薯渣再生纖維素及薯渣纖維素接枝丙烯酸的優化

譚屬瓊，黃可，劉雄*，謝勇武

1(閩南科技學院，福建 泉州，362332)2(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

甘薯渣中纖維素含量高達25 %左右，是纖維素的良好來源。然而天然木質纖維中纖維素、半纖維素和木質素相互結合十分緊密，通過一般的提取方式如酶法、堿法、酸法等很難制備得到高純度的纖維素。其中的超分子形態結構使纖維素中的羥基難以被其他化學試劑所觸及[1]，使其開發和利用受到了很大的限制。傳統的纖維素溶解方法主要有黏膠法和銅氨法[2]。纖維素再生的方法有氧化、氨基甲酸酯化、碳酸鈣化及堿/尿素/水體系等[3-5]，再生纖維素可應用于食品、醫療、紡織等行業[6-9]。為降低纖維素的結晶度，提高其純度及反應活性，本研究采用堿/尿素/硫脲水溶劑體系協同超聲波輔助作用對微細化薯渣纖維素的溶解性能進行研究。以薯渣再生纖維素得率為考察指標，首先通過單因素試驗篩選出影響纖維素得率中的顯著性較高的因素并確定最適范圍，然后行正交試驗得出薯渣再生纖維素的最優制備工藝。

常見的纖維素化學改性方法主要有酯化反應、醚化反應和接枝共聚等。接枝共聚是將纖維素作為接枝點，將特定的單體聚合物嫁接到纖維素骨架上的羥基形成帶有分支的共聚物，即在纖維素的側鏈上引入各種基團如羧基(—COOH)、氨基(—NH2)和各種螯合基團進而提供多個重金屬結合位點[10]。丙烯酸作為一種不飽和羧酸類高分子化合物單體，在水溶液中具有良好的分散性，其含有的—COOH為陰離子類離子交換基團對重金屬離子有著良好的吸附性，可以合成高分子聚合物，丙烯酸接枝共聚主要應用于吸附性材料、紡織、化工等行業[11-14]。利用接枝共聚可以向薯渣纖維素主鏈上引入丙烯酸側鏈，在性能上既有著天然纖維素中含有大量的羥基活性基團的特性，又有著合成高分子聚合物中引入大量對重金屬離子具有較強吸附能力活性官能團的性質，是一種優良的改性方式，使纖維素基材料對重金屬離子的吸附性能大大提升。本研究以薯渣再生纖維素為原料，丙烯酸為接枝共聚反應單體，利用Plackett-Burman(PB)設計和中心組合旋轉設計(CCD)考察反應產物接枝率來得到纖維素接枝丙烯酸產物的最優制備工藝，為后續的金屬離子吸附研究提供理論依據。

1 材料及儀器

1.1 材料與試劑

甘薯渣,城口縣久益農業發展有限公司提供；α-淀粉酶,北京奧博星生物技術有限責任公司；NaOH、H2O2、濃H2SO4、尿素、硫脲、丙酮、十六烷基三甲基溴化銨、十氫萘、Na2SO3、CaCl2·6H2O、丙烯酸、過硫酸銨、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺、CH3OH、無水乙醇等均為分析純,成都市科隆化學品有限公司；氮氣,重慶興業氣體有限公司。

1.2 儀器與設備

KQ 3200DB型數控超聲波清洗儀，昆山市超聲儀器有限公司；HH-6型數顯恒溫水浴鍋，常州澳華儀器有限公司；Centrifuge 5810型臺式高速離心機，德國Eppendorf公司；PHS-3型精密酸度計，上海大普儀器有限公司；GYB60-6s型高壓均質機，上海東華高壓均質機廠；YC-015實驗型噴霧干燥機，上海雅程儀器設備有限公司；Alphal-4L-plus真空冷凍干燥機，德國Christ公司，以及其他實驗室常用儀器。

1.3 實驗方法

1.3.1 薯渣纖維素再生實驗設計

根據文獻[15-16]制備不同粉碎度薯渣纖維素：薯渣纖維素粗粉(<0.18 mm)、薯渣纖維素微粉(粒徑50～83 μm)、微細化薯渣纖維素(粒徑20～40 nm)，即甘薯渣經膠體磨細化和多次洗滌、干燥，以干燥后的薯渣為原料，采用超聲波輔助酶結合堿法處理得薯渣纖維素粗粉；對粗粉進行超微粉碎，使薯渣顆粒中更多的雜質暴露，然后用超聲波輔助酶結合堿法提純，產物過180目篩制得薯渣纖維素微粉；薯渣纖維素微粉利用超聲波輔助酸法處理，經噴霧干燥得微細化薯渣纖維素。以薯渣纖維溶解率(%)和薯渣再生纖維素得率(%)為指標，并測定纖維素純度(%)。

