Plackett-Burman和Box-Behnken實(shí)驗(yàn)優(yōu)化茶渣吸水樹脂的制備工藝*

王淑培，張 靜，郭巧真，吳玉瓊，趙泰霞，傅新征

(武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建 武夷山 354300)

我國作為茶葉發(fā)源地，是世界上最大的茶業(yè)生產(chǎn)國與消費(fèi)國，2018年全國茶葉種植面積達(dá)289.9萬公頃，干毛茶總產(chǎn)量264萬噸[1]。隨著人們對生活品質(zhì)要求的提高以及保健養(yǎng)生意識的逐漸增強(qiáng)，我國茶葉的產(chǎn)量還將繼續(xù)提升。茶葉在加工成茶飲料、速溶茶，提取茶多酚、茶多糖等產(chǎn)品的過程中，會產(chǎn)生大量的茶渣，只有少量用于生產(chǎn)有機(jī)肥等低附加值產(chǎn)品，絕大部分被作為廢棄物直接掩埋，不僅造成資源浪費(fèi)，增加處理成本，還影響到生態(tài)環(huán)境安全[2-3]。

高吸水性樹脂是一種新型高分子聚合物材料，具有吸水能力強(qiáng)及保水性能優(yōu)的特點(diǎn)，被廣泛用于農(nóng)林[4]、園藝[5]、食品[6]、醫(yī)藥[7]、建筑[8]、環(huán)境治理[9]及日用品[10]等領(lǐng)域。根據(jù)合成原料不同，高吸水樹脂分為天然高分子系列和合成高聚物系列[11]，相比于合成高聚物吸水樹脂，天然高分子吸水樹脂具有無毒、無污染及可降解等特點(diǎn)，越來越成為人們研究的重點(diǎn)。

本文以茶渣為原料，通過堿化、醚化以及交聯(lián)反應(yīng)，添加少量高嶺土制備茶渣吸水樹脂，擴(kuò)展茶渣的綜合利用，實(shí)現(xiàn)了廢棄物的再利用。在考察8個單因素的基礎(chǔ)上，通過Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選影響茶渣吸水樹脂的顯著因素，采用Box-Behnken 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化并預(yù)測了茶渣吸水樹脂的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶梗：購自武夷山市；冰乙酸(AR)、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(AR)、高嶺土(CP)、甲醇(AR)，上海展云化工有限公司；氯乙酸(AR)，西亞試劑有限公司；濃鹽酸(AR)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；NaOH(AR)，西隴化工股份有限公司；無水乙醇(AR)，三明市三圓化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ-600KDE型低速離心機(jī)，安微中科佳科學(xué)儀器有限公司；SB5200DTD超聲波清洗機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；DHG-9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上?；厶﹥x器制造有限公司；V-1100D紫外可見分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)儀器有限公司；FW80型高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；DHP-9082電熱恒溫培養(yǎng)箱，上?；厶﹥x器制造有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 茶渣吸水樹脂制備方法

準(zhǔn)確稱取2.00 g茶渣(茶渣在85 ℃條件下烘干90 min，粉碎成粉，過100目曬)，加入85%的酒精15 mL作為分散劑，加入NaOH溶液20 mL，用保鮮膜封口靜止放置8～10 h，超聲30 min，加入醚化劑氯乙酸，55 ℃超聲反應(yīng)40 min后取出，邊攪邊向反應(yīng)器中加入交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯胺，并加入0.08 g的高嶺土起支撐凝膠結(jié)構(gòu)，55 ℃超聲反應(yīng)60 min后取出，用冰乙酸調(diào)節(jié)pH到7，裝入離心管進(jìn)行離心，12000 r/min離心10 min，沉淀物質(zhì)加水洗滌、離心5 min，重復(fù)三次，將沉淀物用乙醇洗滌，抽濾，放入恒溫干燥箱內(nèi)烘干至恒重，用研缽磨碎，過100目篩，得到高吸水樹脂。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)方法

