康嘉偉，孫鵬程，張宇哲，蘇凱欣，張?zhí)煊?，郭敏?/p>

（石河子大學(xué) 食品學(xué)院，新疆 石河子 832000）

我國(guó)棉花年產(chǎn)量龐大[1]，棉籽作為棉花的重要副產(chǎn)物，其資源十分豐富，棉籽中含有豐富的油脂、蛋白質(zhì)、棉籽糖等高營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(chǎng)價(jià)值[6-7]。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，棉籽加工企業(yè)提取棉籽油與棉籽蛋白的工藝已較為成熟，大多數(shù)企業(yè)已完成傳統(tǒng)高溫粕生產(chǎn)工藝向低溫脫酚蛋白生產(chǎn)工藝的轉(zhuǎn)變，但是，棉籽加工企業(yè)對(duì)棉籽進(jìn)行提油、脫酚生產(chǎn)棉籽蛋白的過程中仍會(huì)產(chǎn)生大量的棉籽加工廢液[8]。該廢液呈黑色，含有棉酚、膠質(zhì)、鹽類、蔗糖、棉籽糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，由于其成分復(fù)雜、處理困難等因素，制約了棉籽加工過程中對(duì)廢液的回收利用，通常采用工業(yè)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(fèi)，而且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了比較嚴(yán)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(qiáng)的酚類色素，其存在嚴(yán)重影響棉籽加工廢液后續(xù)脫糖工藝，因此對(duì)棉籽加工廢液進(jìn)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(duì)棉籽加工廢液進(jìn)行萃取，具有操作復(fù)雜、危險(xiǎn)系數(shù)大等缺點(diǎn)；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(dá)到對(duì)溶液脫色的效果，但本質(zhì)上色素分子仍然存在于體系中，未被去除，目前應(yīng)用較少。因此，本試驗(yàn)考慮采用工業(yè)上吸附脫色的方法去除預(yù)處理液中的殘余棉酚及其它色素等雜質(zhì)。

在傳統(tǒng)制糖工業(yè)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(jīng)過預(yù)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(jìn)行脫色效果比較，以脫色率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最佳脫色劑，并采用最佳脫色劑對(duì)棉籽加工廢液的脫色工藝進(jìn)行單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化，確定其最佳脫色工藝條件，以期為提升棉籽加工副產(chǎn)品資源利用率，實(shí)現(xiàn)棉籽加工廢液中棉籽糖的有效提取和純化提供指導(dǎo)依據(jù)。

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(xué)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(xì)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(shè)備

ME104E電子天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；B250智能數(shù)顯恒溫油水浴鍋：上海予卓?jī)x器有限公司；Multifuge X1R高速冷凍離心機(jī)：賽默飛世爾科技有限公司；UV-2600紫外可見分光光度計(jì)：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(yàn)方法

1.3.1 棉籽加工廢液預(yù)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(yīng)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(zhì)、膠質(zhì)等雜質(zhì)結(jié)晶沉淀析出。紗布過濾后，取濾液在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心3 min，上清液即為棉籽加工廢液預(yù)處理液。

1.3.2 脫色劑預(yù)處理

對(duì)于大孔吸附樹脂和活性炭粉、活性炭粒，先用去離子水進(jìn)行多次清洗至無泡沫出現(xiàn)，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?xì)埩?，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(zhì)量不再發(fā)生變化，備用[13]。

1.3.3 脫色率的測(cè)定

量取100 mL棉籽加工廢液預(yù)處理液，加入一定量的脫色劑手動(dòng)攪拌吸附，吸附結(jié)束后，過濾，取濾液在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心3 min，取上清液于420 nm處測(cè)定脫色前后的吸光度A脫色前和A脫色后，計(jì)算脫色率[14]。脫色率的計(jì)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(yù)處理液，調(diào)節(jié)廢液pH值為6，分別加入相同質(zhì)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(jìn)行吸附處理30 min，結(jié)束進(jìn)行抽濾，濾液以8 000 r/min離心3 min，取上清液測(cè)定脫色率，選出最佳脫色劑，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.5 單因素試驗(yàn)