1.3.1.1 薯渣纖維素的溶解率測定

薯渣纖維素溶解率按照公式(1)計算:

(1)

式中：S，薯渣纖維素粗粉(薯渣纖維素微粉、微細化薯渣纖維素)在氫氧化鈉/硫脲/尿素水溶液體系中的溶解率，%；M0，薯渣纖維素粗粉(薯渣纖維素微粉、微細化薯渣纖維素)質量，g；M1，不溶殘渣干燥質量，g。

1.3.1.2 薯渣纖維素的再生

將制得的各薯渣纖維素溶液用2 mol/L H2SO4中和至pH=7.0后有白色絮狀沉淀出現，靜置過夜使其充分析出。沉淀用去離子水充分洗滌過濾，再用丙酮洗滌數次后真空干燥得到薯渣再生纖維素(RC)，薯渣再生纖維素得率按公式(2)計算:

(2)

式中：R，薯渣再生纖維素的得率，%；M2，薯渣再生纖維素質量，g；M0，薯渣纖維素粗粉(薯渣纖維素微粉、微細化薯渣纖維素)質量，g。

1.3.1.3 纖維素純度測定

采用范式法測定纖維素含量，按公式(3)計算:

(3)

式中：W，纖維素樣品質量，g；W1，酸性洗滌纖維和砂芯漏斗總質量，g；W2，72%H2SO4處理后殘留物和砂芯漏斗總質量，g。

1.3.1.4 單因素實驗設計

以薯渣再生纖維素得率為指標，在參考資料[17-22]的基礎上，考察薯渣纖維素粉碎度(薯渣纖維素粗粉、薯渣纖維素微粉和微細化薯渣纖維素)、NaOH質量濃度(6、7、8、9、10 g/L)、尿素質量濃度(6、7、8、9、10 g/L)、硫脲質量濃度(4、5、6、7、8 g/L)、超聲波功率(80、100、120、140、160、180、200 W)、超聲時間(3、6、9、12、15 min)和料液比(1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70)對薯渣再生纖維素得率的影響，并根據單因素方差分析結果得到主要的影響因素，確定其條件范圍。

1.3.1.5 正交實驗設計

根據單因素實驗確定的條件范圍，選取較為顯著的單因素，以薯渣再生纖維素得率為指標，進行L9(34)正交實驗，確定薯渣纖維素溶解再生的最佳工藝條件。正交實驗因素水平表如表1所示。

表1 正交試驗因素水平設計Table 1 Design of orthogonal test factors and levels

1.3.2 纖維素接枝丙烯酸實驗設計

1.3.2.1 纖維素接枝丙烯酸產物的制備

纖維素接枝丙烯酸產物反應裝置設計：稱取一定量的薯渣再生纖維素放入三口燒瓶中，再加入適量蒸餾水，通氮絕氧，升至一定的引發溫度并加入一定比例(以纖維素質量百分比計)的過硫酸銨(APS)引發劑引發作用一段時間。取一定量的丙烯酸單體(以單體量與纖維素質量比計)，配制成一定中和度丙烯酸與丙烯酸鈉混合溶液，然后以恒定的速率滴加單體溶液并加入一定比例(以纖維素質量百分比計)的N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)。調節至一定的接枝反應溫度，反應一段時間后取出粗產物，用大量的水和無水乙醇清洗除去未反應的單體及大部分均聚物，并在室溫下用甲醇抽提12 h以除去剩余均聚物，抽提后的接枝物經干燥至恒重，即可得到纖維素接枝丙烯酸(Cell-g-AA)產物。產物接枝率的計算按公式(4)計算。

(4)

