響應(yīng)面分析法優(yōu)化煙梗氧堿制漿工藝

趙金濤， 陳克利*， 劉維涓， 陶文梅

(1.昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 云南 昆明 650500；2.云南瑞升煙草技術(shù)(集團)有限公司， 云南 昆明 650106)

響應(yīng)面分析法優(yōu)化煙梗氧堿制漿工藝

ZHAO Jintao

趙金濤1， 陳克利1*， 劉維涓2， 陶文梅2

(1.昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 云南 昆明 650500；2.云南瑞升煙草技術(shù)(集團)有限公司， 云南 昆明 650106)

為優(yōu)化煙梗氧堿制漿工藝條件，在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過Box-behnken響應(yīng)面分析優(yōu)化堿用量、保溫溫度和保溫時間對細漿得率的影響。結(jié)果表明：堿用量及堿用量和溫度之間的交互作用對煙梗細漿得率影響極顯著，在較優(yōu)的工藝條件(堿用量15.5%、保溫溫度75℃、保溫時間45 min)下細漿得率為29.35%，與預(yù)測值29.48%接近。通過分析對比煙梗機械漿與煙梗氧堿漿纖維的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，煙梗經(jīng)過氧堿制漿后，纖維的分絲帚化程度較好，纖維表面也比較光滑，纖維既細且長，兩端尖削，且煙梗中非纖維細胞較多。

煙梗;氧堿制漿;纖維;響應(yīng)面分析

造紙法再造煙葉是將煙葉加工過程中廢棄的煙梗、煙末等原料，經(jīng)過浸提、濃縮、打漿、抄造、涂布等過程，制備出品質(zhì)接近于天然煙葉的產(chǎn)品[1-3]。煙梗纖維作為再造煙葉纖維的主要成分之一，煙梗的纖維形態(tài)和成紙性能對再造煙葉的加工性能有非常重要的影響[4]，因此，研究煙梗漿料的制備和煙梗纖維的特性引起了廣泛的關(guān)注。丁曉麗等[5]對煙梗纖維制漿與抄造工藝進行了研究，發(fā)現(xiàn)煙梗纖維長度較短，需與外加纖維配合才能抄造再造煙葉。羅沖等[6]研究了制漿工藝對造紙法再造煙葉性質(zhì)的影響，煙梗采用低濃磨漿方式，添加0.147～0.21 mm的煙末，抄造的再造煙葉的松厚度和柔軟性都得到了改善；其疏松的結(jié)構(gòu)有利于煙絲充分燃燒，同時達到降焦減害的目的。丁曉麗等[7]還對煙梗纖維形態(tài)與構(gòu)造的分析，發(fā)現(xiàn)煙梗纖維長度1.0 mm以上占30%， 0.5～1.0 mm占30%，0.5 mm以下占40%，這表明煙梗纖維長度較短，煙梗適合制備機械漿或化機漿。趙德清等[8]對煙梗、煙葉碎片和煙末的化學(xué)成分與纖維形態(tài)進行研究，發(fā)現(xiàn)煙梗導(dǎo)管之間分布著較為粗短的煙梗纖維，煙梗纖維的重均長度為0.55 mm，纖維本身的長度短、強度低，決定了其成紙時強度較差。在目前生產(chǎn)中大多采用機械制漿的方式進行煙梗制漿，制得的漿料纖維分散不均勻，既存在單根纖維，又存在一定的纖維束及纖維碎片，且制漿以后不經(jīng)篩漿工序直接用于生產(chǎn)，不利于再造煙葉物理性能的改善。因此，探究適合于再造煙葉生產(chǎn)要求的煙梗制漿工藝和煙梗纖維是很有必要的。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)[9-11]，氧堿制漿能獲得較高白度和物理強度的紙漿，適合于無元素氯漂白(ECF)和全無氯漂白(TCF)，并且制漿黑液硅含量低，易于處理，是一種極具潛力的環(huán)保型制漿方法[12]。此外，經(jīng)過化學(xué)蒸煮以后所得漿料細纖維化程度較好，于再造煙葉中各類纖維之間結(jié)合力的提高有益。然而，對煙梗進行氧堿制漿的研究尚未見報道。本研究采用氧堿制漿工藝，以漿得率為考察指標(biāo)，通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化煙梗氧堿制漿的工藝條件，并通過光學(xué)顯微鏡對制備的煙梗纖維進行分析，旨在獲得較高得率的煙梗漿用于再造煙葉生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本；同時獲得性能優(yōu)良的煙梗纖維，為提高再造煙葉的加工性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑與儀器

