薯渣再生纖維素及薯渣纖維素接枝丙烯酸的優(yōu)化

譚屬瓊，黃可，劉雄*，謝勇武

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

甘薯渣中纖維素含量高達(dá)25 %左右，是纖維素的良好來源。然而天然木質(zhì)纖維中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互結(jié)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(tài)結(jié)構(gòu)使纖維素中的羥基難以被其他化學(xué)試劑所觸及[1]，使其開發(fā)和利用受到了很大的限制。傳統(tǒng)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(yīng)用于食品、醫(yī)療、紡織等行業(yè)[6-9]。為降低纖維素的結(jié)晶度，提高其純度及反應(yīng)活性，本研究采用堿/尿素/硫脲水溶劑體系協(xié)同超聲波輔助作用對微細(xì)化薯渣纖維素的溶解性能進(jìn)行研究。以薯渣再生纖維素得率為考察指標(biāo)，首先通過單因素試驗(yàn)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(yàn)得出薯渣再生纖維素的最優(yōu)制備工藝。

常見的纖維素化學(xué)改性方法主要有酯化反應(yīng)、醚化反應(yīng)和接枝共聚等。接枝共聚是將纖維素作為接枝點(diǎn)，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(cè)鏈上引入各種基團(tuán)如羧基(—COOH)、氨基(—NH2)和各種螯合基團(tuán)進(jìn)而提供多個重金屬結(jié)合位點(diǎn)[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(tuán)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(yīng)用于吸附性材料、紡織、化工等行業(yè)[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(cè)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(tuán)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(qiáng)吸附能力活性官能團(tuán)的性質(zhì)，是一種優(yōu)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(yīng)單體，利用Plackett-Burman(PB)設(shè)計和中心組合旋轉(zhuǎn)設(shè)計(CCD)考察反應(yīng)產(chǎn)物接枝率來得到纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物的最優(yōu)制備工藝，為后續(xù)的金屬離子吸附研究提供理論依據(jù)。

1 材料及儀器

1.1 材料與試劑

甘薯渣,城口縣久益農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司提供；α-淀粉酶,北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)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(xué)品有限公司；氮?dú)?重慶興業(yè)氣體有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ 3200DB型數(shù)控超聲波清洗儀，昆山市超聲儀器有限公司；HH-6型數(shù)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(jī)，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(zhì)機(jī)，上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠；YC-015實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī)，上海雅程儀器設(shè)備有限公司；Alphal-4L-plus真空冷凍干燥機(jī)，德國Christ公司，以及其他實(shí)驗(yàn)室常用儀器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 薯渣纖維素再生實(shí)驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)文獻(xiàn)[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(xì)化薯渣纖維素(粒徑20～40 nm)，即甘薯渣經(jīng)膠體磨細(xì)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(jié)合堿法處理得薯渣纖維素粗粉；對粗粉進(jìn)行超微粉碎，使薯渣顆粒中更多的雜質(zhì)暴露，然后用超聲波輔助酶結(jié)合堿法提純，產(chǎn)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(jīng)噴霧干燥得微細(xì)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(biāo)，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(xì)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(xì)化薯渣纖維素)質(zhì)量，g；M1，不溶殘渣干燥質(zhì)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(xiàn)，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(shù)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(zhì)量，g；M0，薯渣纖維素粗粉(薯渣纖維素微粉、微細(xì)化薯渣纖維素)質(zhì)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(zhì)量，g；W1，酸性洗滌纖維和砂芯漏斗總質(zhì)量，g；W2，72%H2SO4處理后殘留物和砂芯漏斗總質(zhì)量，g。

1.3.1.4 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計

以薯渣再生纖維素得率為指標(biāo)，在參考資料[17-22]的基礎(chǔ)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(xì)化薯渣纖維素)、NaOH質(zhì)量濃度(6、7、8、9、10 g/L)、尿素質(zhì)量濃度(6、7、8、9、10 g/L)、硫脲質(zhì)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(jù)單因素方差分析結(jié)果得到主要的影響因素，確定其條件范圍。

1.3.1.5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)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(biāo)，進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，確定薯渣纖維素溶解再生的最佳工藝條件。正交實(shí)驗(yàn)因素水平表如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計Table 1 Design of orthogonal test factors and levels

1.3.2 纖維素接枝丙烯酸實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.3.2.1 纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物的制備

纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物反應(yīng)裝置設(shè)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(fā)溫度并加入一定比例(以纖維素質(zhì)量百分比計)的過硫酸銨(APS)引發(fā)劑引發(fā)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(zhì)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(zhì)量百分比計)的N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)。調(diào)節(jié)至一定的接枝反應(yīng)溫度，反應(yīng)一段時間后取出粗產(chǎn)物，用大量的水和無水乙醇清洗除去未反應(yīng)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(jīng)干燥至恒重，即可得到纖維素接枝丙烯酸(Cell-g-AA)產(chǎn)物。產(chǎn)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(zhì)量，g；W2，纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物的質(zhì)量，g。

1.3.2.2 纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物的反應(yīng)機(jī)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(diǎn)上形成側(cè)鏈，其推定結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 纖維素接枝丙烯酸共聚物的推定結(jié)構(gòu)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(yōu)化

