2011,Vol.32,No.22食品科学※工艺技术6
酸解均质制备纳米豆渣纤维素工艺
刘玲玲，田云波，唐楚楚，钟诚，刘雄
(西南大学食品科学学院，食品科学与工程实验教学中心，重庆400715)
摘要：以富含纤维素的豆渣为原料，采用酸水解辅以均质法制备纳米纤维素，研究HCl浓度、水解时间、水
解温度、液料比4个因素对豆渣水解率和纤维素粒度的影响，通过正交试验确定制备豆渣纳米纤维素的最佳工艺条
件。结果表明：最佳工艺条件为HCl溶液浓度3mol/L、水解温度100℃、水解时间120min、液料比45:1(mL/g)、
均质压力30MPa；通过激光粒度分析和扫描电镜分析，纳米豆渣纤维素呈微球状，粒度为50～100nm。盐酸水
解辅以高压均质工艺处理能有效制得纳米大豆纤维素。
关键词：豆渣纤维素；盐酸；水解；高压均质；纳米纤维素
PreparationofNanocrystallineCellulosefromSoybeanDregsbyAcidHydrolysisFollowedby
High-PressureHomogenization
LIULing-ling，TIANYun-bo，TANGChu-chu，ZHONGCheng，LIUXiong
(ExperimentandTeachingCenterofFoodScienceandEngineering,CollegeofFoodScience,SouthwestUniversity,
Chongqing400715,China)
Abstract：Nanocrystallinecellulosewaspreparedfromsoybeandregs,richincellulose,usingacidhydrolysisfollowedbyhigh-
pressurehomogenization.TheeffectsofHClconcentration,hydrolysistime,temperatureandliquid-to-solidratioondegreeof
hydrolysisofsoybeandregswerestudiedusingone-factor-at-a-timecombinedwithorthogonalarraydesignmethod.The
optimalpreparationprocessinvolvedhydrolysiswith3mol/LHClat100℃andaliquid-to-solidratioof45:1for120minand
subsequenthomogenizationat30MPa.Theresultsoflaserparticlesizeanalysisandscanningelectronmicroscopic(SEM)
observationshowedthattheobtainednanocrystallinecellulosewasmicrosphereswithaparticlesizerangeof50－100nm.In
conclusion,HClhydrolysisfollowedbyhigh-pressurehomogenizationallowsthepreparationofsoybean-derivednanocrystalline
cellulose
Keywords：soybeandregs-derivedcellulose；hydrochloricacid；hydrolysis；highpressurehomogenization；nano-
crystallinecellulose
中图分类号：TS214.2文献标识码：A文章编号：1002-6630(2011)22-0006-05
收稿日期：2011-01-23
基金项目：国家大学生创新性实验项目(091063524)
作者简介：刘玲玲(1989—)，女，本科生，研究方向为食品加工技术。E-mail：543939956@qq.com
通信作者：刘雄(1970—)，男，教授，博士，研究方向为碳水化合物资源开发与利用。E-mail：liuxiong848@hotmail.com
纤维素是天然高分子化合物，其化学结构是由很多
D-吡喃葡萄糖酐彼此以β(1→4)糖苷键连结而成的线性
巨分子。天然纤维素经过超微粉碎[1]、酸碱处理[2-3]、酶
水解[4]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[5-8]。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[9]，也可以用于制备防伪标签和高级变
色油墨[10]；也可以与其他材料复合制备可降解的纳米材
料[10]；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[11]；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[12]。
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[13]、竹