煙梗由云南中煙再造煙葉廠提供；煙梗機械漿由昆明理工大學(xué)制漿造紙中心提供；NaOH、MgSO4，均為分析純。

氧脫罐、ZQS1-15電熱蒸煮鍋，咸陽通達輕工設(shè)備有限公司；3-1型篩漿機，Lorentzen & Wettre公司；TD6-23型瓦利打漿機，西北輕工業(yè)機械廠；Leica顯微鏡，徠卡儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 煙梗預(yù)處理及氧堿制漿 先將煙梗切成20～30 mm 的小段，然后經(jīng)篩選取出雜質(zhì)，平衡水分；稱取適量煙梗，按照質(zhì)量比1 ∶7進行熱水抽提，抽提時間為40 min/次，抽提3次，抽提溫度為70 ℃，抽出液留存?zhèn)溆?；?jīng)抽提后煙梗在ZQS1-15型電熱蒸煮鍋中進行氧堿蒸煮。

1.2.2 煙梗氧堿制漿單因素試驗 稱取絕干質(zhì)量60 g平衡水分后煙梗，在液比(煙梗比制漿體系液體質(zhì)量比)為1 ∶4.5，MgSO4用量為0.5%(以煙梗絕干質(zhì)量計)，蒸煮升溫時間為90 min，氧壓為0.6 MPa的實驗條件下，分別改變堿用量、保溫溫度、保溫時間進行單因素蒸煮試驗，漿料經(jīng)過洗滌、篩漿及平衡水分后，計算不同條件下煙梗氧堿制漿的細漿得率。

1.2.3 煙梗氧堿制漿響應(yīng)面優(yōu)化 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取對煙梗細漿得率影響較為顯著的水平，利用Minitab軟件根據(jù)Box-Behnken設(shè)計響應(yīng)面分析試驗，并對數(shù)據(jù)進行分析。

1.3 分析方法

1.3.1 細漿得率計算 細漿得率按以下公式計算：

1.3.2 顯微結(jié)構(gòu)分析 將煙梗機械漿和氧堿漿疏解成質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為0.05%的懸浮液，用吸管取0.5 mL 懸浮液于載玻片上并用赫氏染色劑進行染色，制片后觀察纖維顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙梗氧堿制漿的單因素試驗結(jié)果

2.1.1 堿用量的影響 在保溫溫度100 ℃、保溫時間60 min 條件下，堿用量(以NaOH計)對細漿得率的影響見圖1(a)。

從圖1(a)可以看出：隨著堿用量的增加，煙梗氧堿細漿的得率逐漸升高，當(dāng)堿用量為12%時，煙梗氧堿細漿的得率達到最高為27.65%；隨著堿用量的繼續(xù)增加，煙梗氧堿細漿得率反而減少。因為堿用量過高將會導(dǎo)致碳水化合物降解加劇，反而不利于漿料得率的增加，所以煙梗氧堿制漿堿用量為12%較適宜。

2.1.2 保溫溫度的影響 在堿用量為16%、保溫時間為60 min 條件下，保溫溫度對細漿得率的影響見圖1(b)。從圖1(b)可以看出：隨著保溫溫度的增加，煙梗氧堿細漿的得率逐漸升高，當(dāng)保溫溫度為80 ℃ 時，煙梗氧堿細漿的得率達到最高為27.00%；隨著保溫溫度的繼續(xù)增加，煙梗氧堿細漿得率反而減少。這是由于高溫促進木質(zhì)素脫除并使得纖維分離的同時，也會伴隨著碳水化合物的降解。因此，煙梗氧堿制漿保溫溫度為80 ℃較合適。

2.1.3 保溫時間的影響 在堿用量為16%、保溫溫度為110 ℃條件下，保溫時間對細漿得率的影響見圖1(c)。從圖1(c)可以看出：隨著保溫時間的增加，煙梗氧堿細漿的得率基本在22%～24%左右變化，且變化程度較小，故蒸煮保溫時間對煙梗氧堿制漿影響不大。從節(jié)約能源、節(jié)省時間考慮，保溫時間應(yīng)盡可能短，故本實驗中煙梗氧堿制漿保溫時間暫定為60 min。

