基于RSM對(duì)纖維素酶預(yù)處理制備MFC薄膜的參數(shù)優(yōu)化

張正健，張啟蓮，陳蘊(yùn)智，李志紅

(中國輕工業(yè)食品包裝材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300222)

微纖化纖維素(microfibrillated cellulose，MFC)是一種新型纖維產(chǎn)品，呈高潤脹膠體狀．它是由Herrick等[1]和Turback等[2]在20世紀(jì)80年代通過機(jī)械力對(duì)纖維素進(jìn)行反復(fù)并且高強(qiáng)度的均質(zhì)化處理開發(fā)得到的，由于可以達(dá)到納米級(jí)尺寸，因此具有比表面積大、結(jié)晶度較高、保水值較高等優(yōu)異性質(zhì)，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和分散性[3–4]．不同于一般纖維素，MFC具有較大的抗張強(qiáng)度和楊氏模量，可以形成更加穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此利用 MFC能夠制備出的薄膜材料具有透明度高、阻隔性高、強(qiáng)度高等特點(diǎn)．并且，這種材料可生物降解、對(duì)環(huán)境無污染、原料可再生、易于回收利用[5–8]．

隨著處理技術(shù)的提高，MFC的制備方法越來越多[9]．在現(xiàn)有預(yù)處理技術(shù)中，纖維素酶預(yù)處理作為一種生物節(jié)能技術(shù)，在綠色環(huán)保、降低能耗、提高得率、改善產(chǎn)品性能等方面具有明顯優(yōu)勢，為制備出性能優(yōu)越的 MFC薄膜奠定了有利基礎(chǔ)．在整個(gè)生產(chǎn)過程中，纖維素酶預(yù)處理起著關(guān)鍵作用[10]．根據(jù)國內(nèi)外研究可知，100%,MFC薄膜具有許多優(yōu)良性質(zhì)，研究者通過各種不同的方式制備出 MFC薄膜，并對(duì)其優(yōu)異性能進(jìn)行驗(yàn)證[11–12]．

響應(yīng)曲面法(RSM)是一種根據(jù)合理設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且收集需要數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)方法．采用該法可建立連續(xù)變量曲面模型，對(duì)影響響應(yīng)值的因子及其交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定最佳水平范圍，預(yù)測得出響應(yīng)最優(yōu)值及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件．本研究以 MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察紙漿濃度、酶用量、酶處理時(shí)間對(duì)薄膜性能的影響，通過 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)，建立各種多項(xiàng)式模型并分析其有效性，對(duì)工藝條件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，旨在為 MFC薄膜制備的優(yōu)化提供參考和依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

纖維素酶，山東濰坊蘇柯漢生物公司；桉木漂白硫酸鹽漿，江蘇芬歐匯川紙業(yè)有限公司．

P40110.E000型 PFI磨，澳大利亞 Paper Testing Instruments GMBH公司；T2505型瓦利打漿機(jī)，日本KRK公司；Instron3369型萬能試驗(yàn)機(jī)，美國英思郎特公司；GJJ型高壓均質(zhì)機(jī)，上海臺(tái)馳輕工裝備有限公司．

1.2 制備方法

1.2.1 纖維素酶預(yù)處理制備MFC

桉木漂白硫酸鹽漿經(jīng)蒸餾水浸泡一定時(shí)間后，通過瓦利打漿機(jī)前打漿處理、纖維素酶預(yù)處理、PFI磨后打漿處理、高壓均質(zhì)處理，最終制得 MFC．其中調(diào)節(jié) PFI磨的打漿轉(zhuǎn)數(shù)為 3萬轉(zhuǎn)，間隙為 0.65,mm；高壓均質(zhì)的壓力為36,MPa，次數(shù)為10次．1.2.2 MFC薄膜的形成

稱取一定量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%,的 MFC，然后加入體積分?jǐn)?shù)為 0.2%,的丙三醇溶液，將 MFC和丙三醇溶液混合均勻后，緩慢倒入有機(jī)玻璃板(20,cm×20,cm)上，放入烘箱烘干后慢慢撕下，測試所得MFC薄膜的性能．

