響應面分析法優化棉籽加工廢液的脫色工藝

康嘉偉，孫鵬程，張宇哲，蘇凱欣，張天宇，郭敏瑞

（石河子大學 食品學院，新疆 石河子 832000）

我國棉花年產量龐大[1]，棉籽作為棉花的重要副產物，其資源十分豐富，棉籽中含有豐富的油脂、蛋白質、棉籽糖等高營養價值的成分[2]。其中，棉籽糖是一種健康安全的功能性低聚糖，具有抗癌[3]、抗衰老[4]、降血壓[5]等功效，具有很高的市場價值[6-7]。

隨著科學技術的進步，棉籽加工企業提取棉籽油與棉籽蛋白的工藝已較為成熟，大多數企業已完成傳統高溫粕生產工藝向低溫脫酚蛋白生產工藝的轉變，但是，棉籽加工企業對棉籽進行提油、脫酚生產棉籽蛋白的過程中仍會產生大量的棉籽加工廢液[8]。該廢液呈黑色，含有棉酚、膠質、鹽類、蔗糖、棉籽糖、蛋白質等物質，由于其成分復雜、處理困難等因素，制約了棉籽加工過程中對廢液的回收利用，通常采用工業污水凈化法處理后直接排放[9]，不僅造成了棉籽糖、棉酚資源的浪費，而且對環境產生了比較嚴重的污染。

棉籽加工廢液中存在多種色素，其中以棉酚為主[10]。棉酚是一種色澤較深、毒性較強的酚類色素，其存在嚴重影響棉籽加工廢液后續脫糖工藝，因此對棉籽加工廢液進行脫色處理顯得尤為重要[11]。目前，棉籽加工廢液的脫色方法有液液萃取法、氧化法、吸附法等[12]。液液萃取法主要以甲醇、乙醇等作為萃取劑對棉籽加工廢液進行萃取，具有操作復雜、危險系數大等缺點；氧化法是利用色素分子可被SO2、H2O2等氧化劑氧化而失去其原有顏色的原理，達到對溶液脫色的效果，但本質上色素分子仍然存在于體系中，未被去除，目前應用較少。因此，本試驗考慮采用工業上吸附脫色的方法去除預處理液中的殘余棉酚及其它色素等雜質。

在傳統制糖工業中常用活性炭、Al2O3、大孔吸附樹脂等作為脫色劑。本文以棉籽加工廢液為原料，經過預處理后選取活性炭粒、活性炭粉、Al2O3以及大孔吸附樹脂S-8（極性）、大孔吸附樹脂D3520（非極性）5種常見脫色劑進行脫色效果比較，以脫色率為評價指標，確定最佳脫色劑，并采用最佳脫色劑對棉籽加工廢液的脫色工藝進行單因素試驗和響應面試驗優化，確定其最佳脫色工藝條件，以期為提升棉籽加工副產品資源利用率，實現棉籽加工廢液中棉籽糖的有效提取和純化提供指導依據。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

棉籽加工廢液：新疆金蘭植物蛋白有限公司。

無水碳酸鈉（分析純）：天津市盛奧化學試劑有限公司；活性炭粒（分析純）：天津市鑫鉑特化工有限公司；活性炭粉（分析純）：天津市北辰方正試劑廠；氧化鋁（分析純）：天津永晟精細化工有限公司；大孔吸附樹脂D3520（非極性）：鄭州合成新材料科技有限公司；大孔吸附樹脂S-8（極性）：北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

ME104E電子天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；B250智能數顯恒溫油水浴鍋：上海予卓儀器有限公司；Multifuge X1R高速冷凍離心機：賽默飛世爾科技有限公司；UV-2600紫外可見分光光度計：島津儀器有限公司；VP30真空抽濾泵：北京萊播泰科儀器股份有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 棉籽加工廢液預處理

量取一定體積的棉籽加工廢液，加入一定體積去離子水稀釋至固形物含量為20%～30%，攪拌均勻，加入濃度為3%～6%的等體積碳酸鈉溶液，室溫下反應10 min～30 min，加入濃度為3%～8%的等體積鹽酸溶液，于室溫下沉淀3 h，使棉酚、蛋白質、膠質等雜質結晶沉淀析出。紗布過濾后，取濾液在8 000 r/min轉速下離心3 min，上清液即為棉籽加工廢液預處理液。

1.3.2 脫色劑預處理

對于大孔吸附樹脂和活性炭粉、活性炭粒，先用去離子水進行多次清洗至無泡沫出現，再用95%乙醇攪拌清洗2次～3次，在95%乙醇中浸泡24 h，后用大量去離子水沖洗至無乙醇殘留，最后將洗凈的大孔吸附樹脂、活性炭粉與活性炭粒放于真空干燥箱，于60℃下烘干至質量不再發生變化，備用[13]。