式中:G，接枝率，%；W1，薯渣再生纖維素的質量，g；W2，纖維素接枝丙烯酸產物的質量，g。

1.3.2.2 纖維素接枝丙烯酸產物的反應機理

接枝共聚以纖維素分子為主鏈骨架，將丙烯酸單體接枝到纖維素接枝點上形成側鏈，其推定結構如圖1。

圖1 纖維素接枝丙烯酸共聚物的推定結構Fig.1 The putative structure of Cell-g-AA copolymer

1.3.2.3 纖維素接枝丙烯酸共聚物制備工藝優化

以接枝率為指標，首先通過Plackett-Burman(PB)試驗設計選擇出對響應值影響顯著性較高的幾個因素；然后再利用最陡爬坡試驗快速確定最佳接枝率的中心點范圍；最后再經過中心組合設計(CCD)對PB試驗篩選的因素和最陡爬坡試驗所確定的因素水平條件進行響應面模型擬合，得到最佳制備工藝條件，并進行驗證試驗。利用Design-Expert 8.0.6對進行試驗設計和數據分析。

(1)PB試驗設計

影響丙烯酸接枝反應的條件有很多，如引發劑用量(質量分數)、交聯劑用量(質量分數)、單體與纖維素質量比、溫度和時間等，在參考資料[23-28]的基礎上，根據纖維素接枝丙烯酸產物的制備原理，以接枝率(Y)作為預測響應值，對影響纖維素接枝丙烯酸共聚物接枝率的8個主要因素進行研究，選用包含3個虛擬變量共進行12次試驗的PB設計。每個因素取低水平“-1”和高水平“+1”2個水平。每次試驗作3個平行，結果取平均值，PB試驗設計因素水平表如表2所示。

(2)最陡爬坡試驗

根據PB試驗結果按照一定梯度增加引發劑用量、單體與纖維素質量比和接枝反應溫度(正效應)，按照一定梯度減少中和度(負效應)，其余4個顯著性較低的因素均根據其正負效應分別取試驗水平上下限值(引發溫度50 ℃、引發時間10 min、交聯劑用量1.0 %、接枝反應時間3 h)，測定接枝率(Y)并根據最高響應值確定CCD試驗中最佳中心點。每次試驗作3個平行，結果取平均值。

表2 Plackett-Burman設計因素水平表Table 2 Factors and levels for Plackett-Burman design

(3)CCD試驗設計

根據PB試驗和最陡爬坡試驗結果，接枝率(Y)為響應值進行CCD試驗，對纖維素接枝丙烯酸產物的制備工藝條件進行優化。每次試驗作3個平行，結果取平均值，CCD設計因素水平表如表3所示。

表3 中心組合設計因素水平表Table 3 Factors and levels for Central Composite Design

2 結果與分析

2.1 薯渣再生纖維素結果分析

2.1.1 薯渣再生纖維素單因素結果分析

綜合分析6個單因素實驗結果，其中NaOH質量濃度、硫脲質量濃度和超聲波功率對纖維素得率均達到顯著水平，故以纖維素得率為參考指標，不同薯渣纖維素種類(薯渣纖維素粗粉、薯渣纖維素微粉、微細化薯渣纖維素)、NaOH質量濃度(8、9、10 g/L)、硫脲濃度(6、7、8 g/L)和超聲波功率(120、140、160 W)為自變量，固定尿素質量濃度為8 g/L，超聲時間為9 min，料液比為1∶50。

2.1.2 薯渣再生纖維素正交實驗結果分析

采用正交表L9(34)進行薯渣再生纖維素工藝優化，正交實驗結果見表4，多因素方差分析見表5，均數間多重比較見表6。

表4 正交實驗結果Table 4 Orthogonal experimental results

表5 多因素方差分析Table 5 Multivariate analysis of variance

表6 均數間多重比較(LSD,α=0.05)Table 6 Multiple comparison among means

由表6可知，薯渣纖維素種類間3個水平對應的纖維素得率均存在顯著性差異(P<0.05)，其中微細化薯渣纖維素A3均數最大(51.88 %)。故纖維素類型中選取A1微細化薯渣纖維素作為最優組合；NaOH質量濃度的3個水平對纖維素得率也有顯著性影響(P<0.05)，其中NaOH質量濃度B2(9 g/L)均數最大，且與B1、B3之間均存在顯著性差異(P<0.05)，所以B中取NaOH質量濃度為9 g/L，高質量濃度的NaOH會使體系中自由水減少，易發生凝膠化，還會造成纖維素的輕度水解；超聲波功率D對纖維素得率存在顯著性影響(P<0.05)，D2(140 W)的纖維素得率與D1(120 W)、D3(160 W)間均存在顯著差異(P<0.05)，當超聲波功率取140 W時，纖維素得率最大，但隨著超聲波作用的功率加強，會造成少量纖維素無定形區被破壞，而非結晶區破壞后的纖維素更容易在超聲作用下被細化[36]；而硫脲質量濃度對纖維素得率影響不顯著(P>0.05)且C1、C2、C3之間無顯著差異(P>0.05)，故選擇硫脲質量濃度為C1(6 g/L)。綜上所述，最優組合為A3B2C1D2，即纖維素種類為微細化薯渣纖維素、NaOH質量濃度9 g/L、硫脲質量濃度6 g/L、超聲波功率為140 W。

