紙中1，2-苯并異噻唑基-3（2H）-酮含量萃取過程試驗設計

張晨夕，杜顯生，陳丹丹

（牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司，黑龍江 牡丹江 157013）

異噻唑啉酮是一種高效殺菌劑，廣泛應用于造紙生產中抑制漿料的腐敗、變質。由于很多種類的紙張對微生物污染都有限量要求，因此異噻唑啉酮的添加成為生產過程控制和保證產品微生物指標合格的一種有效途徑。但是人體直接接觸異噻唑啉酮有可能引起皮炎、過敏等反應，國家對其在食品容器和食品包裝材料等中的添加也有限量要求[1]，因此有效利用異噻唑啉酮的同時保證它的使用安全性，是特殊用途紙張企業(yè)必須要考慮的問題。

對有限量要求的有效成分進行檢測，需要基于實驗室現有檢測能力和水平進行試驗設計。隨著統(tǒng)計技術的發(fā)展，研究者在方法開發(fā)或試驗設計過程中，從開發(fā)成本和方法準確度等方面考慮，都會以試驗次數少、參數優(yōu)化準為原則來尋求最優(yōu)設計。但在實際操作中，因對響應變量有影響的可控因子和不可控因子較多，而且因子之間可能存在交互作用，因此試驗模型的建立就需要有大量的數據和繁復的運算支撐。近些年被大家熟知并廣泛應用的一些實驗設計軟件解決了這些問題。

本研究基于試驗設計（design of experiments，DOE）及響應曲面分析（response surface method，RSM）等，可有效區(qū)分關鍵因子和噪聲因子，并分析是否存在因子間交互作用及找出最佳因子水平[2]。

1 儀器與試劑

1.1 儀器

氣相色譜-質譜聯用儀（型號Clarus 680，質量范圍為1.0～1 200 amu，鉑金埃爾默儀器有限公司）；電子天平（型號MS204S，精度為0.1 mg，梅特勒-托利多國際貿易上海有限公司）；數控超聲波發(fā)生器（型號KQ-500DE，昆山超聲儀器有限公司）。

1.2 試劑

1，2-苯并異噻唑基 -3（2H）-酮（0.1 g/瓶，純度：99.5%，德國DRehrenstorferGmbH，cas號為2634-33-5）；二氯甲烷（4 L/瓶，純度為99.8%，上海安譜試驗科技有限公司）。

2 優(yōu)化試驗設計

使用質量功能展開表對設計參數進行篩選，在1，2-苯并異噻唑基-3（2H）-酮萃取過程中，篩選出4個主要參數，包括萃取溶劑選擇、萃取時間、萃取溶劑量和萃取功率，評價萃取效率高低的響應變量為加標回收率[3]。

2.1 萃取溶劑選擇

用天平稱取0.2 g空白紙樣，采用定量加標的形式進行加標回收率分析。在50 mL具塞錐形瓶中添加20 mL萃取溶劑和80 μL內標溶液，置于超聲發(fā)生器中，超聲功率選擇300 W超聲20 min，取上清液進行離心，離心后上機分析。在同樣條件下考查丙酮、正己烷、二氯甲烷分別作為萃取溶劑對1，2-苯并異噻唑基-3（2H）-酮檢測結果的影響，不同萃取溶劑的加標回收率及均值如表1所示。

表1 不同萃取溶劑的加標回收率%

對不同萃取溶劑的加標回收率繪制單值-移動極差控制圖，如圖1～3所示。對各組數據的殘差進行分析（圖4），保證方法建立的模型的誤差是獨立的，即殘差是隨機的、有代表性的、等分散的。各組數應符合正態(tài)分布（圖5），方差相等（圖6），方可進行單因子方差分析來判斷不同萃取溶劑的加標回收率是否存在差異。

圖1 丙酮溶劑的加標回收率單值移動極差控制圖

圖2 二氯甲烷溶劑的加標回收率單值移動極差控制圖

可以看到，各組數據的穩(wěn)定性較好，并無超出上、下控制線（±3σ）的情況，說明數據均來自穩(wěn)定受控的過程。如圖5所示，3種萃取溶劑的樣本量N均為10，使用Anderson-darling（AD）來檢驗數據擬合程度，數值均較小，擬合較好。正態(tài)檢驗的P值均大于0.05，各組數據均為正態(tài)，且殘差隨機、正態(tài)（圖4）。對各組數組進行等方差檢驗，方差相等的概率P值＞0.05，方差相等（圖 6）。

圖3 正己烷溶劑的加標回收率單值移動極差控制圖

圖4 不同溶劑加標回收率殘差圖

圖5 不同溶劑的加標回收率概率圖

對使用不同溶劑的加標回收率進行假設檢驗，以驗證各組數據的均值是否存在顯著性差異。我們設定原假設為各溶劑間的加標回收率無顯著性差異，備擇假設為3種溶劑中至少有1種加標回收率與其他2種存在顯著性差異。單因子方差分析結果見表2。

圖6 不同溶劑加標回收率等方差檢驗

表2 加標回收率的單因子方差分析表

如表2所示，方法建立的數學模型的決定系數R-SQ為86.31%，即總波動中由因子引起的波動占86.31%，模型較好。不同萃取溶劑的數據組間方差與同一溶劑數據的組內方差比為F，F=85.10，組間方差較大，不同溶劑的加標回收率差異較大。在95%置信水平下，原假設成立的概率接近或為零（p值為0.000＜0.05），因此我們推翻原假設，接受備擇假設，3種溶劑中至少有1種加標回收率與其他2種存在顯著性差異。

單因子方差分析驗證3種溶劑的加標回收率存在顯著性差異，計算每種溶劑的加標回收率平均值和標準差，如表3所示。選擇加標回收率高、標準差相對較小的二氯甲烷作為萃取溶劑。

