Plackett-Burman和Box-Behnken实验优化茶渣吸水树脂的制备工艺*

王淑培，张 静，郭巧真，吴玉琼，赵泰霞，傅新征

(武夷学院茶与食品学院，福建 武夷山 354300)

我国作为茶叶发源地，是世界上最大的茶业生产国与消费国，2018年全国茶叶种植面积达289.9万公顷，干毛茶总产量264万吨[1]。随着人们对生活品质要求的提高以及保健养生意识的逐渐增强，我国茶叶的产量还将继续提升。茶叶在加工成茶饮料、速溶茶，提取茶多酚、茶多糖等产品的过程中，会产生大量的茶渣，只有少量用于生产有机肥等低附加值产品，绝大部分被作为废弃物直接掩埋，不仅造成资源浪费，增加处理成本，还影响到生态环境安全[2-3]。

高吸水性树脂是一种新型高分子聚合物材料，具有吸水能力强及保水性能优的特点，被广泛用于农林[4]、园艺[5]、食品[6]、医药[7]、建筑[8]、环境治理[9]及日用品[10]等领域。根据合成原料不同，高吸水树脂分为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树脂，天然高分子吸水树脂具有无毒、无污染及可降解等特点，越来越成为人们研究的重点。

本文以茶渣为原料，通过碱化、醚化以及交联反应，添加少量高岭土制备茶渣吸水树脂，扩展茶渣的综合利用，实现了废弃物的再利用。在考察8个单因素的基础上，通过Plackett-Burman实验设计筛选影响茶渣吸水树脂的显著因素，采用Box-Behnken 响应面实验优化并预测了茶渣吸水树脂的最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

茶梗：购自武夷山市；冰乙酸(AR)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(AR)、高岭土(CP)、甲醇(AR)，上海展云化工有限公司；氯乙酸(AR)，西亚试剂有限公司；浓盐酸(AR)，国药集团化学试剂有限公司；NaOH(AR)，西陇化工股份有限公司；无水乙醇(AR)，三明市三圆化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

KQ-600KDE型低速离心机，安微中科佳科学仪器有限公司；SB5200DTD超声波清洗机，宁波新芝生物科技股份有限公司；DHG-9075A型电热恒温鼓风干燥箱，上海慧泰仪器制造有限公司；V-1100D紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；FW80型高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；DHP-9082电热恒温培养箱，上海慧泰仪器制造有限公司；HH-4型数显恒温水浴锅，国华电器有限公司；SHB-III循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 茶渣吸水树脂制备方法

准确称取2.00 g茶渣(茶渣在85 ℃条件下烘干90 min，粉碎成粉，过100目晒)，加入85%的酒精15 mL作为分散剂，加入NaOH溶液20 mL，用保鲜膜封口静止放置8～10 h，超声30 min，加入醚化剂氯乙酸，55 ℃超声反应40 min后取出，边搅边向反应器中加入交联剂N,N-亚甲基双丙烯胺，并加入0.08 g的高岭土起支撑凝胶结构，55 ℃超声反应60 min后取出，用冰乙酸调节pH到7，装入离心管进行离心，12000 r/min离心10 min，沉淀物质加水洗涤、离心5 min，重复三次，将沉淀物用乙醇洗涤，抽滤，放入恒温干燥箱内烘干至恒重，用研钵磨碎，过100目筛，得到高吸水树脂。

1.3.2 单因素实验方法

按1.3.1小节的方法，分别单独考察超声功率(W)、醚化剂用量(g)、交联剂用量(g)、高岭土用量(g)、pH、超声醚化时间(min)、超声交联时间(min)、NaOH质量分数(%)对茶渣吸水树脂性能的影响。

1.3.3 Plackett-Burman实验设计

根据单因素实验结果，通过Plackett-Burman实验对影响茶渣制备吸水性树脂的8个因素进行筛选，确定显著性影响因素，对8个因素分别选取1、-1高低两水平，Plackett-Burman实验因素和水平设计见表1。

表1 Plackett-Burman实验设计因素及水平

1.3.4 Box-Benhnken Design实验设计

表2 Box-Benhnken Design实验设计因素及水平表

根据Plackett-Burman实验结果，选取对吸水树脂吸水倍率影响最大的交联剂用量、超声交联时间与NaOH溶液浓度3个因素作为进一步优化的因素，做三因素三水平响应面分析实验，响应面实验因素及水平见表2。

1.3.5 凝胶吸水能力测定

吸水倍率是指树脂吸水后与吸水前的质量差与吸水前质量的比，用Q(g·g-1)表示，称取0.1 g茶渣吸水树脂装入三角瓶中，加入100 mL蒸馏水，过24 h后用滤袋过滤多余的水分，并沥干，称量吸水后的重量，根据式(1)进行计算：

