一种以芦笋老茎为原料的纳米纤维素及其制备方法和应用

1.本发明涉及纳米纤维素制备技术领域，尤其涉及以芦笋老茎为原料的纳米纤维素及其制备方法和应用。


背景技术：

2.芦笋是一种其富含多种生物活性成分和人体必需营养元素保健型蔬菜，主要富含膳食纤维、维生素、矿物质及酚类物质，其中所含有的槲皮素、芦丁、黄酮等生物活性成分具有抗氧化、抗肿瘤、调节免疫力及改善睡眠质量等多种生理功能。目前,芦笋主要以鲜销为主,精深加工占比小,在加工过程中产生的芦笋老茎、枝叶等副产物富含膳食纤维,极易腐烂发臭,随意丢弃不仅造成了资源浪费,也对环境造成一定的污染。
3.近年来，纤维素因其具有孔隙度适当、生物相容性好、易改性和生产成本低等优势，被广泛应用于食品、日化、造纸、塑料等领域。纤维素吸附剂的形态多种多样，包括纤维素膜、纤维素网、纤维素海绵、纤维素微球等。由于具有较大的比表面积、较好的生物相容性和绿色可降解性，微纳米纤维素纤维在材料科学、纳米技术、生物医药和食品科学等领域都有着广阔的应用前景。
4.纳米纤维素纤维的制备方法主要包括机械法、生物酶法和化学法，目前，传统纳米纤维素的制备包括样品预处理、纤维素分离和纳米纤维素分离。一般采用球磨、挤压等机械处理方法来分解木质纤维素纤维，但是这种制备方式能耗较高。虽然单一酶水解技术可以极大的降低微纳米纤维素纤维生产过程中的能耗，但是这种方法产量低。采用化学处理方法分离纤维素成本又较高，且对环境造成一定危害。且传统的纳米纤维素大部分是强亲水性的，可广泛用于生物医学、食品安全和复合材料等。但也存在一定缺陷，强亲水性导致其与疏水性聚合物相容性较差，容易通过氢键、范德华力作用产生不可逆团聚，在水和有机溶剂中分散性和均匀性变差，严重制约了其实际应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种以芦笋老茎为原料制备纳米纤维素的方法和应用，以来源丰富、价格低廉、利用率低的芦笋老茎为原料，将芦笋老茎预处理得到高纤维素含量的产物后，进一步经过联合生物酶法与化学法处理，最后经过较短时间的超声得到具有良好两亲性的纳米级尺度的纤维素。其应用于洗涤剂的去污作用明显，实现了农副产品纤维资源的高值化利用。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.本发明的目的之在于提供一种以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)将芦笋老茎烘干粉碎后即得芦笋渣粉，然后经石油醚脱脂，脱脂后用85％的乙醇除杂糖处理，干燥，得到芦笋粉末；
9.(2)在所述的芦笋粉末中加入磷酸缓冲液，依次分别使用经淀粉葡萄糖苷酶、α-淀
粉酶和中性蛋白酶进行酶解，再经真空抽滤后得到滤渣，对所述滤渣多次洗涤，烘干得到干燥芦笋滤渣；
10.(3)对所述的干燥芦笋滤渣用氢氧化钠处理，烘干，继续用硝酸溶液处理，抽滤，抽滤后的滤渣多次洗涤，烘干，得到纤维滤渣；
11.(4)在所述的纤维素滤渣中加入蒸馏水，继续超声破碎，即可得纳米纤维素。
12.较佳地，步骤(1)中芦笋渣粉与石油醚的料液比为1g:1ml-10ml。
13.较佳地，步骤(1)中芦笋渣粉与85％的乙醇的料液比为1g:5ml-10ml。
14.较佳地，步骤(2)中，所述芦笋粉末与0.1m的磷酸缓冲液的料液比为1g：8ml-15ml。
15.较佳地，步骤(2)中，采用淀粉葡萄糖苷酶进行酶解反应的条件为：反应温度为45-55℃，ph值为4.5-6.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌；
16.采用α-淀粉酶进行酶解反应的条件为：反应温度为65-75℃，ph为5.5-6.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌；
17.采用中性蛋白酶进行酶解反应的条件为：反应温度为55-65℃，ph为6.5-7.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌。
18.较佳地，步骤(2)中，采用经淀粉葡萄糖苷酶、α-淀粉酶和中性蛋白酶进行酶解后对每次酶解后的反应液均进行煮沸灭活。
19.较佳地，步骤(3)中，