2.2 薯渣再生纖維素接枝丙烯酸結果與分析

2.2.1 PB試驗結果分析

采用Design-Expert 8.0.6對表7中的PB試驗結果進行顯著性分析，以篩選出對接枝率具有顯著性影響較高的因素，結果如表8所示。

表7 Plackett-Burman試驗設計結果Table 7 Plackett-Burman experiment design and response values

表8 偏回歸系數及影響因子方差分析Table 8 Analysis of partial regression coefficient and significance of factors

通過回歸分析得到的響應值對應各因素編碼自變量的多元線性回歸方程如公式(5)：

Y=-31.01 +1.90X1-0.18X2-0.047X4+2.56X5+0.83X7-1.00X8+1.75X10+0.55X11

(5)

2.2.2 最陡爬坡試驗結果

由公式(5)偏回歸系數可知，X1、X5、X10對接枝率的影響為正效應，因此應適當的增加引發劑、單體用量，提升接枝反應溫度可提高接枝率；而X8為負效應，適當降低丙烯酸中和度可以提高接枝率。本試驗中采用4個自變量同時變化，在設定的參數數值范圍內進行最優點的探索，可快速逼近接枝率最高的區域。引發劑用量、單體與纖維素質量比、中和度、接枝反應溫度設計步長分別為0.2、0.5、3.0和2.5，進行最陡爬坡試驗，試驗結果如表9所示。

表9 最陡爬坡試驗及結果Table 9 The design and results of steepest ascent test

由表9可知，接枝率先上升后下降，在第5次實驗中接枝率出現最大值，即引發劑用量4.8%，單體與纖維素質量比5.0，中和度78 %，接枝反應溫度80 ℃。因此在CCD試驗設計中，以此點為中心點0水平，引發劑用量選擇在4.4 %～5.2%，單體纖維素質量比選擇在4～6，丙烯酸中和度選擇在72 %～84 %，接枝反應溫度選擇在75～85 ℃。

2.2.3 CCD試驗結果分析

在PB試驗和最陡爬坡試驗的結果基礎上，確定影響纖維素接枝率的顯著因素，通過CCD實驗設計，試驗結果見表10，回歸模型方差分析見表11。

表10 中心組合設計及試驗結果Table 10 Central composite design and experimental results

表11 回歸模型方差分析Table11 Analysis of variance for regression model

回歸系數的分析中A2、B2對接枝率影響極顯著(P<0.000 1)，A、B、D、AB、AD、BC、BD和D2對接枝率有顯著影響(P<0.05)，其他項系數影響均不顯著(P>0.05)。F值的大小反映其對試驗指標的重要性，F值越大影響越大[38]，即影響主次順序為：單體∶纖維素(質量比)>引發劑用量>接枝反應溫度>中和度，且中和度對接枝率影響不顯著(P>0.05)。根據各項的回歸系數，二次多項回歸方程(6)為：

Y=47.54-2.00A+2.24B+0.20C-0.95D+2.58AB-0.57AC-1.20AD+1.58BC-1.17BD-0.38CD-3.10A2-2.98B2-0.78C2-1.39D2

(6)