按1.3.1小節(jié)的方法，分別單獨(dú)考察超聲功率(W)、醚化劑用量(g)、交聯(lián)劑用量(g)、高嶺土用量(g)、pH、超聲醚化時間(min)、超聲交聯(lián)時間(min)、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)對茶渣吸水樹脂性能的影響。

1.3.3 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)對影響茶渣制備吸水性樹脂的8個因素進(jìn)行篩選，確定顯著性影響因素，對8個因素分別選取1、-1高低兩水平，Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平

1.3.4 Box-Benhnken Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 Box-Benhnken Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平表

根據(jù)Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取對吸水樹脂吸水倍率影響最大的交聯(lián)劑用量、超聲交聯(lián)時間與NaOH溶液濃度3個因素作為進(jìn)一步優(yōu)化的因素，做三因素三水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素及水平見表2。

1.3.5 凝膠吸水能力測定

吸水倍率是指樹脂吸水后與吸水前的質(zhì)量差與吸水前質(zhì)量的比，用Q(g·g-1)表示，稱取0.1 g茶渣吸水樹脂裝入三角瓶中，加入100 mL蒸餾水，過24 h后用濾袋過濾多余的水分，并瀝干，稱量吸水后的重量，根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Q——吸水倍率，g·g-1

m1——吸水前重量，g

m2——吸水24 h后的重量，g

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 超聲功率對樹脂吸水倍率的影響

圖1所示是超聲功率對吸水樹脂吸水倍率的影響，隨著超聲功率的增加，吸水樹脂的吸水倍率先增大后減少，在超聲功率300 W 時，吸水倍率達(dá)到最大值31.66 g·g-1。可能是因?yàn)殡S著超聲功率的增大，超聲空化產(chǎn)生的微射流沖擊作用加強(qiáng)，對茶渣的形態(tài)結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)的改變程度增加，提高了可及度和化學(xué)反應(yīng)性能[12]；但當(dāng)功率升高到300 W之后，外力過大，使茶渣中的成分受到一定的程度的破壞，以致吸水倍率呈下降趨勢。

圖1 超聲功率對吸水倍率的影響

2.1.2 醚化劑用量對樹脂吸水倍率的影響

圖2 醚化劑用量對吸水倍率的影響

由圖2可知，隨著醚化劑用量的增大吸水樹脂的吸水倍率逐漸增加，當(dāng)醚化劑用量為0.5 g時，樹脂的吸水倍率達(dá)到最高值35.04 g·g-1，繼續(xù)增大醚化劑用量，樹脂吸水倍率增大不再明顯。這可能是由于隨著醚化劑用量的增大，茶渣醚化反應(yīng)增加，達(dá)到一定最佳取代度后，繼續(xù)增大醚化劑用量，樹脂的吸水倍率也不再增加。

2.1.3 交聯(lián)劑用量對樹脂吸水倍率的影響

由圖3可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著交聯(lián)劑的用量增大，樹脂的吸水倍率增大，交聯(lián)劑用量在0.06 g時，樹脂的吸水倍率最高，達(dá)到了40.37 g·g-1，交聯(lián)劑的用量超過0.06 g，樹脂的吸水倍率反而降低。這是因?yàn)榻宦?lián)劑影響吸水樹脂三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[13]，增大交聯(lián)劑用量可提高交聯(lián)密度，樹脂三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整度增大，吸水倍率隨之升高；交聯(lián)劑用量過多時，聚合物空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密且彈性降低，溶脹度下降，進(jìn)而使樹脂吸水倍率下降。

圖3 交聯(lián)劑用量對吸水倍率的影響

2.1.4 高嶺土用量對樹脂吸水倍率的影響

由圖4可知，高嶺土用量對樹脂吸水倍率的影響先升高后降低，高嶺土用量為0.08 g時，樹脂吸水倍率最高，可達(dá)28.48 g·g-1，當(dāng)加高嶺土的用量超過0.08 g時，吸水倍率反而降低。這是因?yàn)椴柙杏行С煞峙c適量的高嶺土在交聯(lián)作用下形成復(fù)合物，高嶺土是起到支撐樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用，適量的高嶺土?xí)共柙鼧渲木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加完整，吸水倍率增高；過量的高嶺土可能會破壞樹脂本身的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致茶渣吸水樹脂吸水倍率下降。

