

实施例4 大豆渣制备纳米纤维素

将大豆渣用胶体磨细化到30μm以下，用清水离心洗涤4次，然后调节大豆渣的质量浓度为20%，pH7.0，加入大豆渣干重3%的木瓜蛋白酶，在70℃条件下，水解2h，离心洗涤3次，送入板框挤压机中脱水，得大豆渣纤维，将大豆榨纤维送入气流烘干塔中，于140℃的热风中烘干。将干燥后的大豆渣纤维送入带搅拌器的酸水解罐中，加入相当于大豆渣纤维干重30倍的浓度为4mol/L的盐酸水溶液，搅拌均匀后，将反应罐内温度升高到90℃，低速搅拌下，保温反应180min，水解结束后加入浓度为2%的氢氧化钠水溶液中和反应液到pH7.0，得酸水解大豆渣纤维。将酸水解大豆渣纤维在2000转/分钟条件下离心过滤，滤渣用清水洗涤2次，然后取出后调节到浓度为30%的酸水解大豆渣纤维浆，送入高压均质机中，在均质压力30Mpa条件下均质2次，均质溶液送入喷雾干燥机中，喷雾干燥，即得纳米纤维素，详见图2，其粒度在50-200nm。

实施例5 玉米皮渣制备纳米纤维素

将生产玉米淀粉后的玉米皮渣用胶体磨细化到80μm以下，用清水洗涤2次，将洗涤后的玉米皮渣用磷酸缓冲液调节到质量浓度为30%，pH5.0，加入相当于玉米皮重量3%的α-淀粉酶，在50℃条件下，水解3h，离心并洗涤3次，得玉米皮渣纤维。将玉米皮渣纤维送入带搅拌器的酸水解罐中，加入相当于玉米皮渣纤维重量40倍的浓度为4mol/L的硫酸水溶液，搅拌均匀后，在85℃条件下搅拌水解180min，水解结束后加入浓度为2%的氢氧化钠水溶液中和反应液到pH6.5，得酸水解玉米皮渣纤维。将酸水解玉米皮渣纤维在4000r/min条件下离心过滤，滤渣用清水洗涤3次，然后调节纤维素质量浓度为30%酸水解玉米皮渣纤维浆，送入高压均质机中，在均质压力40MPa条件下均质1次，均质溶液送入喷雾干燥机中，喷雾干燥，即得纳米纤维素，其粒度在80-300nm。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。 

Claims (6)

1.基于短纤维食物废渣制备纳米纤维素的方法，具体包括以下步骤：

A、短纤维食物废渣的预处理

将短纤维食物废渣用胶体磨细化至20-80μm后，去除杂质并通过离心或挤压脱水，用气流烘干机于60-120℃的热风中烘干，并用粉碎机进行粉碎，得食物渣纤维；所述短纤维食物废渣是指玉米皮渣、木薯渣、马铃薯渣、甘薯渣、豌豆皮渣、绿豆皮渣、大豆渣、芋头渣或小麦麸皮中的任一种或多种的混合物；所述短纤维食物是纤维素长度小于2cm的食物；

B、食物渣纤维的酸水解

在步骤A所得食物渣纤维中加入相当于食物渣纤维重量10-60倍、浓度为2-4mol/L的盐酸或硫酸水溶液，搅拌均匀后，在100-300转/分钟搅拌状态下，80-100℃恒温至反应完全，调节pH值为6-7，得酸水解食物渣纤维；

C、均质

将步骤B所得酸水解食物渣纤维在2000-4000转/分钟条件下离心过滤，滤渣用清水洗涤1-3次并调节成质量分数为30%的食物渣纤维浆，送入高压均质机中，在均质压力30-50Mpa条件下均质1-3次，得均质液，所述均质液中含有纳米纤维素。

2.根据权利要求1所述的基于短纤维食物废渣制备纳米纤维素的方法，其特征在于，在步骤C之后，还包括对均质液进行干燥处理。

3.根据权利要求2所述的基于短纤维食物废渣制备纳米纤维素的方法，其特征在于，所述干燥处理为冷冻干燥或喷雾干燥处理。

4.根据权利要求1所述的基于短纤维食物废渣制备纳米纤维素的方法，其特征在于，所述步骤B具体为：将步骤A所得食物渣纤维送入带搅拌器的酸水解罐，加入相当于食物渣纤维重量30-60倍、浓度为2-4mol/L的盐酸或硫酸水溶液，搅拌均匀后，在100-300转/分钟搅拌状态下，80-100℃恒温至反应完全，加入质量分数为2-5%的氢氧化钠水溶液调节pH值为6-7，得酸水解食物渣纤维。

5.权利要求1-4任一项所述的方法制备的纳米纤维素。

6.根据权利要求5所述的纳米纤维素，其特征在于：所述纳米纤维素粒度为50-300nm，所述纳米纤维素为短棒状或微球体。

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