响应面分析法优化烟梗氧碱制浆工艺

赵金涛， 陈克利*， 刘维涓， 陶文梅

(1.昆明理工大学 化学工程学院, 云南 昆明 650500；2.云南瑞升烟草技术(集团)有限公司， 云南 昆明 650106)

响应面分析法优化烟梗氧碱制浆工艺

ZHAO Jintao

赵金涛1， 陈克利1*， 刘维涓2， 陶文梅2

(1.昆明理工大学 化学工程学院, 云南 昆明 650500；2.云南瑞升烟草技术(集团)有限公司， 云南 昆明 650106)

为优化烟梗氧碱制浆工艺条件，在单因素试验基础上，通过Box-behnken响应面分析优化碱用量、保温温度和保温时间对细浆得率的影响。结果表明：碱用量及碱用量和温度之间的交互作用对烟梗细浆得率影响极显著，在较优的工艺条件(碱用量15.5%、保温温度75℃、保温时间45 min)下细浆得率为29.35%，与预测值29.48%接近。通过分析对比烟梗机械浆与烟梗氧碱浆纤维的显微结构发现，烟梗经过氧碱制浆后，纤维的分丝帚化程度较好，纤维表面也比较光滑，纤维既细且长，两端尖削，且烟梗中非纤维细胞较多。

烟梗;氧碱制浆;纤维;响应面分析

造纸法再造烟叶是将烟叶加工过程中废弃的烟梗、烟末等原料，经过浸提、浓缩、打浆、抄造、涂布等过程，制备出品质接近于天然烟叶的产品[1-3]。烟梗纤维作为再造烟叶纤维的主要成分之一，烟梗的纤维形态和成纸性能对再造烟叶的加工性能有非常重要的影响[4]，因此，研究烟梗浆料的制备和烟梗纤维的特性引起了广泛的关注。丁晓丽等[5]对烟梗纤维制浆与抄造工艺进行了研究，发现烟梗纤维长度较短，需与外加纤维配合才能抄造再造烟叶。罗冲等[6]研究了制浆工艺对造纸法再造烟叶性质的影响，烟梗采用低浓磨浆方式，添加0.147～0.21 mm的烟末，抄造的再造烟叶的松厚度和柔软性都得到了改善；其疏松的结构有利于烟丝充分燃烧，同时达到降焦减害的目的。丁晓丽等[7]还对烟梗纤维形态与构造的分析，发现烟梗纤维长度1.0 mm以上占30%， 0.5～1.0 mm占30%，0.5 mm以下占40%，这表明烟梗纤维长度较短，烟梗适合制备机械浆或化机浆。赵德清等[8]对烟梗、烟叶碎片和烟末的化学成分与纤维形态进行研究，发现烟梗导管之间分布着较为粗短的烟梗纤维，烟梗纤维的重均长度为0.55 mm，纤维本身的长度短、强度低，决定了其成纸时强度较差。在目前生产中大多采用机械制浆的方式进行烟梗制浆，制得的浆料纤维分散不均匀，既存在单根纤维，又存在一定的纤维束及纤维碎片，且制浆以后不经筛浆工序直接用于生产，不利于再造烟叶物理性能的改善。因此，探究适合于再造烟叶生产要求的烟梗制浆工艺和烟梗纤维是很有必要的。自20世纪70年代以来，国内外学者发现[9-11]，氧碱制浆能获得较高白度和物理强度的纸浆，适合于无元素氯漂白(ECF)和全无氯漂白(TCF)，并且制浆黑液硅含量低，易于处理，是一种极具潜力的环保型制浆方法[12]。此外，经过化学蒸煮以后所得浆料细纤维化程度较好，于再造烟叶中各类纤维之间结合力的提高有益。然而，对烟梗进行氧碱制浆的研究尚未见报道。本研究采用氧碱制浆工艺，以浆得率为考察指标，通过响应面分析法优化烟梗氧碱制浆的工艺条件，并通过光学显微镜对制备的烟梗纤维进行分析，旨在获得较高得率的烟梗浆用于再造烟叶生产，从而降低生产成本；同时获得性能优良的烟梗纤维，为提高再造烟叶的加工性能提供参考。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂与仪器

烟梗由云南中烟再造烟叶厂提供；烟梗机械浆由昆明理工大学制浆造纸中心提供；NaOH、MgSO4，均为分析纯。

氧脱罐、ZQS1-15电热蒸煮锅，咸阳通达轻工设备有限公司；3-1型筛浆机，Lorentzen & Wettre公司；TD6-23型瓦利打浆机，西北轻工业机械厂；Leica显微镜，徕卡仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 烟梗预处理及氧碱制浆 先将烟梗切成20～30 mm 的小段，然后经筛选取出杂质，平衡水分；称取适量烟梗，按照质量比1 ∶7进行热水抽提，抽提时间为40 min/次，抽提3次，抽提温度为70 ℃，抽出液留存备用；经抽提后烟梗在ZQS1-15型电热蒸煮锅中进行氧碱蒸煮。

