采用响应面法优化旧报纸的裂褶菌粗酶液脱墨

2012-11-21黄彩霞赵德清陈继伟

中国造纸 2012年5期

关键词：白度实验设计用量

黄彩霞赵德清陈继伟

(1．广东省造纸研究所，广东广州，510300;2．华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

采用响应面法优化旧报纸的裂褶菌粗酶液脱墨

黄彩霞1赵德清2陈继伟1

(1．广东省造纸研究所，广东广州，510300;2．华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

利用裂褶菌 (Schizophyllum Commune)在限氮培养条件下产生的粗酶液对旧报纸进行脱墨，采用响应面法中的Box-Behnken实验设计，对影响脱墨的主要因素酶用量、温度和pH值进行优化，得到了用于预测脱墨浆有效残余油墨浓度 (ERIC值)和白度值的数学模型。模型方差分析和响应面曲线分析表明，pH值对裂褶菌粗酶液脱墨效果的影响最为显著。优化结果显示，当酶用量0．20 IU/g、温度52．5℃和pH值6．5时，脱墨浆有效残余油墨浓度最低，为208．0 mg/kg;当酶用量0．24 IU/g、温度52．2℃和pH值6．5时，脱墨浆白度最高，为53．3%。验证实验证明了模型优化的准确性。

响应面法;裂褶菌;粗酶液;脱墨

酶法脱墨技术是利用酶的生物化学作用进行脱墨，能较好地解决环境污染和废纸质量下降等问题，通常使用最多的是纤维素酶和半纤维素酶［1-3］，且脱墨工艺多采用添加一种酶进行。将多种酶混合共同作用于废纸脱墨是目前的研究热点。

裂褶菌 (Schizophyllum commune Fr．)又称白参、树花，隶属于真菌门 (Eumycophyta)，担子菌纲(Basidiomycetes)，伞菌目 (Agaricales)，裂褶菌科(Schizophyllaceae)，裂褶菌属 (Schizophyllum)［4］，它是一种珍贵的食药两用真菌。裂褶菌发酵培养时不仅可产生具有抗肿瘤活性的裂褶胞外多糖，同时还产生一些重要的酶。有研究表明，裂褶菌在特定的培养条件下可产生纤维素酶、纤维二糖脱氢酶［5-7］、聚木糖酶［8-10］、酯酶［11］、锰过氧化物酶［12］等，这些酶共存于裂褶菌发酵培养所得到的粗酶液中，其中纤维素酶和聚木糖酶均可用于旧报纸的脱墨，但利用裂褶菌粗酶液对旧报纸进行脱墨的研究尚未见报道。

响应面法是一种利用数理统计知识，通过数学建模和分析，评估多个自变量单独和同时对因变量影响的方法，其主要目标是利用模型优化因变量的响应［13］。响应面曲线法的优点在于能从最少的实验次数中获得最多的信息，其数学模型如式 (1)所示。

式中，Xi和Xj表示自变量，Y表示响应变量，β0、βi、βii和 βij为方程的系数，Xi、X2i和XiXj分别代表因素的线性影响、平方影响和因素间的协同影响。

本实验利用裂褶菌在限氮培养条件下产生的含有纤维素酶和聚木糖酶的粗酶液对旧报纸进行脱墨，在单因素实验的基础上，采用响应面法中的Box-Behnken实验设计，对影响脱墨的主要因素酶用量、温度和pH值进行优化，进一步考察裂褶菌对旧报纸的脱墨效果，旨在为废纸浆生物酶脱墨提供一种新的思路。

1 实验

1.1 原料

菌种:裂褶菌 (Schizophyllum commune GIM5．44)，购于广东省微生物菌种保藏中心。废纸:8#美废与国产旧报纸按质量比2∶1混合。

1.2 培养基

斜面培养基:20%马铃薯汁1 L、葡萄糖20 g/L、KH2PO43 g/L、MgSO4·7H2O 1．5 g/L、VB10．01 g/L、琼脂20 g/L、pH值6。

