響應面試驗優(yōu)化木醋液精制中乳化液膜的制備工藝

朱志勇，趙彥巧*，李建穎，于小夢

（天津商業(yè)大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134）

響應面試驗優(yōu)化木醋液精制中乳化液膜的制備工藝

朱志勇，趙彥巧*，李建穎，于小夢

（天津商業(yè)大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134）

采用乳化液膜法對酸棗殼木醋液進行脫酚，以煤油為膜溶劑，研究表面活性劑種類及體積分數(shù)、載體磷酸三丁酯（tributylphosphate，TBP）體積分數(shù)、內(nèi)相NaOH溶液濃度和油內(nèi)比對乳液穩(wěn)定性及木醋液脫酚效果的影響，并以脫酚率為響應值，利用響應面法對乳化條件進行優(yōu)化。結(jié)果表明：在表面活性劑T154體積分數(shù)8%、TBP體積分數(shù)3%、內(nèi)相NaOH溶液濃度0.6 mol/L、油內(nèi)比5∶4（V/V）條件下，4 500 r/min乳化20 min，所制乳液穩(wěn)定性良好，木醋液脫酚率達55.31%。

乳化液膜；木醋液；精制；破乳率；脫酚率

木醋液別名植物酸，是一種重要的生物質(zhì)化學產(chǎn)品，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)[1-2]、醫(yī)藥[3-4]、食品[5-6]、化妝品等行業(yè)。但由于粗制木醋液中的成分復雜，含有焦油、酚類、苯以及苯的衍生物等成分[7-9]，且部分化學成分易氧化、聚合而變色，致使粗制木醋液不能直接應用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)。因此，需對木醋液進行精制[10]。常用的木醋液精制方法有：靜置分離法、蒸餾法、低溫冷凍解凍法、有機溶劑萃取法、多層過濾法、膜過濾法等。王海英等[11]研究發(fā)現(xiàn)，木醋液靜置6 個月以上才可以作為植物生長調(diào)節(jié)劑使用；柏明娥等[12]研究發(fā)現(xiàn)，不同靜置階段，竹醋液中總有機物含量減少，總酸含量降低。由此可見，靜置分離法雖簡單易行，精制效果好，但是需要時間長。Nagata等[13]采用三步升溫法，首先 快速升溫到98 ℃，收集溫度低于98 ℃的餾分；然后緩慢升溫到103 ℃，此時餾分是有效木醋液；最后再快速升溫，收集高于103 ℃的餾分。樸哲等[14]研究發(fā)現(xiàn)，三步升溫法雖可以有效去除木醋液中對生物體有害成分，但會造成部分原始木醋液成分的消失，且工藝繁瑣，要求操作細致，成本較高。Kamano[15]通過低溫條件下的溫度變化來澄清木醋液，隨著溫度的下降，木醋液的流動性降低，木焦油等以顆粒狀沉淀下來，直至不再沉降為止，然后再緩慢升溫，進行解凍，用多層濾紙過濾得到精制的木醋液。該方法避免了蒸餾和溶劑萃取過程造成的熱變質(zhì)或一些揮發(fā)物質(zhì)的損失，但此方法的低溫需要維護和保持。Isham等[16]采用高沸點有機溶劑（異丙基苯異丙基醚）對木醋液中的苯酚等物質(zhì)進行萃取回收。而鮮見采用乳化液膜法精制木醋液的報道。乳化液膜分離技術是20世紀60年代由美國科學家黎念之首次提出的[17]，之后Cussler[18]又成功研究了有流動載體的乳狀液膜。乳化液膜萃取過程是一種非平衡傳質(zhì)過程，與溶劑萃取相比，液膜的非平衡傳質(zhì)優(yōu)點為傳質(zhì)推動力大，所需分離級數(shù)少[19]，試劑消耗量少[20]，溶質(zhì)“逆其濃度梯度傳遞”的效應[21]。與固體膜相比，液膜的優(yōu)點為傳質(zhì)速率高[22]、選擇性好[23]。本實驗將采用響應面法優(yōu)化液膜制備工藝，探究乳化液膜制備條件對木醋液脫酚率的影響，為拓展木醋液在食品、醫(yī)藥行業(yè)的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酸棗殼木醋液 天津維生生物能源科技服務有限公司；航空煤油、磷酸三丁酯（tributylphosphate，TBP）天津福晨化學試劑廠；Span80 天津市博迪化工股份有限公司；雙烯基丁二酰亞胺（T154）、高氮聚異丁烯丁二酰亞胺（HT154） 錦州百特化工有限公司；液體石蠟天津市德恩化學試劑有限公司；4-氨基安替吡啉、鐵氰化鉀（均為分析純） 天津市贏達稀貴化學試劑廠；氯化銨（分析純） 天津市天大化工實驗廠；氫氧化鈉、氨水、無水乙醇（均為分析純） 天津市風船化學試劑科技有限公司；純水為實驗室自制。