1.2.2 烟梗氧碱制浆单因素试验 称取绝干质量60 g平衡水分后烟梗，在液比(烟梗比制浆体系液体质量比)为1 ∶4.5，MgSO4用量为0.5%(以烟梗绝干质量计)，蒸煮升温时间为90 min，氧压为0.6 MPa的实验条件下，分别改变碱用量、保温温度、保温时间进行单因素蒸煮试验，浆料经过洗涤、筛浆及平衡水分后，计算不同条件下烟梗氧碱制浆的细浆得率。

1.2.3 烟梗氧碱制浆响应面优化 根据单因素试验结果，选取对烟梗细浆得率影响较为显著的水平，利用Minitab软件根据Box-Behnken设计响应面分析试验，并对数据进行分析。

1.3 分析方法

1.3.1 细浆得率计算 细浆得率按以下公式计算：

1.3.2 显微结构分析 将烟梗机械浆和氧碱浆疏解成质量分数大约为0.05%的悬浮液，用吸管取0.5 mL 悬浮液于载玻片上并用赫氏染色剂进行染色，制片后观察纤维显微结构。

2 结果与分析

2.1 烟梗氧碱制浆的单因素试验结果

2.1.1 碱用量的影响 在保温温度100 ℃、保温时间60 min 条件下，碱用量(以NaOH计)对细浆得率的影响见图1(a)。

从图1(a)可以看出：随着碱用量的增加，烟梗氧碱细浆的得率逐渐升高，当碱用量为12%时，烟梗氧碱细浆的得率达到最高为27.65%；随着碱用量的继续增加，烟梗氧碱细浆得率反而减少。因为碱用量过高将会导致碳水化合物降解加剧，反而不利于浆料得率的增加，所以烟梗氧碱制浆碱用量为12%较适宜。

2.1.2 保温温度的影响 在碱用量为16%、保温时间为60 min 条件下，保温温度对细浆得率的影响见图1(b)。从图1(b)可以看出：随着保温温度的增加，烟梗氧碱细浆的得率逐渐升高，当保温温度为80 ℃ 时，烟梗氧碱细浆的得率达到最高为27.00%；随着保温温度的继续增加，烟梗氧碱细浆得率反而减少。这是由于高温促进木质素脱除并使得纤维分离的同时，也会伴随着碳水化合物的降解。因此，烟梗氧碱制浆保温温度为80 ℃较合适。

2.1.3 保温时间的影响 在碱用量为16%、保温温度为110 ℃条件下，保温时间对细浆得率的影响见图1(c)。从图1(c)可以看出：随着保温时间的增加，烟梗氧碱细浆的得率基本在22%～24%左右变化，且变化程度较小，故蒸煮保温时间对烟梗氧碱制浆影响不大。从节约能源、节省时间考虑，保温时间应尽可能短，故本实验中烟梗氧碱制浆保温时间暂定为60 min。

图1 不同条件对烟梗氧碱制浆细浆得率的影响Fig.1 Effects of different alkai-oxygen pulping condition on the screened pulp yield

2.2 响应面分析优化烟梗氧碱制浆工艺

2.2.1 响应面分析试验设计及结果分析 由单因素试验可知碱用量、保温温度和保温时间对于烟梗细浆得率均有一定的影响，合适的碱用量为11%～17%，保温温度为60～100 ℃，保温时间为30～90 min。根据单因素试验结果及Box-behnken设计原则，选取碱用量(X1)、保温温度(X2)和保温时间(X3)3个因素，每个因素3个水平，以细浆得率(Y)为响应值，响应面试验设计及结果见表1。

表1 烟梗氧碱制浆响应面分析试验设计及结果Table 1 Experimental design for response surface analysis and corresponding experimental data

对表1中的数据进行回归分析，得二次多元回归方程为：

Y=-195.913+18.753X1+1.954X2+0.4X3-0.412X12-0.005X22-0.002X32-0.076X1X2-0.010X1X3- 0.001X2X3

表2 回归方程的方差分析Table 2 ANOVA for regression equation

由表2可知，模型的P值为0.002 8，小于0.050，表明该模型具有良好的显著水平；且该模型的R2=0.969 3也说明回归模型能解释96.93%响应值的变化。失拟项表示模型预测值与实际值不拟合的概率，反映拟合得到的模型与实验数据的接近程度。从表2可知：模型的失拟项P值为0.219 9大于0.050，表明失拟项不显著，表明该模型拟合较好，不需要对回归方程进行调整。

从表2可以看出，细浆得率(Y)与碱用量(X1)、蒸煮保温温度(X2)、蒸煮保温时间(X3)的关系如下：X1、X12和X1X2的P值分别为0.006 1、 0.001 1和0.000 4，均小于0.01，表明这些参数影响是极显著的；同时参数X22、X32的P值分别为0.014 6、 0.045 1均小于0.050，说明这些参数影响显著；而X2、X3、X1X3、X2X3的P值分别为0.353 7、 0.207 1、 0.157 7和0.293 3均大于0.050，表明这些参数影响不显著。