限氮培养基:0．1 g/L VB110 mL，1．5 mmol藜芦醇，BI微量元素溶液70 mL，0．1 mol/L丁二酸二甲酯(pH值4．2)100 mL或0．1 mol/L乳酸-乳酸钠缓冲液(pH值4．2)100 mL，葡萄糖10 g/L，酒石酸铵0．2 g/L，KH2PO42．0 g/L，CaCl20．1 g/L，MgSO4·7H2O 0．5 g/L。

BI微量元素溶液:MgSO4·7H2O 3 g/L，MnSO4·H2O 0．5 g/L，NaCl 1．0 g/L，FeSO4·7H2O 0．1 g/L，CoCl2·6H2O 0．185 g/L，CaCl20．08 g/L，ZnSO4·7H2O 0．18 g/L，CuSO4·5H2O 0．1 g/L，AlK(SO4)2·12H2O 0．01 g/L，H3BO30．01 g/L，Na2MoO4·2H2O 0．012 g/L，氨基乙酸 1．5 g/L。

1.3 仪器

SPX-150BS-Ⅱ生化培养箱，上海新苗医疗器械制造有限公司;UV-1800分光光度计，日本;CL-32L高温灭菌锅，日本ALP;HQ45B气浴恒温摇床，中科院武汉科仪厂;HH-S电热恒温水浴锅，北京市永光明医疗仪器厂;ZT13-00浮选脱墨槽，中通试验装备技术研究所;PK-3A-KWT PTI纸页成形器;Technidyne Color Touch ERIC950残余油墨测定仪，美国。

1.4 实验方法

1.4.1 菌种培养方法

将裂褶菌接种于斜面培养基上，在培养箱中28℃下培养3～4天，用无菌水洗入三角烧瓶中，用匀浆器打匀成碎菌丝片段，吸取40 mL移至装有400 mL限氮培养基的 1000 mL锥形瓶中，置于 28℃、130 r/min恒温摇床上振荡培养7天，形成大小一致的菌丝球悬浮液。菌丝球悬浮液于高速冷冻离心机上离心10 min(5000 r/min，4℃)，取上清液，即为粗酶液。

1.4.2 酶活测定

纤维素酶和聚木糖酶的酶活测定分别按GB/T 23881—2009和GB/T 23874—2009进行。粗酶液中聚木糖酶酶活166．75 IU/mL，纤维素酶酶活22．15 IU/mL。

1.4.3 粗酶液处理废纸浆及浮选脱墨

称取180 g废纸浆，与粗酶液在聚乙烯密封袋中充分混合后置于恒温水浴锅中加热，每15 min揉搓一次，使浆料与酶液混合均匀，充分反应，反应一定时间后取出进行浮选脱墨。对照样是以醋酸-醋酸钠缓冲溶液替代粗酶液，其他条件同粗酶液浮选脱墨。

浮选条件:浆浓0．8%，时间10 min，室温。浮选后将脱墨浆进行洗涤、抄片。

1.4.4 分析检测

有效残余油墨浓度 (ERIC值)采用近红外反射测定法，在Technidyne Color Touch ERIC950残余油墨测定仪上进行测定，并同时测得脱墨浆白度。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

首先进行了裂褶菌粗酶液脱墨的单因素实验，实验结果表明［14］，裂褶菌产粗酶液用于旧报纸脱墨的较佳工艺条件为:pH值6．5，温度60℃，酶用量0．3 IU/g，反应时间1．5 h，其中pH值、温度和酶用量是影响脱墨效果的主要因素。在此优化工艺条件下，与对照样相比，粗酶液脱墨浆的ERIC值下降了95．7 mg/kg，白度提高了3．5个百分点。

为了进一步考察工艺因素对脱墨效果的影响以及因素间的协同效应，采用响应面实验设计方法对酶用量、反应温度和pH值进行优化，利用Design Expert Version 8．0．5b(Stat-Ease，Inc)软件，采用 Box-Behnken实验设计方案，以酶用量 (X1)、反应温度(X2)和pH值 (X3)为自变量，以酶液处理后脱墨浆的ERIC值 (Y1)和白度值 (Y2)为响应变量，进行三因素三水平的响应面实验设计。根据单因素实验结果，确定响应面实验设计中酶用量的中心点为0．6 IU/g，步长为0．4 IU/g;反应温度的中心点为50℃，步长为10℃;pH值的中心点为5．5，步长为1。实验设计的变量与取值如表1所示。