1.3.3 脫色率的測定

量取100 mL棉籽加工廢液預處理液，加入一定量的脫色劑手動攪拌吸附，吸附結束后，過濾，取濾液在8 000 r/min轉速下離心3 min，取上清液于420 nm處測定脫色前后的吸光度A脫色前和A脫色后，計算脫色率[14]。脫色率的計算公式如下。

脫色率/%=（A脫色前-A脫色后）/A脫色前×100

1.3.4 脫色劑的選擇

量取同100 mL的棉籽廢液預處理液，調節廢液pH值為6，分別加入相同質量（5 g）的活性炭粒、活性炭粉、大孔吸附樹脂D3520、大孔吸附樹脂S-8、Al2O3，置于恒溫水浴鍋中，在60℃下進行吸附處理30 min，結束進行抽濾，濾液以8 000 r/min離心3 min，取上清液測定脫色率，選出最佳脫色劑，試驗重復3次。

1.3.5 單因素試驗

經過前期試驗的篩選，試驗以活性炭粉為脫色劑，取同一批次生產的棉籽加工廢液進行處理得到棉籽加工廢液預處理液，以脫色率為評價指標，分別對活性炭粉添加量、pH值、脫色溫度和脫色時間4個指標進行單因素試驗。在其他因素條件固定情況下，依次選取活性炭粉添加量（3%、4%、5%、6%、7%）、pH值（3、4、5、6、7）、脫色溫度（40、50、60、70、80 ℃）、脫色時間（10、20、30、40、50 min）為單因素變量，分別考察各個因素對棉籽加工廢液脫色效果的影響，以確定較優的因素水平，試驗重復3次。

1.3.6 響應面優化試驗

基于單因素試驗結果，采用響應面中心組合試驗設計法，以pH值、脫色溫度、脫色時間為3個考察因素，以棉籽加工廢液的脫色率為響應值，設計三因素三水平的響應面試驗。通過Design-Expert 8.0.6軟件，優化活性炭粉對棉籽加工廢液的脫色工藝。

響應面試驗因素與水平見表1。

表1 響應面試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.4 數據處理

所有試驗結果均是3次重復的平均值，并采用IBM SPSS Statistics 25與Design-Expert 8.0.6軟件進行數據分析；使用Origin8.5系統軟件進行繪圖。采用Duncan多重比較分析方法確定差異是否有統計學意義，P＜0.05認為有顯著差異。

2 結果與分析

2.1 脫色劑的選擇

不同脫色劑對棉籽加工廢液脫色率的影響見圖1。

圖1 不同脫色劑對棉籽加工廢液脫色率的影響Fig.1 Effects of different decolorizers on decolorization rate of cottonseed processing wastewater

如圖1所示，不同的脫色劑對棉籽加工廢液的脫色效果有明顯差異。在相同的條件下，活性炭粉具有最好的脫色效果，其次分別是大孔吸附樹脂S-8、大孔吸附樹脂D3520、活性炭粒，而氧化鋁的脫色效果最差。這可能是由于活性炭粉與棉籽加工廢液中的有色物質有較大的接觸面積而具有更優的脫色效果；而氧化鋁由于在后期的離心過濾處理中難以完全去除，則呈現出較差的脫色效果。因此，綜合考慮選擇活性炭粉作為脫色劑對棉籽加工廢液的脫色效果進行優化。

2.2 單因素試驗結果

活性炭粉添加量、pH值、脫色溫度、脫色時間對棉籽加工廢液脫色率的影響見圖2。

圖2 不同因素對棉籽加工廢液脫色率的影響Fig.2 Effects of different factors on decolorization rate of cottonseed processing waste liquor

如圖2A所示，隨著活性炭粉添加量的增加，棉籽加工廢液的脫色率呈現逐漸增加的趨勢；但當脫色劑添加量達到5%時，體系基本已經達到吸附平衡狀態，此時，棉籽加工廢液的脫色率為92.9%，繼續增加活性炭粉添加量，脫色率增加趨勢不明顯[15]。故綜合考慮生產成本和試驗效果，活性炭粉添加量固定在5%。

如圖2B所示，pH值對棉籽加工廢液的脫色效果影響較大，隨pH值逐漸增大，脫色率呈現出先上升后下降的趨勢。當溶液pH值增加到5時，脫色效果最佳，脫色率達到最高值，為94.73%；此后，隨著溶液pH值繼續增加，棉籽加工廢液脫色率開始迅速下降[16]。這可能是因為溶液中的酚類色素對pH值有較強的敏感性，隨著pH值的升高，棉酚色澤急劇變深，導致脫色效果較差；另外，隨著pH值的升高，溶液中的一些化合物離解程度變大，也會對活性炭粉的吸附效果造成一定的消極影響[17]。因此，選取pH值為4、5、6進行響應面試驗。