2.2.4 響應面分析

通過回歸模型進行響應面分析，得到各因素交互作用對接枝率影響的響應曲面如圖2所示。

每個曲面的彎曲弧度彎曲程度大小，與交互作用成正比[39]。由圖2和表11可知，AB、BD、AD、BC項對接枝率影響顯著，接枝率隨引發劑用量的增加出現先增大后減小的趨勢，過硫酸銨的增加會使纖維素上自由基的含量增多，丙烯酸單體與纖維素骨架的反應也隨之增多，從而接枝率上升；當丙烯酸濃度過高時，纖維素上的自由基數量達到飽和，使丙烯酸之間自聚反應增多，接枝率下降，因此AB間交互作用顯著。隨著接枝反應溫度的提高，纖維素溶脹程度增強，接枝反應更容易進行，接枝率升高；當溫度過高時，自由基聚合反應轉向鏈終止階段導致丙烯酸單體自聚反應幾率上升，纖維素接枝率下降[40]，因此BD交互作用顯著。過硫酸銨用量和接枝反應溫度的升高使纖維素與丙烯酸單體的碰撞幾率上升，從而引起暴聚，越來越強的相互作用會導致反應的終止，此時反應體系中鏈終止反應為主體反應，減少纖維素上活性中心的數目，接枝率大大降低[41]，為了獲得高接枝率產物，必須嚴格控制引發劑用量和接枝反應溫度，因此AD間交互作用顯著。接枝率隨著丙烯酸單體∶纖維素(質量比)的增大呈先升高后降低的趨勢；中和度較低時溶液體系酸性大，導致接枝率降低，而在一定范圍內增大中和度，可提高接枝反應的單體轉化率，使接枝率增大[42]，因此AD間交互作用顯著。AC、CD交互曲面較為平緩，對接枝率影響不顯著。

2.3 最佳工藝條件的確定及驗證

選取微細化薯渣纖維素，在NaOH濃度為 9 g/L，尿素質量濃度為8 g/L，硫脲質量濃度為6 g/L，超聲波功率為140 W，超聲時間為9 min，料液比為1∶50的最優工藝下，進行3次平行實驗，測得纖維素得率為54.59%

圖2 各因素的交互作用對接枝率的響應面圖Fig.2 Response surfaces plots of variable parameters on grafting yield

(溶解率為65.12 %)，高于正交實驗中得率最高組合A3B1C3D2(53.82 %±3.07 %)，且得到薯渣再生纖維素的純度高達96.68 %，說明采用氫氧化鈉/尿素/硫脲溶劑體系純化再生薯渣纖維素是可行的。

CCD試驗得出的最優工藝為：引發劑用量4.85%、丙烯酸與纖維素質量比5.87、中和度84 %、接枝反應溫度75.51 ℃。為適應實際操作條件，修正工藝為：引發劑用量4.85%、丙烯酸與纖維素質量比5.87、中和度84 %、接枝反應溫度75.5 ℃。結合PB試驗和CCD試驗結果，得到纖維素接枝丙烯酸共聚物的最優工藝條件為：引發劑用量4.85%、引發溫度50 ℃、引發時間10 min、丙烯酸與纖維素質量比5.87、交聯劑用量1.0%、中和度84 %、接枝反應溫度75.5 ℃、接枝反應時間3 h。此條件下接枝率預測值為49.146 %。為驗證回歸模型有效性，在最佳工藝條件下，平行試驗3次，測得平均接枝率為49.024%，與預測值49.146 %接近，表明該模型可用于纖維素接枝丙烯酸產物接枝率的預測。

3 結論

以甘薯渣為原料，制備得到3種類型的薯渣纖維素(薯渣纖維素粗粉、薯渣纖維素微粉和微細化薯渣纖維素)。利用單因素試驗和正交試驗對薯渣纖維素在超聲波協同氫氧化鈉/尿素/硫脲體系中的溶解工藝進行優化。得到薯渣纖維素的最佳溶解條件為：選取微細化薯渣纖維素，在NaOH質量濃度9 g/L，尿素質量濃度8 g/L。硫脲質量濃度6 g/L，超聲波功率140 W，超聲時間9 min，料液比1∶50 (g∶mL)。纖維素得率為54.59%(溶解率為65.12%)，且得到的薯渣再生纖維素的純度高達96.68 %，說明采用氫氧化鈉/尿素/硫脲溶劑體系可以實現對薯渣纖維素的提純。

以薯渣再生纖維素為原料，利用PB設計和CCD設計，對薯渣再生纖維素的丙烯酸接枝改性工藝進行優化，得纖維素接枝丙烯酸產物的最佳制備工藝條件：引發劑用量4.85%、引發溫度50 ℃、引發時間10 min、丙烯酸與纖維素質量比5.87、交聯劑用量1.0%、中和度84 %、接枝反應溫度75.5 ℃、接枝反應時間3 h，制得的纖維素接枝丙烯酸產物接枝率為49.024 %，為重金屬離子吸附的研究提供了理論基礎。