圖4 高嶺土用量對吸水倍率的影響

2.1.5 pH對樹脂吸水倍率的影響

圖5是pH值對樹脂吸水倍率的影響，在pH<6時，吸水樹脂潤脹度較低，吸水倍率較低。原因是決定茶渣樹脂吸水倍率的-COONa基團(tuán)，在過酸條件下以-COOH形式存在，鏈間斥力小，所以樹脂吸水倍率低。在酸性條件下，吸水倍率與溶液的pH成正比，隨著pH的增大，吸水倍率上升，這是因?yàn)槿芤旱膒H值增大，溶液中的-COOH基團(tuán)逐漸向-COO-轉(zhuǎn)變，這樣使樹脂的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)增大，吸水倍率上升。樹脂結(jié)構(gòu)增大到一定程度會呈接近飽和狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)外滲透壓差逐漸減小，當(dāng)滲透壓達(dá)平衡時，吸水能力趨于穩(wěn)定。從圖5中可以看出pH=6～7之間，樹脂的吸水倍率上升的最快，pH值為7時，樹脂的吸水倍率最高。若再繼續(xù)增高溶液pH值，吸水倍率迅速下降，是由于堿性基團(tuán)和Na+濃度增加，同性離子之間產(chǎn)生排斥力，分子溶脹，茶渣樹脂吸水倍率迅速降低。

圖5 pH對樹脂吸水倍率的影響

2.1.6 超聲醚化時間對樹脂吸水倍率的影響

如圖6所示，隨著超聲醚化時間的增加，在30～40 min之間，吸水樹脂的吸水倍率隨著時間增加隨之升高，在超聲醚化時間為40 min吸水倍率達(dá)到最大值31.08 g·g-1，超過40 min后，茶渣樹脂的吸水倍率隨著時間延長迅速下降。可能是由于所制備的水樹脂是N,N-亞甲基雙丙烯酰胺和羥甲基纖維素醚化交聯(lián)產(chǎn)物，而醚化的主要作用是在纖維素表層形成取代度低的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)醚化時間為40 min時的取代度正好能得出最佳的吸水倍率，而后隨著時間的延長，取代度增加過高，反而使吸水倍率降低。

圖6 超聲醚化時間對吸水倍率的影響

2.1.7 超聲交聯(lián)時間對樹脂吸水倍率的影響

圖7 超聲交聯(lián)時間對吸水倍率的影響

由圖7可知，在一定范圍內(nèi)隨著時間的增加樹脂的吸水倍率也隨之升高。當(dāng)交聯(lián)時間為50 min時吸水倍率在達(dá)到最高值為37.27 g·g-1，繼續(xù)增加茶渣樹脂的交聯(lián)時間，吸水倍率迅速下降。超聲交聯(lián)反應(yīng)是為了更進(jìn)一步形成良好的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，在30～50 min的交聯(lián)時間，隨著時間的增加，茶渣樹脂逐漸形成較完整的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，即吸水性樹脂的倍率隨時間的增加而增大。但若繼續(xù)增加交聯(lián)時間，導(dǎo)致茶渣樹脂形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)空間過密，不利于樹脂的吸水性，即樹脂的吸水倍率迅速下降。

2.1.8 NaOH溶液濃度對樹脂吸水倍率的影響

圖8 氫氧化鈉溶液濃度對吸水倍率的影響

如圖8所示，隨著NaOH溶液濃度的增加，樹脂的吸水倍率先增大后降低，當(dāng)NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時，茶渣樹脂的吸水倍率最高。這可能是因?yàn)樵诘蜐舛葧r，隨著堿液的增加，對茶渣木質(zhì)素、半纖維素的破壞程度增加，并降低纖維素的結(jié)晶度[14]，更有利于后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行，故而茶渣樹脂的吸水倍率增高；但堿液濃度過高可能導(dǎo)致NaOH與氯乙酸發(fā)生副反應(yīng)影響主反應(yīng)的進(jìn)行，茶渣樹脂吸水倍率降低。