7※工艺技术食品科学2011,Vol.32,No.22
纤维[14]、桑枝纤维[15]、香蕉茎纤维[16-17]、剑麻纤维[18]
等长纤维为原料制备纳米纤维素，取得较好效果。但
是，用豆渣、薯渣等食品纤维制备纳米纤维的研究报
道鲜有报道，而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，因此，在制备工艺
条件和纳米纤维素性质方面可能存在差异。
我国是大豆食用大国，豆制品产量呈现迅速增长的
趋势，2009年，全国豆制品正规生产企业约在1500家
以上，按每加工一吨大豆产生2吨湿豆渣计算，目前国
内大豆食品行业每年约生产2000万吨湿豆渣[19]。但我国
对豆渣利用率仅为4.96%～16.60%，其余绝大部分用做
饲料，豆渣利用率低，附加值低，造成豆渣资源的极
大浪费。豆渣中纤维素含量高达60%以上。因此，对
豆渣纤维深度开发和加工利用，对推动我国大豆产业
的发展具有重要意义。本研究以豆渣纤维素为原料，
采用酸水解与高压均质相结合的方法，通过考察HCl溶
液浓度、反应温度、水解时间和料液比对纤维素水解
率的影响，进而得到制备豆渣纳米纤维素的最优反应
条件。
1材料与方法
1.1材料、试剂与仪器
豆渣重庆奇爽食品有限公司。
盐酸、氢氧化钠、无水乙醚、无水乙醇均为分析纯。
YSC-701超微粉碎机北京燕山正德机械设备有限
公司；GYB60-6S高压均质机上海东华高压均质机厂；
RE-52旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂；MasterSizer
2000激光粒度分析仪英国马尔文仪器有限公司；S-
4800扫描电子显微镜日本日立公司；TDZ5-WS多管
架自动平衡离心机湖南湘仪离心机仪器有限公司。
1.2方法
1.2.1纳米纤维素制备
将豆渣用清水多次洗涤直至洗涤水澄清透明为止，
将水洗后的豆渣于60℃烘箱烘干，用普通粉碎机将豆渣
粉碎，再用无水乙醚将豆渣脱脂，于60℃烘干后，测
得其水分含量为3.33%，再将此时的豆渣进行超微粉
碎，经检测，粉碎后的豆渣原料平均粒度为45.045μm。
称取1g超微粉碎后的豆渣倒入具塞磨口250mL锥形
瓶中，分别加入一定浓度和液料比的盐酸，将锥形瓶
放入恒温水浴锅中在设定温度条件下水解，达到设定水
解时间后，调节水解液pH7.0，4000r/min离心15min，
倒出上清液后残渣再用蒸馏水洗涤、30MPa均质，离
心一次，洗后残渣用定量的蒸馏水洗入培养皿中，于
60℃烘箱烘至质量恒定，称量，计算水解率。选取不
同水解度的豆渣纤维残渣进行激光粒度分析和扫描电镜
检测，验证水解率与纤维粒度相关性。
m
0×(1－W)－m1
水解率/%＝————————×100
m0×(1－W)
式中：m0为原料质量/g；m1为残渣质量/g；W为
原料水分含量/%。
为了确定制备工艺条件，分别就HCl溶液浓度
(0.5、1.5、2.5、3.5mol/L)、水解温度(30、50、70、
90℃)、水解时间(40、70、100、130min)、液料比
(20:1、30:1、40:1、50:1，mL/g)对水解率的影响进行
单因素试验，在单因素试验基础上采用L9(45)正交表(表
1)开展4因素4水平正交试验，并对最佳条件下水解的
纤维素残渣进行高压均质处理，均质压力30MPa。
水平AHCl溶液浓度/(mol/L)B水解时间/minC水解温度/℃D液料比(mL/g)
12.0807035
22.51008040
33.01209045
43.514010050
表1制备工艺条件确定正交试验因素与水平表
Table1Codedvaluesandcorrespondingactualvaluesofoptimization
parametersinvolvedinorthogonalarraydesign
1.2.2豆渣化学成分分析
蛋白质：参照GB/T5009.5—85《食品中蛋白质的
测定方法》；淀粉含量：费林试剂热滴定定糖法[20]；纤
维素含量：参照GB12394—90《食物中不溶性膳食纤
维的测定方法》；灰分：参照GB5009.4—2010《食
品中灰分的测定》。
1.2.3纤维素外观检测
选取超微粉碎豆渣、中等水解度、最高水解度豆
渣纤维为原料，进行激光粒度分析和扫描电镜检测。
物料粒度分析：采用激光粒度分析仪测定，将待
测样品置于粒度仪容器内，使用蒸馏水作为分散剂，用
超声波对粉体进行分散，测定其粒径及其粒径分布。
扫描电镜检测：采用扫描电子显微镜对试样的表面
形貌及尺寸进行表征，由于纤维素样品在干燥脱水时颗
粒间容易缠绕粘结，不能正确反映纤维素粒度，因此，
本研究采用均匀分散的纤维素浆液加入检测盒中，然后
吹干固定样品，再对样品表面进行喷金处理使其导电，
最后进行电镜观察。
2结果与分析
2.1豆渣的干基成分分析
通过对酸解处理前后脱脂豆渣纤维样品化学成分分
析检测，结果(表2)发现，通过酸水解处理，样品中蛋
白质含量由25.4%降到3.1%，纤维素含量由64.5%提高
2011,Vol.32,No.22食品科学※工艺技术8
到88.3%。由此可知，酸解处理可提高制品中纤维素含量。