1.3 單因素實(shí)驗(yàn)

通過控制紙漿濃度、酶用量和酶處理時(shí)間在預(yù)處理制備過程中的改變量，考察單一因素對(duì) MFC薄膜性能的影響．

1.4 RSM條件優(yōu)化

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以 MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度為響應(yīng)值，采用三因素三水平的響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)方法，分別用 A、B、C來表示酶用量、酶處理時(shí)間和紙漿濃度這 3個(gè)自變量因子，自變量的高、中、低水平分別用＋1、0、-1進(jìn)行表示．

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素分析

不同因素對(duì)制備出的MFC薄膜抗拉強(qiáng)度的影響如圖1所示．

圖1 單因素對(duì)MFC薄膜抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 1 Effect of single factor on the tensile strength of MFC films

從圖 1(a)中可以看出：MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度隨紙漿濃度的增加呈不斷上升的趨勢，當(dāng)濃度為 10%,時(shí)抗拉強(qiáng)度最大．這主要是由于預(yù)處理漿濃增加，提高了單位體積的纖維素酶含量，有利于纖維細(xì)胞壁的潤脹和細(xì)纖維化以及后續(xù)高壓均質(zhì)，提高纖維之間的作用力，抗拉強(qiáng)度明顯提高[12]．由圖 1(b)可知：隨著酶用量的增加，MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度先上升后下降，當(dāng)酶用量為 10～20,U/g時(shí)可以得到抗拉性能比較好的 MFC薄膜．這是由于纖維素酶的加入有利于后期纖維的均質(zhì)，提高了纖維的細(xì)纖維化程度，增強(qiáng)了纖維的結(jié)合，加強(qiáng)了 MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度，但過高的酶含量會(huì)使纖維發(fā)生過度水解，影響纖維的自身強(qiáng)度，使 MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度有所下降．從圖 1(c)中可以看出：MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度隨酶預(yù)處理時(shí)間的增加，呈現(xiàn)先下降后上升，之后再下降的趨勢，酶處理時(shí)間為 24,h時(shí)薄膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到 70,MPa，其性能最好．這是由于酶處理時(shí)間越長，纖維的水解程度越劇烈，過度水解會(huì)使得纖維強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致MFC薄膜的強(qiáng)度降低．

2.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果及模型確定

依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)紙漿濃度、酶用量、酶處理時(shí)間三因素三水平實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的水平及編碼見表 1．基于響應(yīng)曲面方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，17組實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見表2．

表1 水平及編碼Tab. 1 Levels and codes

表2 各組實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果Tab. 2 The designs and results of the experiment

從表 3中的,F值與 P值可以看出：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的二次多項(xiàng)式模型擬合相對(duì)于線性和三次多項(xiàng)式模型來說比較顯著，在實(shí)驗(yàn)中二次多項(xiàng)式模型的可信度比較高．通過表4可以分析得到4種模型的R2和R2校正值，二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式的 R2和 R2校正值明顯高于線性和雙因素模型，并且二者相差不大，另外二次多項(xiàng)式模型的 R2預(yù)測值最大，預(yù)測殘差平方和最小．綜上所述，本實(shí)驗(yàn)選用二次多項(xiàng)式模型比較適合，將所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到以抗拉強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的回歸方程：

表3 多種模型方差分析比較Tab. 3 Analysis and comparison of variance of various models

表4 R2綜合分析Tab. 4 Synthetic analysis of R2

對(duì)表 5的方差分析可以看出：模型的 F值為35.32，P值＜0.000,1，P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于檢驗(yàn)規(guī)定的一般顯著性(0.05和 0.01)；失擬項(xiàng)的 P值為 0.052,1＞0.05，表明二次多項(xiàng)式具有較好的顯著性并且失擬不顯著，該模型的擬合度較好，實(shí)驗(yàn)誤差相對(duì)較小，可以用來對(duì) MFC薄膜抗拉強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測．相對(duì)應(yīng)由表4可以看出：二次多項(xiàng)式的預(yù)測值與真實(shí)值的相關(guān)性R2為 0.978,5，其校正值為 0.950,8，表明此模型在MFC薄膜的制備工藝過程中能夠解釋響應(yīng)值95.08%的變化，擬合程度良好．