20.用氢氧化钠溶液处理的具体步骤为：在90-95℃下用ph为11.5-12.5的氢氧化钠溶液处理所述的不可溶纤维素60-90min,所述芦笋纤维素粉末与氢氧化钠溶液的料液比为1g：5ml-10ml；
21.用硝酸溶液处理的具体步骤为：将上述得到的中性沉淀物在90-95℃下用ph为1.5-2.5的硝酸溶液处理60-90min,所述芦笋纤维素粉末与硝酸溶液的料液比为1g：5ml-10ml。
22.较佳地，步骤(4)中，超声破碎的条件为：变幅杆为6号，55％功率，为避免超声过程中溶液过热，在4℃条件下超声1s停1s，总超声时间为15-25min。
23.本发明的另一个技术方案还提出一种以芦笋老茎为原料的纳米纤维素，根据本发明所述的制备方法制得。
24.本发明的另一个技术方案还提出一种纳米纤维素在洗涤剂方面的应用，使用权利要本发明所述的制备方法制备的纳米纤维素和本发明所述的以芦笋老茎为原料的纳米纤维素在洗涤剂方面的应用
25.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
26.本发明提供的纳米纤维素通过芦笋膳食纤维制备得到，能够应用于食品中，其工艺操作简单，原理切实可行，过程绿色环保。
27.本发明提供的一种以芦笋老茎为原料制备纳米纤维素应用去污作用明显，实现了农副产品纤维资源的高值化利用，符合“生物质资源化利用”的理念。
附图说明
28.图1为实施例1制备得到的芦笋纳米纤维素的扫描电镜图；
29.图2为实施例2芦笋纳米纤维素亲水性和亲脂性效果图；
30.图3为实施例3芦笋纳米纤维素去污效果图。
具体实施方式
31.以下参照具体的实施例来说明本发明。
32.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的药材原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
33.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
34.本发明的纳米纤维素通过如下方法制备而成：
35.(1)将芦笋老茎烘干粉碎后即得芦笋渣粉，然后经石油醚等烷烃有机溶剂脱脂，脱脂后用85％的乙醇除杂糖处理，干燥，得到芦笋粉末；芦笋渣粉与石油醚的料液比为1g:1ml-10ml，即1g的芦笋渣粉用1-10ml的石油醚；芦笋渣粉与85％的乙醇的料液比为1g:5ml-10ml，即1g的芦笋渣粉用5-10ml的85％的乙醇。
36.(2)在所述的芦笋粉末中加0.1m入磷酸缓冲液，依次分别使用经淀粉葡萄糖苷酶、α-淀粉酶和中性蛋白酶进行酶解，再经真空抽滤后得到滤渣，对所述滤渣多次洗涤，烘干得到干燥芦笋滤渣；所述芦笋粉末与的磷酸缓冲液的料液比为1g：8ml-15ml。
37.采用淀粉葡萄糖苷酶进行酶解反应的条件为：反应温度为45-55℃，ph值为4.5-6.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌；
38.采用α-淀粉酶进行酶解反应的条件为：反应温度为65-75℃，ph为5.5-6.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌；
39.采用中性蛋白酶进行酶解反应的条件为：反应温度为55-65℃，ph为6.5-7.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌；
40.采用经淀粉葡萄糖苷酶、α-淀粉酶和中性蛋白酶进行酶解后对每次酶解后的反应液均进行煮沸灭活。
41.(3)对所述的干燥芦笋滤渣用氢氧化钠等强碱溶液处理，烘干，继续用硝酸溶液等强酸溶液处理，抽滤，抽滤后的滤渣多次洗涤，烘干，得到纤维滤渣；
42.用氢氧化钠溶液处理的具体步骤为：在90-95℃下用ph为11.5-12.5的氢氧化钠溶液处理所述的不可溶纤维素60-90min，所述芦笋纤维素粉末与氢氧化钠溶液的料液比为1g：5ml-10ml；
43.用硝酸溶液处理的具体步骤为：将上述得到的中性沉淀物在90-95℃下用ph为1.5-2.5的硝酸溶液处理60-90min，所述芦笋纤维素粉末与硝酸溶液的料液比为1g：5ml-10ml。