(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 结果与讨论

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 超声功率对树脂吸水倍率的影响

图1所示是超声功率对吸水树脂吸水倍率的影响，随着超声功率的增加，吸水树脂的吸水倍率先增大后减少，在超声功率300 W 时，吸水倍率达到最大值31.66 g·g-1。可能是因为随着超声功率的增大，超声空化产生的微射流冲击作用加强，对茶渣的形态结构和超微结构的改变程度增加，提高了可及度和化学反应性能[12]；但当功率升高到300 W之后，外力过大，使茶渣中的成分受到一定的程度的破坏，以致吸水倍率呈下降趋势。

图1 超声功率对吸水倍率的影响

2.1.2 醚化剂用量对树脂吸水倍率的影响

图2 醚化剂用量对吸水倍率的影响

由图2可知，随着醚化剂用量的增大吸水树脂的吸水倍率逐渐增加，当醚化剂用量为0.5 g时，树脂的吸水倍率达到最高值35.04 g·g-1，继续增大醚化剂用量，树脂吸水倍率增大不再明显。这可能是由于随着醚化剂用量的增大，茶渣醚化反应增加，达到一定最佳取代度后，继续增大醚化剂用量，树脂的吸水倍率也不再增加。

2.1.3 交联剂用量对树脂吸水倍率的影响

由图3可以看出，在一定范围内，随着交联剂的用量增大，树脂的吸水倍率增大，交联剂用量在0.06 g时，树脂的吸水倍率最高，达到了40.37 g·g-1，交联剂的用量超过0.06 g，树脂的吸水倍率反而降低。这是因为交联剂影响吸水树脂三维网络结构的形成[13]，增大交联剂用量可提高交联密度，树脂三维网络结构完整度增大，吸水倍率随之升高；交联剂用量过多时，聚合物空间网络结构紧密且弹性降低，溶胀度下降，进而使树脂吸水倍率下降。

图3 交联剂用量对吸水倍率的影响

2.1.4 高岭土用量对树脂吸水倍率的影响

由图4可知，高岭土用量对树脂吸水倍率的影响先升高后降低，高岭土用量为0.08 g时，树脂吸水倍率最高，可达28.48 g·g-1，当加高岭土的用量超过0.08 g时，吸水倍率反而降低。这是因为茶渣中有效成分与适量的高岭土在交联作用下形成复合物，高岭土是起到支撑树脂网络结构的作用，适量的高岭土会使茶渣树脂的网络结构更加完整，吸水倍率增高；过量的高岭土可能会破坏树脂本身的网络空间结构，导致茶渣吸水树脂吸水倍率下降。

图4 高岭土用量对吸水倍率的影响

2.1.5 pH对树脂吸水倍率的影响

图5是pH值对树脂吸水倍率的影响，在pH<6时，吸水树脂润胀度较低，吸水倍率较低。原因是决定茶渣树脂吸水倍率的-COONa基团，在过酸条件下以-COOH形式存在，链间斥力小，所以树脂吸水倍率低。在酸性条件下，吸水倍率与溶液的pH成正比，随着pH的增大，吸水倍率上升，这是因为溶液的pH值增大，溶液中的-COOH基团逐渐向-COO-转变，这样使树脂的网络空间结构增大，吸水倍率上升。树脂结构增大到一定程度会呈接近饱和状态，结构内外渗透压差逐渐减小，当渗透压达平衡时，吸水能力趋于稳定。从图5中可以看出pH=6～7之间，树脂的吸水倍率上升的最快，pH值为7时，树脂的吸水倍率最高。若再继续增高溶液pH值，吸水倍率迅速下降，是由于碱性基团和Na+浓度增加，同性离子之间产生排斥力，分子溶胀，茶渣树脂吸水倍率迅速降低。

图5 pH对树脂吸水倍率的影响

2.1.6 超声醚化时间对树脂吸水倍率的影响

如图6所示，随着超声醚化时间的增加，在30～40 min之间，吸水树脂的吸水倍率随着时间增加随之升高，在超声醚化时间为40 min吸水倍率达到最大值31.08 g·g-1，超过40 min后，茶渣树脂的吸水倍率随着时间延长迅速下降。可能是由于所制备的水树脂是N,N-亚甲基双丙烯酰胺和羟甲基纤维素醚化交联产物，而醚化的主要作用是在纤维素表层形成取代度低的交联结构，当醚化时间为40 min时的取代度正好能得出最佳的吸水倍率，而后随着时间的延长，取代度增加过高，反而使吸水倍率降低。

图6 超声醚化时间对吸水倍率的影响

2.1.7 超声交联时间对树脂吸水倍率的影响

图7 超声交联时间对吸水倍率的影响

由图7可知，在一定范围内随着时间的增加树脂的吸水倍率也随之升高。当交联时间为50 min时吸水倍率在达到最高值为37.27 g·g-1，继续增加茶渣树脂的交联时间，吸水倍率迅速下降。超声交联反应是为了更进一步形成良好的网状空间结构，在30～50 min的交联时间，随着时间的增加，茶渣树脂逐渐形成较完整的网络空间结构，即吸水性树脂的倍率随时间的增加而增大。但若继续增加交联时间，导致茶渣树脂形成的交联网络空间过密，不利于树脂的吸水性，即树脂的吸水倍率迅速下降。