2.2.2 响应曲面分析 响应面分析法的图形是特定的响应面(Y)与对应因素X1、X2、X3构成的一个三维空间在二维平面上的等高图，每个响应面对其中的两个因素进行分析，另外一个因素固定在零水平。从而可以直观地反映各因素对响应值的影响，得到各因素在烟梗氧碱制浆过程中的相互作用[14]，回归优化响应面图见图2。

图2 响应曲面图Fig.2 Response surface plots

由图2(a)可以看出，该等高线图为椭圆形，曲线趋势相对较陡，说明碱用量和温度的交互作用对细浆得率的影响显著；而从图2(b)、图2(c)可知，该等高线接近于圆形，曲线趋势较为平缓，故碱用量和时间及温度和时间之间的交互作用对细浆得率的影响不显著，与表2结果一致。

2.2.3 验证实验 对回归方程进行分析可得最佳工艺条件为：X1=15.42，X2=73.91，X3=42.97。将X1～X3代入回归方程，可得Y=29.48%。为了对预测结果进行验证，考虑到实际操作的便利性，将最佳工艺条件修正为：碱用量15.5%、温度75℃、时间45 min，进行3次重复实验，细浆得率的平均值为29.35%，与预测值29.48%相差0.44%，证实了模型的有效性。

2.3 烟梗纤维的显微结构分析

将瓦力打浆机制备的烟梗机械浆和2.2.3节最佳工艺条件下制备的烟梗氧碱浆分别制片用于纤维显微结构观察分析，纤维显微结构见图3。

图3 烟梗机械浆和氧碱浆纤维显微镜图Fig.3 Microscope pictures of mechanical pulp and oxygen alkali pulp fiber for tobacco stem

从图3(a)和(b)可以看出，烟梗经过机械打浆后，纤维的分丝帚化程度不好，大多还以纤维束的形式存在，纤维表面也比较粗糙，这会影响纤维间的结合，从而导致再造烟叶的物理强度较差。从图3(c)和(d)可以看出，烟梗经过氧碱制浆后，纤维的分丝帚化程度较好，纤维表面也比较光滑，纤维既细且长，两端尖削；此外，从图中还可以看出，烟梗原料由纤维细胞、导管细胞和薄壁细胞组成。导管细胞有螺旋状、环纹状等；薄壁细胞数量很多，且形状各异，此类细胞腔大壁薄，均成扁塌状，在打浆过程中极易打碎，影响成纸强度及形态稳定性[15]，进而影响再造烟叶的结合性能。故制定合理的打浆方式是保证再造烟叶强度及其稳定性的关键。

3 结 论

3.1 在单因素试验基础上，通过Box-behnken响应面分析优化烟梗氧碱制浆工艺。结果表明：碱用量及碱用量和温度之间的交互作用对烟梗细浆得率影响极显著，得到较优的工艺条件为：碱用量15.5%、保温温度75 ℃、保温时间45 min，在此条件下细浆得率为29.35%。

3.2 通过分析对比烟梗机械浆与烟梗氧碱浆纤维的显微结构发现，烟梗经过机械打浆后，纤维的分丝帚化程度不好，大多仍以纤维束的形式存在，纤维表面也比较粗糙；而烟梗经过氧碱制浆后，纤维的分丝帚化程度较好，纤维表面也比较光滑，纤维既细且长，两端尖削，且烟梗中非纤维细胞很多。

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Optimization of Cooking Conditions for Tobacco Stem Pulping Using an Alkali-oxygen Process

ZHAO Jintao1, CHEN Keli1, LIU Weijuan2, TAO Wenmei2

(1.Chemical Engineering College,Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;2.Yunnan Reascend Tobacco Technology(Group)Co.,Ltd., Kunming 650106, China)

The alkali-oxygen pulping for tobacco stem were optimized in present study. Based on the results of single factor screening experiments, the impacts of alkali dosage, pulping temperature and holding time on screened pulp yield were analyzed by using the Box-Behnken experimental design and the response surface methodology. The results showed that the pulp yield was significantly affected by the alkali dosage and cooking temperature. The optimum pulping was realized as the tobacco stem was treated by 15.5% alkali dosage (on basis of tobacco stem mass) at 75 ℃ for 45 min . The screened pulp yield of tobacco stem alkali-oxygen pulping was 29.35% under these conditions, which was closed to the predictive value. By contrasting the microscopic structure of fibers of alkali-oxygen tobacco stem pulp and mechanical one, it was found that the former was well fibrillated, smoother, thinner and longer fibers with tapered ends were observed. In addition, much more non-fibrous cells were involved in the cooked tobacco stem pulp.

tobacco stem; alkali-oxygen pulping; fiber; response surface analysis

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.01.017

2016- 05-19

国家自然科学基金资助项目(21276119)

赵金涛(1989— )，男，云南玉溪人，硕士生，主要从事轻工产品制造技术的研究

*通讯作者：陈克利，教授，博士生导师，主要从事清洁制浆技术、生物质转化与利用的研究；E-mail：chenkelikami@163.com。

TQ35

A

0253-2417(2017)01- 0129- 06

赵金涛，陈克利，刘维涓，等.响应面分析法优化烟梗氧碱制浆工艺[J].林产化学与工业，2017，37(1)：129-134.