1.2 儀器與設備

AUY-220電子分析天平、UV-2600型紫外-可見分光光度計 日本島津公司；WB2000頂置式電動攪拌器德國Wiggens公司；JRJ300-SH數(shù)顯剪切乳化攪拌機上海標本模型廠；SK5210LHC超聲波清洗器 上?？茖С晝x器有限公司；SpectraMax M5多功能酶標儀美國Molecular Devices公司。

1.3 方法

1.3.1 木醋液的預處理

采用梯度降溫法對粗制木醋液進行預處理。取粗制木醋原液于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，在（0.01±0.005） MPa、（65±2）℃條件下蒸餾至無液滴流出；把所得蒸餾液于（0.01±0.005） MPa、（55±2）℃條件下進行二次蒸餾，得到澄清無色木醋液。

1.3.2 木醋液總酚含量測定

采用四氨基安替吡啉染色法測定木醋液中總酚含量[24]。

1.3.3 乳化液膜制備及穩(wěn)定性測定

在室溫條件下，選用煤油為膜溶劑，液體石蠟為膜穩(wěn)定劑，分別以T154、HT154和Span80為表面活性劑，TBP為載體，按一定體積比混合，超聲5～10 min至表面活性劑完全溶解，在1 500 r/min條件下均質(zhì)5 min，緩慢加入膜內(nèi)相NaOH溶液，上調(diào)轉(zhuǎn)速至4 500 r/min進行制乳。以破乳率評定液膜的穩(wěn)定性，按下式計算：

式中：Vt為放置36 h后液膜的破乳量/mL；V0為具塞刻度試管中的初始液膜體積/mL。

1.3.4 乳化液膜萃取脫酚

將乳化液膜和預處理后的木醋液按體積比1∶3混合，300 r/min轉(zhuǎn)速萃取15 min，靜置分層，測定下層木醋液中酚含量并計算脫酚率。

1.3.5 響應面優(yōu)化乳化液膜制備條件

在單因素試驗基礎上，根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，選取T154體積分數(shù)、TBP體積分數(shù)、內(nèi)相NaOH溶液濃度及油內(nèi)比（V/V）4 個因素，利用Design-Expert V8.0.6.1軟件設計四因素三水平的響應面試驗，見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table1 Factors and their levels used in response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳吸收波長的測定

在300～700 nm波長范圍內(nèi)分別對四氨基安替吡啉染色后的苯酚標準溶液和木醋液進行波譜掃描，苯酚標準溶液在波長493.5 nm處有最大吸收峰，木醋液在波長492.8 nm處有最大吸收峰，故選取493 nm為最佳吸收波長。

2.2 表面活性劑種類及體積分數(shù)對乳液穩(wěn)定性的影響

圖1 表面活性劑種類及體積分數(shù)對乳液穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effects of kind and concentration of surfactant on the emulsion stability

由圖1可知，所制乳液的穩(wěn)定性均隨著表面活性劑體積分數(shù)的增大而逐漸增強。在一定范圍內(nèi)，由T154制備乳液的破乳率明顯低于由Span80、HT154制備乳液的破乳率，且T154體積分數(shù)達到4%以后，破乳率逐漸趨于穩(wěn)定。表面活性劑體積分數(shù)低于4%時，3 種表面活性劑所制乳液的穩(wěn)定性都較差，主要原因是表面活性劑有親水基和疏水基，定向排列以固定油水分界面，控制液膜的穩(wěn)定性[25]。當其體積分數(shù)較低時，油相與內(nèi)相界面間排列的表面活性劑量少，界面黏度小，乳化液膜容易破裂，穩(wěn)定性較差，反之亦然[26]。但表面活性劑體積分數(shù)的增大會使其在油水界面的吸附量 增大，膜相黏度增加，膜層變厚[27]，TBP在運輸過程中的傳質(zhì)阻力增大，不利于酚類的萃取。因此，綜合液膜穩(wěn)定性及傳質(zhì)阻力，本研究選取T154作為膜相的乳化劑，制乳體積分數(shù)為8%。