圖1 不同條件對煙梗氧堿制漿細漿得率的影響Fig.1 Effects of different alkai-oxygen pulping condition on the screened pulp yield

2.2 響應(yīng)面分析優(yōu)化煙梗氧堿制漿工藝

2.2.1 響應(yīng)面分析試驗設(shè)計及結(jié)果分析 由單因素試驗可知堿用量、保溫溫度和保溫時間對于煙梗細漿得率均有一定的影響，合適的堿用量為11%～17%，保溫溫度為60～100 ℃，保溫時間為30～90 min。根據(jù)單因素試驗結(jié)果及Box-behnken設(shè)計原則，選取堿用量(X1)、保溫溫度(X2)和保溫時間(X3)3個因素，每個因素3個水平，以細漿得率(Y)為響應(yīng)值，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表1。

表1 煙梗氧堿制漿響應(yīng)面分析試驗設(shè)計及結(jié)果Table 1 Experimental design for response surface analysis and corresponding experimental data

對表1中的數(shù)據(jù)進行回歸分析，得二次多元回歸方程為：

Y=-195.913+18.753X1+1.954X2+0.4X3-0.412X12-0.005X22-0.002X32-0.076X1X2-0.010X1X3- 0.001X2X3

表2 回歸方程的方差分析Table 2 ANOVA for regression equation

由表2可知，模型的P值為0.002 8，小于0.050，表明該模型具有良好的顯著水平；且該模型的R2=0.969 3也說明回歸模型能解釋96.93%響應(yīng)值的變化。失擬項表示模型預(yù)測值與實際值不擬合的概率，反映擬合得到的模型與實驗數(shù)據(jù)的接近程度。從表2可知：模型的失擬項P值為0.219 9大于0.050，表明失擬項不顯著，表明該模型擬合較好，不需要對回歸方程進行調(diào)整。

從表2可以看出，細漿得率(Y)與堿用量(X1)、蒸煮保溫溫度(X2)、蒸煮保溫時間(X3)的關(guān)系如下：X1、X12和X1X2的P值分別為0.006 1、 0.001 1和0.000 4，均小于0.01，表明這些參數(shù)影響是極顯著的；同時參數(shù)X22、X32的P值分別為0.014 6、 0.045 1均小于0.050，說明這些參數(shù)影響顯著；而X2、X3、X1X3、X2X3的P值分別為0.353 7、 0.207 1、 0.157 7和0.293 3均大于0.050，表明這些參數(shù)影響不顯著。

2.2.2 響應(yīng)曲面分析 響應(yīng)面分析法的圖形是特定的響應(yīng)面(Y)與對應(yīng)因素X1、X2、X3構(gòu)成的一個三維空間在二維平面上的等高圖，每個響應(yīng)面對其中的兩個因素進行分析，另外一個因素固定在零水平。從而可以直觀地反映各因素對響應(yīng)值的影響，得到各因素在煙梗氧堿制漿過程中的相互作用[14]，回歸優(yōu)化響應(yīng)面圖見圖2。

圖2 響應(yīng)曲面圖Fig.2 Response surface plots

由圖2(a)可以看出，該等高線圖為橢圓形，曲線趨勢相對較陡，說明堿用量和溫度的交互作用對細漿得率的影響顯著；而從圖2(b)、圖2(c)可知，該等高線接近于圓形，曲線趨勢較為平緩，故堿用量和時間及溫度和時間之間的交互作用對細漿得率的影響不顯著，與表2結(jié)果一致。

2.2.3 驗證實驗 對回歸方程進行分析可得最佳工藝條件為：X1=15.42，X2=73.91，X3=42.97。將X1～X3代入回歸方程，可得Y=29.48%。為了對預(yù)測結(jié)果進行驗證，考慮到實際操作的便利性，將最佳工藝條件修正為：堿用量15.5%、溫度75℃、時間45 min，進行3次重復(fù)實驗，細漿得率的平均值為29.35%，與預(yù)測值29.48%相差0.44%，證實了模型的有效性。