表1 裂褶菌产粗酶液脱墨过程影响因素的取值范围

2.2 Box-Behnken实验

根据Box-Behnken实验设计方案，考察3个自变量时需要进行17组实验，为了减少系统误差，从实验设计的标准次序中随机抽取，进行了实验序号重排，实验设计及结果见表2。

表2 Box-Behnken实验设计与结果

从表2可知，通过改变酶用量、温度和pH值，脱墨浆的ERIC值在200～260 mg/kg之间变化，白度在50%～54%之间变化。不同的因素组合下，脱墨效果差异较大。最佳的脱墨条件为4#实验 (以实验序号计，下同):酶用量0．2 IU/g，温度50℃，pH值6．5，在此条件下脱墨浆的ERIC值为209．7 mg/kg，白度为53．2%。当pH值为4．5时 (11#实验，酶用量0．2 IU/g、温度50℃、pH 值4．5)，与 4#实验相比，脱墨浆ERIC值上升41．5 mg/kg，白度下降2．4个百分点，可见随着pH值由6．5降为4．5，裂褶菌粗酶液的脱墨效果明显下降。从表2还可以看出，2#与5#实验、3#与17#实验、9#与16#实验脱墨效果的对比均显示了同样的规律，即在粗酶液用量和反应温度不变的条件下，提高反应体系的pH值可以改善粗酶液的脱墨效果。由此可见，与酶用量和反应温度两个因素相比较，pH值是脱墨效果的显著影响因素。

2.3 模型建立及显著性分析

利用Design Expert软件，按照式 (1)对表2中数据进行拟合，得到了表示脱墨后ERIC值 (Y1)和白度 (Y2)的回归方程，分别为:

式 (2)和式 (3)即为以酶用量 (0．2～1．0 IU/g)、温度 (40～60℃)和 pH 值 (4．5～6．5)为自变量时，ERIC值和白度的预测模型。图1和图2分别为ERIC值和白度的模型预测值与实验值的对应关系。从图1～图2可见，ERIC值预测值与实验值吻合较好。

图1 ERIC值模型预测值与实验值的关系

图2 白度模型预测值与实验值的关系

为了说明以上两个模型的有效性，分别对其进行方差分析，ERIC值预测模型的方差分析如表3所示。

表3 ERIC值预测模型的方差分析

从表3可以看出，ERIC值预测模型［式 (2)］的F检验值为82．20，p值＜0．0001，说明该模型是显著的。同时，对模型的缺适性进行检验，p值=0．2481，p值＞0．1，缺适性不显著，说明模型满足预期假设。因此，该模型在统计上是可行的。通过回归分析可知，模型的系数R2值高达0．9906，表明该模型与实际情况拟合得很好，99．06%的实验数据的可变性可用此模型解释。模型中各项的方差分析表明，X3、X22、X23是模型中的显著项 (p值＜0．05)，其中pH值对因变量ERIC值影响显著 (p值＜0．0001)。

表4为白度预测模型［式 (3)］的方差分析，同样，其模型的F检验值为22．63，p值=0．0002，p值＜0．0001，模型缺适性的 p值 =0．4543，p值＞0．1也说明了该模型在统计上的有效性。在对因变量白度的影响上，X3、X22、X23都起显著作用 (其p值均＜0．05)，其中 pH值对白度值影响显著 (p值＜0．0001)。模型的R2=0．9668，说明模型具有较好的预测性。