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

(1)PB試驗(yàn)設(shè)計

影響丙烯酸接枝反應(yīng)的條件有很多，如引發(fā)劑用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、交聯(lián)劑用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、單體與纖維素質(zhì)量比、溫度和時間等，在參考資料[23-28]的基礎(chǔ)上，根據(jù)纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物的制備原理，以接枝率(Y)作為預(yù)測響應(yīng)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(jìn)行研究，選用包含3個虛擬變量共進(jìn)行12次試驗(yàn)的PB設(shè)計。每個因素取低水平“-1”和高水平“+1”2個水平。每次試驗(yàn)作3個平行，結(jié)果取平均值，PB試驗(yàn)設(shè)計因素水平表如表2所示。

(2)最陡爬坡試驗(yàn)

根據(jù)PB試驗(yàn)結(jié)果按照一定梯度增加引發(fā)劑用量、單體與纖維素質(zhì)量比和接枝反應(yīng)溫度(正效應(yīng))，按照一定梯度減少中和度(負(fù)效應(yīng))，其余4個顯著性較低的因素均根據(jù)其正負(fù)效應(yīng)分別取試驗(yàn)水平上下限值(引發(fā)溫度50 ℃、引發(fā)時間10 min、交聯(lián)劑用量1.0 %、接枝反應(yīng)時間3 h)，測定接枝率(Y)并根據(jù)最高響應(yīng)值確定CCD試驗(yàn)中最佳中心點(diǎn)。每次試驗(yàn)作3個平行，結(jié)果取平均值。

表2 Plackett-Burman設(shè)計因素水平表Table 2 Factors and levels for Plackett-Burman design

(3)CCD試驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)PB試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果，接枝率(Y)為響應(yīng)值進(jìn)行CCD試驗(yàn)，對纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物的制備工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。每次試驗(yàn)作3個平行，結(jié)果取平均值，CCD設(shè)計因素水平表如表3所示。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 薯渣再生纖維素結(jié)果分析

2.1.1 薯渣再生纖維素單因素結(jié)果分析

綜合分析6個單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中NaOH質(zhì)量濃度、硫脲質(zhì)量濃度和超聲波功率對纖維素得率均達(dá)到顯著水平，故以纖維素得率為參考指標(biāo)，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(xì)化薯渣纖維素)、NaOH質(zhì)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(zhì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用正交表L9(34)進(jìn)行薯渣再生纖維素工藝優(yōu)化，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，多因素方差分析見表5，均數(shù)間多重比較見表6。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)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(yīng)的纖維素得率均存在顯著性差異(P<0.05)，其中微細(xì)化薯渣纖維素A3均數(shù)最大(51.88 %)。故纖維素類型中選取A1微細(xì)化薯渣纖維素作為最優(yōu)組合；NaOH質(zhì)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(zhì)量濃度B2(9 g/L)均數(shù)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(zhì)量濃度為9 g/L，高質(zhì)量濃度的NaOH會使體系中自由水減少，易發(fā)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(dāng)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(qiáng)，會造成少量纖維素?zé)o定形區(qū)被破壞，而非結(jié)晶區(qū)破壞后的纖維素更容易在超聲作用下被細(xì)化[36]；而硫脲質(zhì)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(zhì)量濃度為C1(6 g/L)。綜上所述，最優(yōu)組合為A3B2C1D2，即纖維素種類為微細(xì)化薯渣纖維素、NaOH質(zhì)量濃度9 g/L、硫脲質(zhì)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(jié)果與分析

2.2.1 PB試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Design-Expert 8.0.6對表7中的PB試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(jié)果如表8所示。

表7 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計結(jié)果Table 7 Plackett-Burman experiment design and response values

表8 偏回歸系數(shù)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(yīng)值對應(yīng)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(yàn)結(jié)果

由公式(5)偏回歸系數(shù)可知，X1、X5、X10對接枝率的影響為正效應(yīng)，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾右l(fā)劑、單體用量，提升接枝反應(yīng)溫度可提高接枝率；而X8為負(fù)效應(yīng)，適當(dāng)降低丙烯酸中和度可以提高接枝率。本試驗(yàn)中采用4個自變量同時變化，在設(shè)定的參數(shù)數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)點(diǎn)的探索，可快速逼近接枝率最高的區(qū)域。引發(fā)劑用量、單體與纖維素質(zhì)量比、中和度、接枝反應(yīng)溫度設(shè)計步長分別為0.2、0.5、3.0和2.5，進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 最陡爬坡試驗(yàn)及結(jié)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(shí)驗(yàn)中接枝率出現(xiàn)最大值，即引發(fā)劑用量4.8%，單體與纖維素質(zhì)量比5.0，中和度78 %，接枝反應(yīng)溫度80 ℃。因此在CCD試驗(yàn)設(shè)計中，以此點(diǎn)為中心點(diǎn)0水平，引發(fā)劑用量選擇在4.4 %～5.2%，單體纖維素質(zhì)量比選擇在4～6，丙烯酸中和度選擇在72 %～84 %，接枝反應(yīng)溫度選擇在75～85 ℃。