2.1.8 NaOH溶液浓度对树脂吸水倍率的影响

图8 氢氧化钠溶液浓度对吸水倍率的影响

如图8所示，随着NaOH溶液浓度的增加，树脂的吸水倍率先增大后降低，当NaOH溶液质量分数为35%时，茶渣树脂的吸水倍率最高。这可能是因为在低浓度时，随着碱液的增加，对茶渣木质素、半纤维素的破坏程度增加，并降低纤维素的结晶度[14]，更有利于后续反应的进行，故而茶渣树脂的吸水倍率增高；但碱液浓度过高可能导致NaOH与氯乙酸发生副反应影响主反应的进行，茶渣树脂吸水倍率降低。

2.2 Plackett-Burman实验设计结果分析

超声功率、醚化剂用量、交联剂用量、高岭土用量、pH、超声醚化时间、超声交联时间、NaOH溶液浓度8个单因素对树脂吸水倍率影响的Plackett-Burman实验设计及结果见表3。

表3 Plackett-Burman实验设计及结果

采用Design Expert8.06软件对表3中的数据进行分析，结果见表4。模型的P值为0.0233，表明模型显著；交联剂用量、超声交联时间和NaOH溶液浓度3个因素对茶渣吸水性树脂吸水倍率的影响显著。因此选取交联剂用量、超声交联时间和NaOH溶液浓度3个因素，进行Box-Behnken Design实验。

表4 Plackett-Burman实验方差分析

2.3 Box-Behnken Design实验设计结果分析

2.3.1 回归模型的建立与数据分析

根据Box-Behnken Design实验原理，以茶渣吸水树脂吸水倍率为响应值进行三因素(交联剂、超声交联时间、NaOH溶液浓度)三水平响应面分析实验，实验设计及结果见表5。

表5 Box-Behnken Design实验设计及结果

通过Design-Expert8.06软件对表5的数据进行分析，实验方差分析见表6，茶渣树脂吸水倍率对3个因素的二次回归方程为：

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实验方差分析

2.3.2 各因素之间响应面交互作用的分析

各因素交互作用三维曲面图和等高线图见图9～图11，三维曲面平缓表示所选因素对响应值影响较小，曲面越陡表示因素对响应值影响越大；在等高线图中，曲线离中心越近，响应值越大，等高线若呈圆形，表明两个自变量间的交互效应较弱，等高线越扁平表示两因素交互作用越显著[16]。由图9～图11可知，交联剂用量与NaOH溶液浓度曲线较陡，说明交联剂用量与NaOH溶液浓度对茶渣吸水树脂吸水倍率影响显著；AB等高线呈椭圆形，表明交联剂用量与超声交联时间两因素交互作用显著；AC等高线较圆，表明交联剂用量与NaOH溶液浓度两因素交互作用显著；BC等高线呈椭圆形，表明超声交联时间与NaOH溶液浓度两因素交互作用显著。各个三维曲面都呈凸面，模型在实验范围内有最大值。

图9 超声交联时间与交联剂用量对树脂吸水倍率影响的响应面图和等高线图

图10 NaOH溶液浓度与交联剂用量对树脂吸水倍率影响的响应面图和等高线图

图11 NaOH溶液浓度与超声交联时间对树脂吸水倍率影响的响应面图和等高线图

2.4 验证实验

通过响应面实验预测最佳条件为：交联剂用量为0.06 g，超声交联时间为52 min，NaOH溶液质量分数35%，茶渣吸水树脂理论吸水倍率为44.77 g·g-1，在此条件下重复5组验证实验，茶渣吸水树脂的吸水倍率平均值为43.78 g·g-1，与预测值的相对误差为2.21%，实际值与预测值接近。

3 结 论

在考察超声功率、醚化剂用量、交联剂用量、高岭土用量、pH、超声醚化时间、超声交联时间、NaOH溶液浓度8个单因素实验基础上，利用Plackett-Burman实验筛选出对显著影响茶渣吸水树脂吸水倍率的3个因素：交联剂用量、超声交联时间、NaOH溶液浓度；采用Box-Behnken Design响应面实验方法，建立了制备茶渣吸水树脂的二次多项式数学模型，经显著性检验分析，可用此模型预测茶渣吸水树脂的吸水倍率，最佳工艺条件为：交联剂用量0.06 g，超声交联时间52 min，NaOH溶液质量分数35%，模型预测得到最高吸水倍率为44.77 g·g-1，验证实验实际测量值为43.78 g·g-1，与预测值的相对误差为2.21%，吻合度较高，实验设计合理可靠。