2.2 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

超聲功率、醚化劑用量、交聯(lián)劑用量、高嶺土用量、pH、超聲醚化時間、超聲交聯(lián)時間、NaOH溶液濃度8個單因素對樹脂吸水倍率影響的Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。

表3 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用Design Expert8.06軟件對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。模型的P值為0.0233，表明模型顯著；交聯(lián)劑用量、超聲交聯(lián)時間和NaOH溶液濃度3個因素對茶渣吸水性樹脂吸水倍率的影響顯著。因此選取交聯(lián)劑用量、超聲交聯(lián)時間和NaOH溶液濃度3個因素，進(jìn)行Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)。

表4 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)方差分析

2.3 Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

2.3.1 回歸模型的建立與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)原理，以茶渣吸水樹脂吸水倍率為響應(yīng)值進(jìn)行三因素(交聯(lián)劑、超聲交聯(lián)時間、NaOH溶液濃度)三水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表5。

表5 Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

通過Design-Expert8.06軟件對表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)方差分析見表6，茶渣樹脂吸水倍率對3個因素的二次回歸方程為：

Q=42.61-2.98A-0.60B+4.15C-2.41AB+0.27AC+1.95BC-8.24A2-4.95B2-2.38C2

表6 Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)方差分析

2.3.2 各因素之間響應(yīng)面交互作用的分析

各因素交互作用三維曲面圖和等高線圖見圖9～圖11，三維曲面平緩表示所選因素對響應(yīng)值影響較小，曲面越陡表示因素對響應(yīng)值影響越大；在等高線圖中，曲線離中心越近，響應(yīng)值越大，等高線若呈圓形，表明兩個自變量間的交互效應(yīng)較弱，等高線越扁平表示兩因素交互作用越顯著[16]。由圖9～圖11可知，交聯(lián)劑用量與NaOH溶液濃度曲線較陡，說明交聯(lián)劑用量與NaOH溶液濃度對茶渣吸水樹脂吸水倍率影響顯著；AB等高線呈橢圓形，表明交聯(lián)劑用量與超聲交聯(lián)時間兩因素交互作用顯著；AC等高線較圓，表明交聯(lián)劑用量與NaOH溶液濃度兩因素交互作用顯著；BC等高線呈橢圓形，表明超聲交聯(lián)時間與NaOH溶液濃度兩因素交互作用顯著。各個三維曲面都呈凸面，模型在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)有最大值。

圖9 超聲交聯(lián)時間與交聯(lián)劑用量對樹脂吸水倍率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖10 NaOH溶液濃度與交聯(lián)劑用量對樹脂吸水倍率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖11 NaOH溶液濃度與超聲交聯(lián)時間對樹脂吸水倍率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)預(yù)測最佳條件為：交聯(lián)劑用量為0.06 g，超聲交聯(lián)時間為52 min，NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%，茶渣吸水樹脂理論吸水倍率為44.77 g·g-1，在此條件下重復(fù)5組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，茶渣吸水樹脂的吸水倍率平均值為43.78 g·g-1，與預(yù)測值的相對誤差為2.21%，實(shí)際值與預(yù)測值接近。

3 結(jié) 論

在考察超聲功率、醚化劑用量、交聯(lián)劑用量、高嶺土用量、pH、超聲醚化時間、超聲交聯(lián)時間、NaOH溶液濃度8個單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)篩選出對顯著影響茶渣吸水樹脂吸水倍率的3個因素：交聯(lián)劑用量、超聲交聯(lián)時間、NaOH溶液濃度；采用Box-Behnken Design響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方法，建立了制備茶渣吸水樹脂的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)分析，可用此模型預(yù)測茶渣吸水樹脂的吸水倍率，最佳工藝條件為：交聯(lián)劑用量0.06 g，超聲交聯(lián)時間52 min，NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%，模型預(yù)測得到最高吸水倍率為44.77 g·g-1，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)際測量值為43.78 g·g-1，與預(yù)測值的相對誤差為2.21%，吻合度較高，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理可靠。