2.3 TBP體積分數(shù)對乳液穩(wěn)定性及脫酚效果的影響

圖2 TBP體積分數(shù)對乳液穩(wěn)定性及脫酚效果的影響Fig.2 Effects of carrier concentration on the emulsion stability and phenol removal efficiency

由圖2可知，隨著TBP體積分數(shù)的增加，乳液穩(wěn)定性逐漸增強，脫酚率總體呈遞增趨勢，主要原因是TBP體積分數(shù)較低時，隨體積分數(shù)增加，膜相中TBP分 布密度增加，運輸酚類效率增加，從而提高了脫酚率；在TBP體積分數(shù)達到3%后，脫酚率趨于平穩(wěn)，說明TBP已經(jīng)達到最佳體積分數(shù)，繼續(xù)增加時，膜相中TBP的體積分數(shù)過大，致使傳質(zhì)阻力增大，傳質(zhì)速率降低。因此，綜合膜穩(wěn)定性及脫酚效果，本研究選擇TBP體積分數(shù)為3%。

2.4 內(nèi)相NaOH溶液濃度對乳液穩(wěn)定性及脫酚效果的影響

圖3 內(nèi)相NaOH溶液濃度對乳液穩(wěn)定性及脫酚效果的影響Fig.3 Effect of internal phase NaOH concentration on the emulsion stability and phenol removal efficiency

由圖3可知，內(nèi)相NaOH溶液濃度低于0.6 mol/L時，NaOH溶液濃度對乳液穩(wěn)定性影響不大，繼續(xù)增大時，乳液穩(wěn)定性顯著降低，主要原因是堿性過強會使部分TBP和表面活性劑分子內(nèi)的酯鍵水解，膜滲透性 增強，油水相界面的性質(zhì)發(fā)生 改變，液膜穩(wěn)定性 降低[28]。內(nèi)相NaOH溶液濃度低于0.7 mol/L時，脫酚率隨NaOH溶液濃度的增大而增大，NaOH溶液作為膜內(nèi)相，在傳質(zhì)過程中起反萃取作用，在一定濃度范圍內(nèi)，NaOH溶液濃度增大會促進TBP與酚類絡合物的解離速度，傳質(zhì)推動力增大，從而促進木醋液中酚類的遷移；NaOH溶液濃度高于0.7 mol/L時，脫酚率隨NaOH溶液濃度增加而降低，主要原因是內(nèi)相溶液堿性過強致使乳液破乳率增大所致[29-30]。因此，綜合膜穩(wěn)定性及脫酚效果，本研究選擇內(nèi)相NaOH溶液濃度為0.6 mol/L。

2.5 油內(nèi)比對乳液穩(wěn)定性及脫酚效果的影響

圖4 油內(nèi)比對乳液穩(wěn)定性及脫酚效果的影響Fig.4 Effects of volume ratio of oil phase to internal phase on the emulsion stability and phenol removal efficiency

由圖4可知，乳液穩(wěn)定性隨油內(nèi)比的降低而降低，主要是由于油內(nèi)比降低，會使膜層 厚度變薄，通透能力增強，破乳率增大，穩(wěn)定性降低。油內(nèi)比5∶5時，脫酚效果最佳，主要是由于油內(nèi)比影響TBP在膜中的傳質(zhì)速度；油內(nèi)比大于5∶5時，膜層變厚，傳質(zhì)阻力增大，且內(nèi)相溶液減少，傳質(zhì)推動力降低，脫酚效果降低；而當油內(nèi)比小于5∶5時，膜層變薄，膜通透能力增強，且內(nèi)相溶液增多，致使膜穩(wěn)定性降低，乳液破乳率增大從而使得脫酚效果降低。因此，綜合膜穩(wěn)定性及脫酚效果，本研究選擇油內(nèi)比為5∶5。

2.6 響應面優(yōu)化乳化液膜制備結(jié)果

2.6.1 響應面試驗結(jié)果及方差分析

表2 響應面試驗設計及結(jié)果Table2 Experimental design in terms of actual data with response variable

對表2數(shù)據(jù)進行方差分析，由于交互項AB、AD、CD對脫酚率影響不顯著，因此采用手動優(yōu)化的方法對回歸模型進行優(yōu)化，結(jié)果見表3。