如圖2C所示，隨著脫色溫度的增加，棉籽加工廢液的脫色率呈現逐漸增加的趨勢。當溫度達到60℃時，整個脫色過程已逐漸處于平衡狀態，此時，棉籽加工廢液的脫色率達到95.33%。脫色溫度繼續增加，脫色率增加不顯著。由此可見，增大溫度可能會對色素物質造成一定的破壞，使得色素物質的化學結構發生變化，從而達到脫色目的[18]。高溫下有色物質棉酚易氧化并與其他物質結合，使溶液體系變復雜，增加脫色難度。因此，綜合考慮，最終選取脫色溫度為50、60、70℃進行響應面試驗。

如圖2D所示，隨著脫色時間的延長，棉籽加工廢液的脫色率呈現逐漸上升的趨勢，當脫色時間達到40 min時，棉籽加工廢液的脫色率達到95.26%，當脫色時間大于40 min時，脫色率變化不顯著，這表明脫色40 min時，活性炭粉在溶液中的吸附量已達到飽和狀態，脫色過程基本達到平衡狀態[19]。試驗結果表明脫色時間對脫色效果有重要的影響，考慮到生產效率等因素，選取脫色時間為30、40、50 min進行響應面試驗。

2.3 棉籽加工廢液脫色工藝響應面優化試驗結果

2.3.1 響應面試驗設計及結果

通過單因素試驗，采用Box-Behnken響應面中心組合方法，對棉籽加工廢液的脫色工藝進行優化，試驗設計與結果見表2。

2.3.2 響應面回歸模型的方差分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件，對表2的試驗結果進行多元回歸擬合分析，得到活性炭粉對棉籽加工廢液脫色工藝的優化數學回歸方程：Y=95.69-0.94A+0.9B+0.84C+0.002 5AB-0.02AC-0.065BC-2.21A2-0.67B2-0.49C2。

表2 響應面試驗設計及結果Tabel 2 Design and results of response surface experiment

對數據進行方差分析以及顯著性檢驗，結果如表3所示。

表3 回歸方程方差分析Tabel 3 Variance analysis of regression equation

如表3所示，本試驗優化模型P＜0.000 1，表明脫色率的回歸方程與3個自變量關系極顯著；且此方程的失擬項P=0.140 2（＞0.05）不顯著，說明其他因素對試驗結果造成的干擾較小，此模型建模成功[20]；另外，方程模型的相關系數R2=0.991 3，校正決定系數R2=0.980 1，表明方程預測值與試驗結果有較小的誤差，該方程擬合度較高[21]。因此，可以通過該回歸方程來較好地預測棉籽加工廢液的脫色率。該模型的一次項A、B、C與二次項A2、B2、C2影響均為極顯著， 交互項AB、AC、BC影響均不顯著。

2.3.3 響應曲面和等高線圖分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對各因素之間的交互作用進行分析，結果如圖3所示。響應面圖陡峭程度越大，表明兩因素之間的交互作用越顯著。此外，等高線呈圓形表明兩因素之間交互作用不顯著，而等高線呈橢圓形則表明兩因素之間的交互作用顯著（等高線越扁平越顯著）[22-24]。

圖3 各因素交互作用的響應面圖與等高線圖Fig.3 Response surface map and contour map of interaction of various factors

經過響應面分析及回歸模型的預測，得到活性炭粉對棉籽加工廢液脫色工藝的最佳參數為pH4.67、脫色溫度65.35℃、脫色時間46.78 min，棉籽加工廢液的脫色率為96.37%。考慮到試驗操作的可行性，調整為pH4.7、脫色溫度65℃、脫色時間47 min，在此條件下進行3次平行驗證試驗，結果取平均值，得到棉籽加工廢液的脫色率為96.29%。棉籽加工廢液實際脫色率與回歸方程預測值相比，其誤差為0.08%（＜1%），說明該模型可以較好地預測活性炭粉對棉籽加工廢液的脫色效果。

3 結論

本研究以脫色率為考察指標，選取活性炭粒、活性炭粉、Al2O3、極性大孔吸附樹脂、非極性大孔吸附樹脂5種脫色劑對棉籽加工廢液進行脫色處理。結果顯示，活性粉的脫色效果優于活性炭粒、Al2O3、非極性大孔吸附樹脂、極性大孔吸附樹脂。以活性炭粉作為棉籽加工廢液的脫色劑，通過單因素試驗（活性炭添加量、pH值、脫色溫度、脫色時間）和響應面優化試驗對棉籽加工廢液進行脫色條件的優化。結果表明，棉籽加工廢液的最佳脫色工藝參數為pH4.7、脫色溫度65℃、脫色時間47 min，此條件下，棉籽加工廢液的脫色率為96.29%。本試驗為棉籽加工廢液中棉籽糖的進一步提取、純化奠定了一定的基礎。