44.(4)在所述的纤维素滤渣中加入蒸馏水，继续超声破碎，即可得纳米纤维素；超声破碎的条件为：变幅杆为6号，55％功率，为避免超声过程中溶液过热，在4℃条件下超声1s停1s，总超声时间为15-25min。
45.实施例1
46.一种以芦笋废弃老茎为原料制备纳米纤维素的工艺方法，包括以下步骤：
47.(1)将芦笋老茎于60℃烘干24h后粉碎即得芦笋渣粉。
48.(2)按照料液比芦笋渣粉：石油醚＝1g：10ml放入芦笋渣粉，用石油醚洗3次，然后按照料液芦笋渣粉：85％乙醇＝1g：10ml放入芦笋渣粉，用85％乙醇洗3次，所得滤渣于60℃
下干燥12h后粉碎。
49.(3)称取步骤(2)中干燥粉碎的滤渣，按料水比1g:10ml加磷酸缓冲液，调节水浴温度为45-55℃和ph为4.5-6.5，加入淀粉葡萄糖苷酶酶解60min，酶解结束后煮沸10min；
50.(4)调整步骤(3)中溶液ph为6.0，于70℃水浴中加入α-淀粉酶水解约60min，酶解结束后煮沸10min；降温后调节ph为约7.0，于60℃水浴中加入中性蛋白酶酶解约30min，酶解结束后煮沸10min，期间并进行低速匀速搅拌。冷却后经真空干燥得到滤渣，蒸馏水冲洗两次后于60℃下烘干。
51.(5)称取步骤(4)中干燥的滤渣，加入ph为11.5-12.5的氢氧化钠溶液，调节水浴温度为90-95℃，浸泡60min后用蒸馏水冲洗至ph为7-8，离心后取滤渣。
52.(6)称取步骤(5)中的滤渣，加入ph为1.5-2.5的硝酸溶液，调节水浴温度为90-95℃，浸泡60min后用蒸馏水冲洗至ph为6-7，离心后取滤渣。所得滤渣于60℃下干燥12h后粉碎。
53.(7)称取步骤(6)中干燥粉碎的滤渣1g，按料水比1:100加入蒸馏水100ml，超声破碎后即可得纳米纤维素。
54.如图1所示：图1为本实施例1获得的纳米纤维素的扫描电镜图(sem)，从图中可以清晰的看到成功分离出的纳米纤维素，并且已经达到了纳米级别的尺寸，且颗粒大小相对均一。
55.实施例2
56.一种以芦笋老茎为原料制备纳米纤维素的应用，其步骤如下：
57.选取2个15ml的离心管，分别加入4ml玉米油，其中一个离心管中加入4ml 1mg/ml步骤(6)获得的纤维素，标记为对照组，另一个烧杯中加入4ml1 mg/ml步骤(7)获得的纳米纤维素，颠倒混匀后静置1天后观察分层现象。
58.如图2所示：图2为本实施例2观察获得的芦笋纳米纤维素两亲性效果图，上层为油相，下层为水相，从图中可以清晰看到成功获得的芦笋纳米纤维素很好地等比例在水和油相中均匀分散，有良好的天然两亲性，而芦笋纤维素大部分都沉在水相的管底中，其吸水和吸油效果较差。
59.实施例3
60.一种以芦笋老茎为原料制备纳米纤维素的应用，其步骤如下：
61.用剪刀剪下3*3cm左右大小的未使用过干净抹布2块，用移液枪分别吸取10μl食物残油小心滴在2块抹布上，然后选取2个100ml的烧杯，分别加入20ml蒸馏水，将2块有污渍的抹布分别放入杯中，其中一个烧杯中加入0.2ml 10mg/ml步骤(6)获得的纤维素，标记为对照组，另一个烧杯中加入0.2ml 10mg/ml步骤(7)获得的纳米纤维素，室温条件使用磁力搅拌子搅拌30min。最后观察去污效果。
62.如图3所示：图3为本实施例3观察获得的芦笋纳米纤维素去污效果图，从图中可以清晰看到成功获得的芦笋纳米纤维素能较好地去除抹布上的油污，而芦笋纤维素去污效果较差。
63.最后应说明的是：显然，以上所述仅是本发明的优选实施方式，而并非对实施方式的限定。应当指出，对于所属领域的普通技术人员及其他人员来说，在上述说明的基础上还可以进行其它不同形式的变化或改进。限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举