模型的二次多項回歸方程為Y=53.14－0.66A+ 1.19B－1.45C+1.73D－1.64AC－1.79BC+1.55BD－1.94A2－2.91B2－3.65C2－2.93D2。由表3可知，回歸模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P=0.214 6），R2為0.899 0，為0.833 7，說明方程對試驗擬合較好?；貧w方程各項方差分析表明，因素B2、C2、D2對木醋液脫酚率影響極顯著（P＜0.000 1），因素B、C、D、AC、BC、BD、A2對木醋液脫酚率影響顯著（P＜0.05），A、AB、AD、CD對木醋液脫酚率影響不顯著（P＞0.05）。在所選取的因素水平范圍內(nèi)，各因素對木醋液脫酚率的影響依次是D（油內(nèi)比）＞C（內(nèi)相NaOH溶液濃度）＞B（TBP體積分數(shù)）＞A（T154體積分數(shù)）。

表3 回歸模型方差分析Table3 Analysis of variance of regression model

2.6.2 因素間交互作用影響

為了進一步研究相關因素之間的交互作用，通過Design-Expert繪制響應面圖進行直觀分析，對木醋液脫酚率有交互影響的響應面分析見圖5。由圖5a可以看出，木醋液脫酚率隨T154體積分數(shù)和內(nèi)相NaOH溶液濃度的增加都是先增加后減小。T 154體積分數(shù)和內(nèi)相NaOH溶液濃度之間存在明顯的交互作用，表現(xiàn)為等高線呈橢圓形。由圖5b可以看出，隨著TBP體積分數(shù)增大，木醋液脫酚率先增大后趨于平緩；隨著內(nèi)相NaOH溶液濃度的增大，木醋液脫酚率也隨之增大，但增大到一定值后，木醋液脫酚率呈降低趨勢；且TBP體積分數(shù)和內(nèi)相NaOH溶液濃度之間存在明顯的交互作用，表現(xiàn)為等高線呈橢圓形。由圖5c可以看出，木醋液脫酚率隨TBP體積分數(shù)的增大呈上升趨勢，但增大到一定值后，木醋液脫酚率呈降低趨勢；木醋液脫酚率隨油內(nèi)比的增大先增大后減??；且兩者交互作用的響應面圖呈鐘罩形，說明TBP體積分數(shù)和油內(nèi)比交互作用顯著。

圖5 各因素交互作用對木醋液脫酚率的影響Fig.5 Response surface plots s howing the effect of various factors on the phenol removal efficiency from wood vinegar

2.6.3 最佳制乳條件的預測及驗證

應用Design-Expert V8.0.6.1對優(yōu)化后的回歸方程求解，在試驗范圍內(nèi)預測乳化液膜的最佳制備條件為表面活性劑T154體積分數(shù)7.9%、TBP體積分數(shù)3.21%、內(nèi)相NaOH溶液濃度0.57 mol/L、油內(nèi)比8∶7，此條件木醋液脫酚率理論上可達54.50%。由于實驗操作的可行性，將液膜最佳制備條件修正為表面活性劑T154體積分數(shù)8%、TBP體積分數(shù)3%、內(nèi)相NaOH溶液濃度0.6 mol/L、油內(nèi)比5∶4，此條件進行3 次平行驗證實驗，木醋液脫酚率平均值為55.31%，高出理論預測值0.81%，證實該模型的有效性。對木醋液連續(xù)2 次處理，脫酚率達到92.32%，與喬玉彥[31]采用膜技術對木醋液進行純化的揮發(fā)酚含量減少程度（95%）相當。

2.7 乳化液膜脫酚傳質(zhì)機理分析

本研究中乳化液膜選用煤油作為膜溶劑，由于煤油是飽和烷烴類的混合物，整體呈非極性；木醋液中有機酸以醋酸為主，醋酸屬于極性物質(zhì)，且多以CH3COO－的形式存在；木醋液中酚類以苯酚為主，由于苯基很大，羥基很小，極性較弱，且主要以分子形式存在；根據(jù)物性的相似相溶原理，液膜可選擇性地脫除木醋液中的酚類；且膜相中加入流動載體（TBP），TBP通過氫鍵與進入到膜相中的酚類（P）結(jié)合形成絡合物TBP·P，在膜相中TBP·P滲透擴散至膜相與內(nèi)水相界面，在堿性條件下發(fā)生解絡反應，酚類以酚鈉的形式固定在內(nèi)水相，從而使木醋液中的酚類在內(nèi)水相中被富集。