對(duì)表5的系數(shù)項(xiàng)的P值分析可知：A、C、A2達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，AB、BC 達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，表明酶用量與紙漿濃度獨(dú)自或兩兩交互都在薄膜抗拉強(qiáng)度中起到比較顯著的效果，而酶處理時(shí)間的作用卻不明顯．在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)，綜合考慮 3個(gè)因素的二次及交互作用兩方面的影響，得出其影響MFC薄膜抗拉強(qiáng)度的順序依次為：酶用量＞紙漿濃度＞酶處理時(shí)間．

表5 二次模型方差分析Tab. 5 Variance analysis of the quadratic model

2.2.2 因素的響應(yīng)面交互作用分析

酶用量、酶處理時(shí)間和紙漿濃度之間交互作用的等高線和響應(yīng)面圖如圖2所示．由圖2(a)可以看出：酶用量是影響抗拉強(qiáng)度比較顯著的因素，在此區(qū)間內(nèi)酶處理時(shí)間的影響并不明顯，而從表 6可以看出 AB交互作用的 P值為 0.015,1，其交互作用一般．因此在紙漿濃度一定的條件下，MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度隨酶用量的增加而減小，在酶用量為 10,U/g左右時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最好．由圖 2(b)可以看出：紙漿濃度對(duì)MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度影響顯著，而在此區(qū)間內(nèi)酶用量的作用一般，從表6可以看出AC交互作用的P值很小，其交互作用很強(qiáng)．因此固定酶處理時(shí)間，薄膜的抗拉強(qiáng)度隨著紙漿濃度的增加發(fā)生的變化較大，當(dāng)濃度為 10%,左右時(shí)，MFC薄膜的抗拉性能最好．由圖2(c)可以看出：紙漿濃度對(duì)MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度具有顯著的影響，在此區(qū)間內(nèi)酶處理時(shí)間的影響不明顯，而從表6可以看出BC交互作用的P值顯著，所以兩者之間的交互作用強(qiáng)度一般．

圖2 因素交互作用的等高線和響應(yīng)曲面圖Fig. 2 Contours and response surface of the factors’ effects

表6 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Tab. 6 Significance test of regression model coefficients

2.2.3 工藝優(yōu)化

進(jìn)一步通過軟件分析計(jì)算，擬合得酶預(yù)處理的最佳條件，在酶用量 11.74,U/g、酶處理時(shí)間 24,h、紙漿濃度 10%,時(shí)，MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，即抗拉強(qiáng)度為73.61,MPa．在此條件下，對(duì)MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其值為 73.06,MPa，與預(yù)測值之間的相對(duì)偏差較小，證明響應(yīng)面法優(yōu)化得到的制備工藝條件有一定的實(shí)用意義．

3 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展與 MFC本身優(yōu)良性能的探索，MFC的制備與應(yīng)用將有望發(fā)展成為一個(gè)具有高附加值、綠色環(huán)保的新興產(chǎn)業(yè)．由于 PFI磨及高壓均質(zhì)機(jī)的性能會(huì)受到自身各種因素的影響，難以對(duì)它原本的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，因此在固定 PFI磨打漿轉(zhuǎn)數(shù)、間隙以及高壓均質(zhì)壓力、次數(shù)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面法(RSM)優(yōu)化酶解法制備 MFC工藝，以 MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度為目標(biāo)建立模型并進(jìn)行優(yōu)化分析，得到MFC薄膜的抗拉強(qiáng)度與酶用量、紙漿濃度及預(yù)處理時(shí)間的二次多項(xiàng)式關(guān)系；并通過預(yù)測優(yōu)化得到 MFC薄膜酶預(yù)處理的優(yōu)化條件為紙漿濃度 10%,、酶用量11.74,U/g、酶處理時(shí)間24,h．