所有的实施方式。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将芦笋老茎烘干粉碎后即得芦笋渣粉，然后经石油醚脱脂，脱脂后用85％的乙醇除杂糖处理，干燥，得到芦笋粉末；(2)在所述的芦笋粉末中加入磷酸缓冲液，依次分别使用经淀粉葡萄糖苷酶、α-淀粉酶和中性蛋白酶进行酶解，再经真空抽滤后得到滤渣，对所述滤渣多次洗涤，烘干得到干燥芦笋滤渣；(3)对所述的干燥芦笋滤渣用氢氧化钠处理，烘干，继续用硝酸溶液处理，抽滤，抽滤后的滤渣多次洗涤，烘干，得到纤维滤渣；(4)在所述的纤维素滤渣中加入蒸馏水，继续超声破碎，即可得纳米纤维素。2.根据权利要求1所述以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(1)中芦笋渣粉与石油醚的料液比为1g:5ml-10ml。3.根据权利要求1所述以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(1)中芦笋渣粉与85％的乙醇的料液比为1g:5ml-10ml。4.根据权利要求1所述以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述芦笋粉末与0.1m的磷酸缓冲液的料液比为1g:8ml-15ml。5.根据权利要求1所述以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用淀粉葡萄糖苷酶进行酶解反应的条件为：反应温度为45-55℃，ph值为4.5-6.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌；采用α-淀粉酶进行酶解反应的条件为：反应温度为65-75℃，ph为5.5-6.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌；采用中性蛋白酶进行酶解反应的条件为：反应温度为55-65℃，ph为6.5-7.5，反应时间为45-90min，酶解反应时以40-60rpm/min的转速匀速搅拌。6.根据权利要求1所述以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，步骤(2)中，采用经淀粉葡萄糖苷酶、α-淀粉酶和中性蛋白酶进行酶解后对每次酶解后的反应液均进行煮沸灭活；每次煮沸灭火的条件为：热到95-100℃，反应时间为10-15min，并以40-60rpm/min的转速匀速搅拌，灭火后将至室温。7.根据权利要求1所述以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，用氢氧化钠溶液处理的具体步骤为：在90-95℃下用ph为11.5-12.5的氢氧化钠溶液处理所述的不可溶纤维素60-90min，所述芦笋纤维素粉末与氢氧化钠溶液的料液比为1g:5ml-10ml；用硝酸溶液处理的具体步骤为：将上述得到的中性沉淀物在90-95℃下用ph为1.5-2.5的硝酸溶液处理60-90min，所述芦笋纤维素粉末与硝酸溶液的料液比为1g:5m-10ml。8.根据权利要求1所述以芦笋老茎为原料的纳米纤维素的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，超声破碎的条件为：变幅杆为6号，55％功率，为避免超声过程中溶液过热，在4℃条件下超声1s停1s，总超声时间为15-25min。9.一种以芦笋老茎为原料的纳米纤维素，其特征在于，根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法制得。
10.一种纳米纤维素在洗涤剂方面的应用，其特征在于，使用权利要1-8任一项所述的制备方法制备的纳米纤维素和权利要求9所述的以芦笋老茎为原料的纳米纤维素在洗涤剂方面的应用。

技术总结
本发明提供了一种以芦笋老茎为原料的纳米纤维素及其制备方法和应用，所述纳米纤维素的制备方法包括：烘干粉碎后的芦笋老茎使用石油醚脱脂以及乙醇除杂糖；所得粉末加入磷酸缓冲液后调节pH再使用淀粉葡萄糖苷酶、α-淀粉酶、中性蛋白酶依次处理得到滤渣；滤渣经氢氧化钠溶液和硝酸处理除杂后用蒸馏水洗至中性并烘干，烘干的粉末加水并进行最后的超声破碎得到纳米纤维素。本发明提供的纳米纤维素是从芦笋老茎不溶性膳食纤维制备之后通过超声破碎获得，具有优良的持水力和持油性，应用在洗涤剂中评价较高，实现了农副产品纤维资源的高值化利用。且所述制备方法简单，绿色无污染。本发明只需要短时间的超声处理就可以完成最后微纳米纤维素的生产，大大降低了设备耗能。大大降低了设备耗能。大大降低了设备耗能。


技术研发人员：邓炎春 侯春生 杨卅 杨修仕 刘京宏
受保护的技术使用者：中国农业科学院麻类研究所
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/9/22