2.8 破乳方法探討

乳化液膜破乳方法的主要研究方向為在工業(yè)生產(chǎn)處理時沒有二次污染物產(chǎn)生、通用性和實用性較強、破乳各參數(shù)容易操作、破乳原材料容易獲得，且在滿足無污染、低能耗等條件下，將2 種或更多破乳方法聯(lián)合使用，達到更大程度的破乳率，是以后具有發(fā)展前景的方法[32]。目前常用的破乳方法主要有化學試劑法、加熱法、離心法、超聲法等。由于化學試劑法需加入反乳化劑，反乳化劑會影響回收后的有機相成分及再次制備的乳液對酚類的萃取效果；加熱法在加熱過程中會對有機相中的表面活性劑以及載體化學結(jié)構造成破壞等問題[28]。本實驗在后續(xù)的破乳研究中欲采用超聲-離心聯(lián)合破乳法對乳液進行破乳回收研究。

3 結(jié) 論

本實驗采用乳化液膜法對酸棗殼木醋液進行脫酚研究，以煤油為膜溶劑，在單因素試驗基礎上選擇T154體積分數(shù)、TBP體積分數(shù)、內(nèi)相NaOH溶液濃度以及油內(nèi)比4 個主要影響因素進行響應面優(yōu)化試驗，探究乳化液膜的最佳制備條件，以提高乳化液膜對木醋液脫酚效果。乳化液膜的最佳制備條件：將液體石蠟、表面活性劑T154、載體TBP及煤油按體積分數(shù)5%、8%、3%、84%混合，超聲5～10 min，內(nèi)相NaOH溶液濃度為0.6 mol/L，油內(nèi)比5∶4，于4 500 r/min乳化20 min，所制乳化液膜穩(wěn)定性良好。將上述條件所制乳液與預處理后的酸棗殼木醋液按照體積比1∶3混合，300 r/min轉(zhuǎn)速脫酚15 min，木醋液中酚類去除率達55.31%。該方法精制木醋液的優(yōu)點為乳液耐酸堿能力強，脫酚效果顯著，且操作簡單、成本低、乳液可回收再利用。

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Optimized Preparation of Emulsion Liquid Membrane and Its Application in Purification of Wood Vinegar

ZHU Zhiyong, ZHAO Yanqiao*, LI Jianying, YU Xiaomeng
(Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The removal of phenol from wood vinegar prepared from wild jujube seed shell by using emulsion liquid membrane was studied in this work. Kerosene was used as solvent to prepare emulsion liquid membrane. The effects of processing conditions including kind and concentration of surfactant, concentration of liquid carrier (tributylphosphate, TBP), internal phase concentration and volume ratio of oil phase to internal phase on the stability of the emulsion and the removal of phenol from wood vinegar were investigated and these variables were optimized by response surface methodology for improved removal rate of phenol. The use of 8% (V/V) surfactant T154 and 3% (V/V) TBP, an internal phase concentration (NaOH) of 0.6 mol/L, a volume ratio of oil phase to internal phase of 5：4 (V/V) and emulsif i cation for 20 min with stirring at4 500 r/min were found to be optimal for good emulsion stability. Under these conditions, the removal rate of phenol from wood vinegar solution was 55.31%.

emulsion membrane; wood vinegar; purif i cation; breaking rate; removal rate of phenol

10.7506/spkx1002-6630-201712028

TQ351.9

A

1002-6630（2017）12-0184-06

朱志勇, 趙彥巧, 李建穎, 等. 響應面試驗優(yōu)化木醋液精制中乳化液膜的制備工藝[J]. 食品科學, 2017, 38(12)： 184-189.

10.7506/spkx1002-6630-201712028. http：//www.spkx.net.cn

ZHU Zhiyong, ZHAO Yanqiao, LI Jianying, et al. Optimized preparation of emulsion liquid membrane and its application in purification of wood vinegar[J]. Food Science, 2017, 38(12)： 184-189. (in Chinese with English abstract) DOI：10.7506/spkx1002-6630-201712028. http：//www.spkx.net.cn

2016-07-01

天津市高?？萍及l(fā)展基金項目（140023）

朱志勇（1989—），男，碩士研究生，研究方向為食品添加劑。E-mail：118 2675759@qq.com

*通信作者：趙彥巧（1979—），女，副教授，博士，研究方向為天然產(chǎn)物的提取與分離。E-mail：yqzhao@ tjcu.edu.cn