2.2 萃取過程DOE摸索試驗設計

表3 加標回收率的均值和標準差分析

將萃取時間、萃取功率和萃取溶劑量進行2k+4全因子試驗，試驗共進行12次，可安排3個參數在低、高2個水平上的所有組合，參數及參數水平如表4所示。

因試驗均在相同條件下進行，所以并未進行區(qū)組化處理。隨機化處理試驗順序，試驗順序見表5中“實際試驗順序”列，“中心點”列中“是”代表此次試驗為中心點試驗，將測得的加標回收率試驗結果填至最后一列。

表4 萃取過程參數及參數水平設置

對表5試驗結果進行分析，試驗結果的殘差符合正態(tài)性及隨機性要求（圖7），除考慮各參數對加標回收率的影響之外，還應考慮參數之間交互作用的影響，交互作用包括二階交互作用和三階交互作用。交互作用及分析結果如表6所示。

表5 全因子試驗表

表6中，“效應”代表各參數取不同水平的均值之差，數值越大對加標回收率的影響越顯著。“T”值為進行T檢驗時，不同水平各“項”的均值與總體均值之差與平均值標準差之比，衡量各“項”影響的大小。在95%置信水平下，“P”值大于等于0.05代表參數對加標回收率的影響不顯著，若小于0.05，則對加標回收率有顯著影響。因此，萃取溶劑量，萃取時間和萃取溶劑量的交互作用，萃取時間、萃取功率和萃取溶劑量的三階交互作用影響都不顯著，可以將這幾項進行簡化。

圖7 加標回收率殘差圖

表6 摸索試驗因子分析表

表7為摸索試驗方差分析表。

從表7的方差分析可看到，3參數的交互作用P＞0.05，對加標回收率的影響不顯著。另外從表6的“中心點”項和表7的“彎曲”項的“P”值來看，我們建立的試驗模型是非線性的，存在彎曲。后續(xù)在精簡后，我們將用非線性的模型對試驗進行擬合。

2.3 精簡后的萃取過程DOE試驗設計

對影響不顯著項進行逐項刪除（非同時刪除，需看刪除后的模型是否變差），不再單獨研究它們對加標回收率的影響，而是將它們列入殘差里進行分析。精簡后，萃取時間、萃取功率以及它們的二階交互作用都是顯著的，“中心點”項或“彎曲”項也是顯著的，說明模型非線性。

2.4 響應曲面設計摸索試驗

因在上述分析過程中發(fā)現擬合的模型是非線性的，所以使用響應曲面進行進一步的分析來獲得因子的最佳水平。試驗設計及結果見表10。

對響應曲面設計結果進行分析，結果如表11所示。

表7 摸索試驗方差分析表

表8 精簡后試驗因子分析表

表9 精簡后試驗方差分析表

表10 響應曲面試驗表

從表11的P值可看出，萃取溶劑量、萃取溶劑量的二次項、萃取時間和萃取功率的交互作用、萃取時間和萃取溶劑量的交互作用、萃取溶劑量和萃取功率的交互作用都是不顯著的。

表11 響應曲面設計因子分析表

表12為響應曲面設計摸索試驗方差分析表。

由表12可看到，模型的線性、平方和失擬都是顯著的，模型存在失擬現象，需要進行優(yōu)化，參數間交互作用不顯著。

表12 響應曲面設計摸索試驗方差分析表

2.5 響應曲面設計精簡試驗

表13為響應曲面設計因子分析。對不顯著項逐項進行精簡，精簡后的數據方差分析結果如表14所示。所有項都是顯著的，模型的失擬項不再顯著，說明精簡后模型可用。

表13 響應曲面設計因子分析表

表14 精簡后響應曲面設計方差分析表

對數據繪制曲面圖和等值線圖，見圖8和圖9。

由圖8和圖9可看到模型為曲面模型，且在萃取時間為24～48 min、萃取功率為110～450 W時，加標回收率可達到90%以上。

圖8 響應曲面設計曲面圖

圖9 響應曲面設計等值線圖

用響應優(yōu)化器對參數取值進行優(yōu)化，在萃取時間取40 min，萃取功率取250 W時，加標回收率為100.272 1，符合合意性為0.972 79，此時為擬合得到的參數的最優(yōu)水平，萃取溶劑量因影響不顯著，可取有利于試驗進行的20 mL。

2.6 驗證試驗

按照萃取時間40 min、萃取功率250 W和萃取溶劑量為20 mL的參數水平，使用不含BIT的空白紙張以定量加標的形式進行驗證，結果見表15。

由表15可見，低、中、高含量的加標回收率分別為92.9%、95.4%、90.8%。

3 結論

圖10 響應優(yōu)化器

表15 方法驗證數據表

在對紙中BIT組分含量進行測試的過程中，萃取過程的試驗優(yōu)化可以分成幾個步驟：對萃取溶劑選擇這個參數，可直接固定其他參數水平，然后進行單因子方差分析，選擇加標回收率的均值最大、標準差最小的二氯甲烷進行萃?。黄溆嗟膮颠M行全因子試驗設計，在摸索試驗后精簡對加標回收率影響不顯著的參數及參數間的交互作用，因擬合的模型為非線性模型，使用響應曲面設計及響應優(yōu)化器選擇參數的最佳水平，分別為萃取時間40 min，萃取功率250 W，因萃取溶劑量影響不顯著，可在10～30 mL根據經驗取方便實際操作的值，本試驗為更好地浸入試樣，萃取溶劑量取20 mL。按上述參數水平進行驗證試驗，低、中、高含量試樣的加標回收率均大于90%。