2.2.3 CCD試驗(yàn)結(jié)果分析

在PB試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)的結(jié)果基礎(chǔ)上，確定影響纖維素接枝率的顯著因素，通過CCD實(shí)驗(yàn)設(shè)計，試驗(yàn)結(jié)果見表10，回歸模型方差分析見表11。

表10 中心組合設(shè)計及試驗(yàn)結(jié)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(shù)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(xiàng)系數(shù)影響均不顯著(P>0.05)。F值的大小反映其對試驗(yàn)指標(biāo)的重要性，F(xiàn)值越大影響越大[38]，即影響主次順序?yàn)椋簡误w∶纖維素(質(zhì)量比)>引發(fā)劑用量>接枝反應(yīng)溫度>中和度，且中和度對接枝率影響不顯著(P>0.05)。根據(jù)各項(xiàng)的回歸系數(shù)，二次多項(xiàng)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(yīng)面分析

通過回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到各因素交互作用對接枝率影響的響應(yīng)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(xiàng)對接枝率影響顯著，接枝率隨引發(fā)劑用量的增加出現(xiàn)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(yīng)也隨之增多，從而接枝率上升；當(dāng)丙烯酸濃度過高時，纖維素上的自由基數(shù)量達(dá)到飽和，使丙烯酸之間自聚反應(yīng)增多，接枝率下降，因此AB間交互作用顯著。隨著接枝反應(yīng)溫度的提高，纖維素溶脹程度增強(qiáng)，接枝反應(yīng)更容易進(jìn)行，接枝率升高；當(dāng)溫度過高時，自由基聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)向鏈終止階段導(dǎo)致丙烯酸單體自聚反應(yīng)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(yīng)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(qiáng)的相互作用會導(dǎo)致反應(yīng)的終止，此時反應(yīng)體系中鏈終止反應(yīng)為主體反應(yīng)，減少纖維素上活性中心的數(shù)目，接枝率大大降低[41]，為了獲得高接枝率產(chǎn)物，必須嚴(yán)格控制引發(fā)劑用量和接枝反應(yīng)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(zhì)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(dǎo)致接枝率降低，而在一定范圍內(nèi)增大中和度，可提高接枝反應(yīng)的單體轉(zhuǎn)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(yàn)證

選取微細(xì)化薯渣纖維素，在NaOH濃度為 9 g/L，尿素質(zhì)量濃度為8 g/L，硫脲質(zhì)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(yōu)工藝下，進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，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(yīng)面圖Fig.2 Response surfaces plots of variable parameters on grafting yield

(溶解率為65.12 %)，高于正交實(shí)驗(yàn)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(dá)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(yàn)得出的最優(yōu)工藝為：引發(fā)劑用量4.85%、丙烯酸與纖維素質(zhì)量比5.87、中和度84 %、接枝反應(yīng)溫度75.51 ℃。為適應(yīng)實(shí)際操作條件，修正工藝為：引發(fā)劑用量4.85%、丙烯酸與纖維素質(zhì)量比5.87、中和度84 %、接枝反應(yīng)溫度75.5 ℃。結(jié)合PB試驗(yàn)和CCD試驗(yàn)結(jié)果，得到纖維素接枝丙烯酸共聚物的最優(yōu)工藝條件為：引發(fā)劑用量4.85%、引發(fā)溫度50 ℃、引發(fā)時間10 min、丙烯酸與纖維素質(zhì)量比5.87、交聯(lián)劑用量1.0%、中和度84 %、接枝反應(yīng)溫度75.5 ℃、接枝反應(yīng)時間3 h。此條件下接枝率預(yù)測值為49.146 %。為驗(yàn)證回歸模型有效性，在最佳工藝條件下，平行試驗(yàn)3次，測得平均接枝率為49.024%，與預(yù)測值49.146 %接近，表明該模型可用于纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物接枝率的預(yù)測。

3 結(jié)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(xì)化薯渣纖維素)。利用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對薯渣纖維素在超聲波協(xié)同氫氧化鈉/尿素/硫脲體系中的溶解工藝進(jìn)行優(yōu)化。得到薯渣纖維素的最佳溶解條件為：選取微細(xì)化薯渣纖維素，在NaOH質(zhì)量濃度9 g/L，尿素質(zhì)量濃度8 g/L。硫脲質(zhì)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(dá)96.68 %，說明采用氫氧化鈉/尿素/硫脲溶劑體系可以實(shí)現(xiàn)對薯渣纖維素的提純。

以薯渣再生纖維素為原料，利用PB設(shè)計和CCD設(shè)計，對薯渣再生纖維素的丙烯酸接枝改性工藝進(jìn)行優(yōu)化，得纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)物的最佳制備工藝條件：引發(fā)劑用量4.85%、引發(fā)溫度50 ℃、引發(fā)時間10 min、丙烯酸與纖維素質(zhì)量比5.87、交聯(lián)劑用量1.0%、中和度84 %、接枝反應(yīng)溫度75.5 ℃、接枝反應(yīng)時間3 h，制得的纖維素接枝丙烯酸產(chǎn)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(chǔ)。