表4 白度预测模型的方差分析

2.4 响应面曲线分析

图3和图4分别是根据白度和ERIC值的数学模型固定其中一个自变量而作出的三维响应面曲线图，直观地表示出了酶用量、反应温度和pH值3个因素对粗酶液脱墨效果的影响。

从图3(a)可以看出，温度对粗酶液脱墨浆白度的影响大于酶用量的影响。脱墨浆白度随酶用量的增加，变化幅度不明显，但温度从40℃上升到60℃时，表现出先升高后降低的趋势。这可能是因为在一定的温度范围内，提高温度可以加快催化反应速度，但较高温度又会引起酶的变性，导致酶活性降低，反应速度下降。因此存在一个最优温度值使粗酶液中两种酶的综合活性最高，协同作用最强，脱墨浆白度最高。图3(b)为酶用量和pH值对脱墨浆白度的影响，随pH值的升高，脱墨浆白度急剧升高，而酶用量的增加并没有引起白度太大幅度的变化。图3(c)为温度和pH值对脱墨浆白度的影响，可以看出pH值对脱墨效果的影响是最为显著的，提高pH值对脱墨浆白度的改善较为显著。

从图4可以看出，pH值对脱墨浆ERIC值的影响最大，是显著影响因素，表现为曲线较陡;酶用量和温度的影响较小，表现为曲线相对较平。因此选择合适的pH值，对获得较佳的脱墨效果尤为重要。

2.5 脱墨过程影响因素的优化及模型验证

利用Design Expert软件中的优化工具，对模型式(2)和式 (3)中的各因素进行优化，得到温度、酶用量和pH值的最佳组合，以使旧报纸脱墨浆的ERIC值和白度达到最佳，优化结果如表5所示。

表5 脱墨影响因素的优化取值

从表5可以看出，当酶用量0．20 IU/g、温度52．5℃、pH 值 6．5时，脱墨浆 ERIC 值最低为208．0 mg/kg;当酶用量 0．24 IU/g、温度 52．2℃、pH值6．5时，脱墨浆白度最高为53．3%。利用上述优化条件进行验证实验，实验值和模型预测值的对比如表6所示。由表6可见，优化条件下实验所得的脱墨浆ERIC值和白度与模型的预测值非常接近，表明模型 (2)和模型 (3)可以准确地预测裂褶菌粗酶液旧报纸脱墨工艺，模型预测具有较高的准确性。

表6 优化条件下实验值与模型预测值的对比

3 结论

利用响应面法中的Box-Benhnken实验设计对旧报纸裂褶菌粗酶液脱墨过程的3个影响因素 (酶用量、温度和pH值)进行优化，通过数据拟合和回归分析，得到了用于预测脱墨浆有效残余油墨浓度(ERIC)值和白度的预测模型，方差分析证明模型在统计上是显著有效的。模型的方差分析和响应面曲线分析表明，pH值对脱墨效果的影响最为显著。

利用Design Expert软件对ERIC值和白度预测模型中的因素进行优化，得到使响应变量达到最佳的工艺条件分别为:当酶用量0．20 IU/g、温度52．5℃、pH 值 6．5时，脱墨浆 ERIC 值最低为208．0 mg/kg;当酶用量 0．24 IU/g、温度 52．2℃、pH值6．5时，脱墨浆白度最高为53．3%。验证实验证明了模型优化的准确性。

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Optimization of Schizophyllum Commune Deinking of Waste Newspaper by Response Surface Methodology

HUANG Cai-xia1，*ZHAO De-qing2CHEN Ji-wei1
(1．Guangdong Paper Industrial Research Institute，Guangzhou，Guangdong Province，510300;2．State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640)
(*E-mail:ruochenbb@hotmail．com)

The deinking of waste newspaper with the crude enzymes produced by Schizophyllum commune in nutrient nitrogen limited culture medium was studied．Box-Behnken design in Response Surface Methodology was employed to optimize the main factors including enzymes dosage，temperature and pH which influence the deinking result，and two mathematic models were proposed to predict the effective residual ink concentration(ERIC)and brightness of the pulp．The experiment results showed that pH had more obvious influence on Schizophyllum Commune deinking．The lowest ERIC of the pulp 208．0 mg/kg was reached while the deinking parameters were as follows:enzymes dosage 0．20 IU/g，temperature 52．5℃ and pH 6．5．When enzymes dosage，temperature and pH were 0．24 IU/g，52．2℃ and 6．5 respectively，the brightness of the pulp peaked at 53．3%ISO．Comparing the experimental data and predicted date，the models were confirmed to be of high precision．

response surface methodology;Schizophyllum Commune;crude enzymes;deinking