响应面优化酶解木质素酚化工艺研究

我国每年产生大约3 亿t林业剩余物和7亿t秸秆。 1 t秸秆作为原料制备燃料乙醇将产生约0.3 t的酶解木 质素。由于酶解木质素未经过高温高压及酸碱处理，天然性保留完好，分子结构中具有多种活性基团，其分子结构与苯酚相似，可部分替代苯酚，制备酚醛树脂。 酚醛树脂是酚类化合物与醛类化合物在催化剂条件下 生成的聚合物，其主要特征是具有较高的粘结性能， 耐高温性和优良的耐水性。

1 材料与方法

1.1  材料

试验使用的主要材料见表1。

1.2  设备

恒温磁力搅拌器 HWJB-2100C 河南中良科学仪器有限公司 智能油浴锅 HH-WO 遵义市予华仪器有限公司 真空干燥箱 BZF-50 上海博讯公司 可见分光光度计 T21 郑州长城科技有限公司 数显恒温水浴锅 Fuhe HH-1 金坛市富华仪器有限公司 电子天平 FA2104A 上海精天电子仪器有限公司 循环水式多用真空泵 SHB-B95型 郑州长城科技有限公司。

1.3  方法

将不同比例酶解木质素和苯酚加入到通有冷凝水 的三口烧瓶中，将体系温度由20℃在30 min内升至设 定的试验温度后加入 30% NaOH 水溶液至碱用量达 到试验设定要求，在设定温度下反应一定时间后，停止 反应，待反应体系冷却至室温，出料。体系用甲酸调节 pH至2.5，酚化产物用蒸馏水洗涤至中性，60℃下干燥，将所得降解样品放入干燥器中备用。 试验采用FC法测定酚羟基含量。利用苯酚为标 准物质，精确称取0.201 3 g苯酚，蒸馏水溶解后用1 000 mL 的容量瓶定容，从容量瓶中取出10 mL溶液稀释到100 mL， 然后分别吸取0、2、4、8、16、20、28 mL溶液置于 100 mL容量瓶中（苯酚浓度分别为0、4.278、8.556、 17.112、34.224、42.780、59.892 μmol/L），然 后 分 别加入3 mL FC试剂和适量蒸馏水，摇匀后加入10 mL 20% Na2CO3 溶液，加水定容，再混匀，然后在室温下搅 拌反应2 h,得到一系列反应产物。

2 结果与分析

酶解木质素酚化降解试样中酚羟基含量的测定。 分别在29 组试样中称取10 mg样品，放入100 mL容量 瓶中，加入少量NaOH使木质素试样溶解（由于碱性条 件下FC试剂不稳定，所以碱用量应尽可能少）。分别 从配好的溶液中取2 mL木质素溶液移入100 mL容量瓶 中，加入3 mL FC试剂和30 mL蒸馏水，反应一段时间，加入10 mL 20% Na2CO3 后进行定容，将溶液在常温下 搅拌反应2 h后进行测定。以苯酚浓度为0 的溶液为空 白样测定其在760 nm处的吸光度。对照苯酚浓度-吸 光度A760 标准曲线图，得出酚化木素样品中酚羟基的 含量。响应面法其特色是可以在给定研究变量范围的指 定区域内，精确地给出各个研究变量与响应值之间的 一个明确的函数表达关系。并且可以直观地给出两种 因素间的交互关系，预测区域内工艺参数的响应值， 为生产及生物材料的应用提供技术支持。采用BoxBehnken 试验方法拟合，利用 Design-Expert 11 软件对 试验数据进行处理，拟合出碱性条件下酶解木质素酚 化降解回归方程如下（y表示酚羟基含量）： y=-0.174 3A2+0.435 9B2+0.098 6C2+0.351 6D2- 0.297 7AB+0.129 0AC+0.039 5AD+0.277 7BC-0.019 7BD+ 0.049 5CD-0.056 3A+0.237 9B+0.271 1C+0.175 3D+3.11。

3 结论

1）利用Design-Expert 11 软件，Box-Behnken模型设计了四因素的响应面试验，在试验因素给定的范围 内，建立了各影响因素与响应值的多元二次数学模型， 优化得到木质素酚化降解的理想工艺：木质素取代量达到63%，酚化温度为109 ℃，分化时间为1.4 h，催化 剂用量为3.4 g。
2）通过对响应面图及等高线图的分析，在指定区 域内的体系反应中，各因素影响主次顺序为：酚化温度 ＞酚化时间＞催化剂用量＞木质素取代率。各因素交 互作用对酚羟基含量的影响主次顺序为：木质素取代 量×酚化温度＞酚化温度×酚化时间＞木质素取代量× 酚化时间＞酚化时间×催化剂用量＞木质素取代率× 催化剂用量＞酚化温度×催化剂用量。
3）各个反应条件的交互关系中酚化时间与酚化温 度之间的交互关系最为显著，并对响应值影响最大。