豆渣样品含量/%(以干基计)蛋白质淀粉灰分纤维素
酸解前豆渣25.44.35.664.5
酸解后豆渣3.14.04.688.3
表2脱脂豆渣主要营养成分
Table2Majornutritionalcompositionindefattedsoybeandregs
2.2豆渣酸水解工艺条件的确定
2.2.1HCl溶液浓度对豆渣水解率的影响
在水解温度50℃、液料比20:1时，将豆渣在HCl
溶液浓度分别为0.5、1.5、2.5、3.5mol/L条件下水解
70min，测定豆渣的水解率。
图1HCl溶液浓度对水解率的影响
Fig.1EffectofHClconcentrationondegreeofhydrolysis
60
50
40
30
20
10
0
水解率
/%
HCl溶液浓度/(mol/L)
0.51.52.53.5
由图1可知，豆渣水解率随HCl溶液浓度的升高呈
先上升、后下降的趋势，在2.5mol/L附近水解率达到
最大值。随着HCl溶液浓度的升高，豆渣水解程度增
加，但是豆渣中的蛋白质随着HCl溶液浓度的升高会变
性，其变性作用常导致蛋白质的聚集作用，同时随着
温度的升高炭化程度增加，都会使豆渣水解率又下降。
考虑到HCl溶液浓度与水解温度可能会相互促进蛋白变
性，因此，在后续单因素研究中仍采用1.5mol/L的浓
度水平。
2.2.2水解时间对豆渣水解率的影响
在水解温度50℃、液料比20:1、HCl溶液浓度为
1.5mol/L时，将豆渣分别水解40、70、100、130min，
测定豆渣的水解率。
从图2可以看出，豆渣水解率随水解时间的延长呈
上升的趋势但当水解时间在100～130min时，水解率增
幅变缓，说明豆渣纤维素水解接近极限。因此，选定
100～130min作为正交试验的因素水平。
2.2.3水解温度对豆渣水解率的影响
在液料比为20:1、HCl溶液浓度为1.5mol/L时，将
豆渣分别在30、50、70、90℃条件下水解100min，测
定豆渣的水解率。
80
70
60
50
40
30
20
10
0
水解率
/%
水解温度/℃
30507090
图3水解温度对水解率的影响
Fig.3Effectoftemperatureondegreeofhydrolysis
由图3可以看出，豆渣水解率随水解温度的升高呈
先下降后又上升的趋势。50℃条件下纤维素水解率低于
30℃条件下的水解率，可能是由于温度逐渐升高，纤
维素表面结合蛋白变性形成蛋白膜，阻碍盐酸对纤维素
水解。随着温度进一步升高，盐酸渗透增加，作用强
度增强,因而纤维素水解度提高。但温度超过70℃后，
豆渣水解率增幅减缓。考虑到温度过高，豆渣中的蛋
白质会变性,同时炭化程度也会增加。因此，选定70～
100℃作为正交试验的因素水平。
2.2.4液料比对豆渣水解率的影响
在HCl溶液浓度为1.5mol/L、70℃时，将豆渣分别
在液料比为20:1、30:1、40:1、50:1(mL/g)条件下水解
100min，测定豆渣的水解率。
50
40
30
20
10
0
水解率
/%
液料比(mL/g)
20:130:140:150:1
图4液料比对水解率的影响
Fig.4Effectofliquid-to-solidratioondegreeofhydrolysis
40
30
20
10
0
水解率
/%
水解时间/min
4070100130
图2水解时间对水解率的影响
Fig.2Effectofreactiontimeondegreeofhydrolysis
9※工艺技术食品科学2011,Vol.32,No.22
由图4可以看出，豆渣水解率随HCl溶液添加量与
原料比值的增加呈显著上升，在40:1(mL/g)左右水解率
达到最大值。当HCl溶液添加量与原料比值在50:1(mL/g)
时，水解残渣出现部分炭化而沉淀，使豆渣水解率出
现下降。
2.3正交试验
在单因素试验基础上采用L9(45)正交表进行4因素4
水平正交试验，结果见表3。
试验号AHCl溶液B水解C水解D液料比E空水解浓度/(mol/L)时间/min温度/℃(mL/g)列率/%
11233260.10
22412263.95
33434372.40
44211342.98
51314467.16
62131465.66
73113159.35
84332171.44
91142368.87
102323368.44
113341281.17
124124263.84
131421167.91
142244174.43
153222459.67
164443481.92
K12.64042.57722.33442.57722.7313
K22.72482.37182.59862.63932.6906
K32.72592.88212.69602.77832.5269
K42.60182.86183.06392.69812.7441
k10.66010.64430.58360.64430.7000
k20.68120.59300.64970.65980.6727
k30.68150.72050.67400.69460.6317
k40.65050.71550.76600.67450.6860