2.3 煙梗纖維的顯微結(jié)構(gòu)分析

將瓦力打漿機制備的煙梗機械漿和2.2.3節(jié)最佳工藝條件下制備的煙梗氧堿漿分別制片用于纖維顯微結(jié)構(gòu)觀察分析，纖維顯微結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 煙梗機械漿和氧堿漿纖維顯微鏡圖Fig.3 Microscope pictures of mechanical pulp and oxygen alkali pulp fiber for tobacco stem

從圖3(a)和(b)可以看出，煙梗經(jīng)過機械打漿后，纖維的分絲帚化程度不好，大多還以纖維束的形式存在，纖維表面也比較粗糙，這會影響纖維間的結(jié)合，從而導(dǎo)致再造煙葉的物理強度較差。從圖3(c)和(d)可以看出，煙梗經(jīng)過氧堿制漿后，纖維的分絲帚化程度較好，纖維表面也比較光滑，纖維既細且長，兩端尖削；此外，從圖中還可以看出，煙梗原料由纖維細胞、導(dǎo)管細胞和薄壁細胞組成。導(dǎo)管細胞有螺旋狀、環(huán)紋狀等；薄壁細胞數(shù)量很多，且形狀各異，此類細胞腔大壁薄，均成扁塌狀，在打漿過程中極易打碎，影響成紙強度及形態(tài)穩(wěn)定性[15]，進而影響再造煙葉的結(jié)合性能。故制定合理的打漿方式是保證再造煙葉強度及其穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

3 結(jié) 論

3.1 在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過Box-behnken響應(yīng)面分析優(yōu)化煙梗氧堿制漿工藝。結(jié)果表明：堿用量及堿用量和溫度之間的交互作用對煙梗細漿得率影響極顯著，得到較優(yōu)的工藝條件為：堿用量15.5%、保溫溫度75 ℃、保溫時間45 min，在此條件下細漿得率為29.35%。

3.2 通過分析對比煙梗機械漿與煙梗氧堿漿纖維的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，煙梗經(jīng)過機械打漿后，纖維的分絲帚化程度不好，大多仍以纖維束的形式存在，纖維表面也比較粗糙；而煙梗經(jīng)過氧堿制漿后，纖維的分絲帚化程度較好，纖維表面也比較光滑，纖維既細且長，兩端尖削，且煙梗中非纖維細胞很多。

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Optimization of Cooking Conditions for Tobacco Stem Pulping Using an Alkali-oxygen Process

ZHAO Jintao1, CHEN Keli1, LIU Weijuan2, TAO Wenmei2

(1.Chemical Engineering College,Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;2.Yunnan Reascend Tobacco Technology(Group)Co.,Ltd., Kunming 650106, China)

The alkali-oxygen pulping for tobacco stem were optimized in present study. Based on the results of single factor screening experiments, the impacts of alkali dosage, pulping temperature and holding time on screened pulp yield were analyzed by using the Box-Behnken experimental design and the response surface methodology. The results showed that the pulp yield was significantly affected by the alkali dosage and cooking temperature. The optimum pulping was realized as the tobacco stem was treated by 15.5% alkali dosage (on basis of tobacco stem mass) at 75 ℃ for 45 min . The screened pulp yield of tobacco stem alkali-oxygen pulping was 29.35% under these conditions, which was closed to the predictive value. By contrasting the microscopic structure of fibers of alkali-oxygen tobacco stem pulp and mechanical one, it was found that the former was well fibrillated, smoother, thinner and longer fibers with tapered ends were observed. In addition, much more non-fibrous cells were involved in the cooked tobacco stem pulp.

tobacco stem; alkali-oxygen pulping; fiber; response surface analysis

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.01.017

2016- 05-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(21276119)

趙金濤(1989— )，男，云南玉溪人，碩士生，主要從事輕工產(chǎn)品制造技術(shù)的研究

*通訊作者：陳克利，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事清潔制漿技術(shù)、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與利用的研究；E-mail：chenkelikami@163.com。

TQ35

A

0253-2417(2017)01- 0129- 06

趙金濤，陳克利，劉維涓，等.響應(yīng)面分析法優(yōu)化煙梗氧堿制漿工藝[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(1)：129-134.