R0.03100.12760.18240.05030.0683
表3制备工艺条件确定正交试验设计及结果
Table3Orthogonalarraydesignandcorrespondingexperimental
results
由表3可知，RC＞RB＞RD＞RA，即影响豆渣纤
维水解率的各因素的排列顺序为：水解温度＞水解时
间＞液料比＞HCl溶液浓度。豆渣酸水解的最佳水解工
艺条件为A3B3C4D3，即水解温度100℃、水解时间
120min、液料比45:1(mL/g)、HCl溶液浓度3mol/L。通
过验证实验可知，在此条件下，豆渣水解率为83.31%，
高于正交试验中各组水解率。
2.4粒度分析
使用激光粒度分析仪对超微粉碎原料、酸解中等水
解率(50%)残渣、酸解最佳条件(水解率83%)残渣样进
行粒度分析，表4和图5显示，超微粉碎原料50%的
粒径小于41.205μm，酸解中等水解率残渣50%的粒径
小于34.483μm，酸解最佳条件残渣50%的粒径小于
12.668μm。由结果可知，随着酸水解率增加，豆渣纤
维素粒径相应减小，采用水解率指标反映酸水解细化纤
维素是可行的。
豆渣样品粒径/μmd
0.1d0.5d0.9
超微粉碎豆渣6.80241.205148.632
水解率50%豆渣5.72734.483102.375
水解率83%豆渣3.47412.66837.447
表4不同水解度豆渣粒径分布表
Table4Particlesizedistributionofsuperfinepowderofsoybeandregs
andhydrolysatesthereofresultingfromdifferentdegreesofhydrolysis
6.5
5.5
4.5
3.5
2.5
1.5
0.5
比例
/%
颗粒粒度/μm
0.010.11101001000
→
水解率50%豆渣
←
←超微粉碎豆渣
水解率83%豆渣
图5不同水解度豆渣纤维粒度分布图
Fig.5Particlesizedistributioncurvesofsuperfinepowderofsoybean
dregsandhydrolysatesthereofresultingfromdifferentdegreesof
hydrolysis
但本研究采用的激光粒度分析发现处理的纤维素粒
度均较大，与相关文献研究结果相差太大[3,13]。分析可
能的原因为：本研究对粒度检测采用蒸馏水作为分散
剂，而纤维素具有极强的持水力、膨胀力，尤其对微
细粒度的纤维素吸水膨胀性更强[6]，导致酸解处理后的
残渣在粒度分析仪的检测下粒径增大很多，所以为了能
准确地反应酸解处理对豆渣膳食纤维粒径的影响，本研
究又通过扫描电子显微镜对处理的纤维素样品进行观
察，结果见图6。
通过扫描电镜结果可知，相对于酸水解原料(图
6a)，酸解之后豆渣纤维的粒径变小，酸解水解率越
高，粒径越细。在水解率83%的纤维素残渣中，有许
多细小颗粒粘结呈串珠状或黏稠物状(图6c)，由于水解
得到的纤维素晶核粒度很细，具有很强的吸水膨胀性和
相互黏结性，在纤维素浆体脱水过程中发生黏结[21-22]。
为提高制备的纤维素晶体的分散性，采用30MPa的
高压均质处理酸水解率83%的豆渣纤维素残渣，然后采
用无水乙醇脱水2次。乙醇脱水的纤维素分散在扫描电
镜样品盒中，吹干乙醇后检测，结果见图6d。酸解均
2011,Vol.32,No.22食品科学※工艺技术10
质后所制得的纳米纤维素晶体为球状且粒径在50～100nm
之间。由电镜结果可知，所制备的纳米纤维素晶体容
易聚集在一起，而均质处理后能使其相对较稳定地均匀
分布。
图6不同处理豆渣的纤维素扫描电镜图
Fig.6SEMimagesofsuperfinepowderofsoybeandregsand
hydrolysatesthereofresultingfromdifferentdegreesofhydrolysis
S-48005.0kV9.0mm×10.0kSE(M.LA0)5.00μmS-48005.0kV9.1mm×50.0kSE(M.LA0)1.00μm
S-48005.0kV9.5mm×100kSE(M.LA0)500nmS-48005.0kV9.6mm×100kSE(M.LA0)500nm
a.超微粉碎豆渣(×10000)b.水解率50%豆渣(×50000)
c.水解率83%豆渣(×100000)d.水解率83%、30MPa均质豆渣(×100000)
3结论
酸水解辅助高压均质可制得纳米豆渣纤维素，本实
验通过正交试验确定了制备豆渣纳米纤维素的最佳工艺
条件为HCl溶液浓度3mol/L、水解温度100℃、水解时
间120min、液料比45:1(mL/g)、均质压力30MPa。
酸水解辅助高压均质制得纳米豆渣纤维素呈微球
状，粒度为50～100nm。纳米纤维素粒子特殊的表面性
质使得豆渣纳米纤维素晶体团聚现象严重，如何获得分
散度高的粉体豆渣纳米纤维素粒子，值得在以后进行深
入研究。
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