經(jīng)過前期試驗(yàn)的篩選，試驗(yàn)以活性炭粉為脫色劑，取同一批次生產(chǎn)的棉籽加工廢液進(jìn)行處理得到棉籽加工廢液預(yù)處理液，以脫色率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)活性炭粉添加量、pH值、脫色溫度和脫色時(shí)間4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。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(shí)間（10、20、30、40、50 min）為單因素變量，分別考察各個(gè)因素對(duì)棉籽加工廢液脫色效果的影響，以確定較優(yōu)的因素水平，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用響應(yīng)面中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，以pH值、脫色溫度、脫色時(shí)間為3個(gè)考察因素，以棉籽加工廢液的脫色率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)。通過Design-Expert 8.0.6軟件，優(yōu)化活性炭粉對(duì)棉籽加工廢液的脫色工藝。

響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)結(jié)果均是3次重復(fù)的平均值，并采用IBM SPSS Statistics 25與Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；使用Origin8.5系統(tǒng)軟件進(jìn)行繪圖。采用Duncan多重比較分析方法確定差異是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.05認(rèn)為有顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫色劑的選擇

不同脫色劑對(duì)棉籽加工廢液脫色率的影響見圖1。

圖1 不同脫色劑對(duì)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(duì)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(zhì)有較大的接觸面積而具有更優(yōu)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(xiàn)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(duì)棉籽加工廢液的脫色效果進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

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

圖2 不同因素對(duì)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(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)；但當(dāng)脫色劑添加量達(dá)到5%時(shí)，體系基本已經(jīng)達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，此時(shí)，棉籽加工廢液的脫色率為92.9%，繼續(xù)增加活性炭粉添加量，脫色率增加趨勢(shì)不明顯[15]。故綜合考慮生產(chǎn)成本和試驗(yàn)效果，活性炭粉添加量固定在5%。

如圖2B所示，pH值對(duì)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(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)溶液pH值增加到5時(shí)，脫色效果最佳，脫色率達(dá)到最高值，為94.73%；此后，隨著溶液pH值繼續(xù)增加，棉籽加工廢液脫色率開始迅速下降[16]。這可能是因?yàn)槿芤褐械姆宇惿貙?duì)pH值有較強(qiáng)的敏感性，隨著pH值的升高，棉酚色澤急劇變深，導(dǎo)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(huì)對(duì)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(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

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(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí)，整個(gè)脫色過程已逐漸處于平衡狀態(tài)，此時(shí)，棉籽加工廢液的脫色率達(dá)到95.33%。脫色溫度繼續(xù)增加，脫色率增加不顯著。由此可見，增大溫度可能會(huì)對(duì)色素物質(zhì)造成一定的破壞，使得色素物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而達(dá)到脫色目的[18]。高溫下有色物質(zhì)棉酚易氧化并與其他物質(zhì)結(jié)合，使溶液體系變復(fù)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(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

如圖2D所示，隨著脫色時(shí)間的延長(zhǎng)，棉籽加工廢液的脫色率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，當(dāng)脫色時(shí)間達(dá)到40 min時(shí)，棉籽加工廢液的脫色率達(dá)到95.26%，當(dāng)脫色時(shí)間大于40 min時(shí)，脫色率變化不顯著，這表明脫色40 min時(shí)，活性炭粉在溶液中的吸附量已達(dá)到飽和狀態(tài)，脫色過程基本達(dá)到平衡狀態(tài)[19]。試驗(yàn)結(jié)果表明脫色時(shí)間對(duì)脫色效果有重要的影響，考慮到生產(chǎn)效率等因素，選取脫色時(shí)間為30、40、50 min進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

2.3 棉籽加工廢液脫色工藝響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

通過單因素試驗(yàn)，采用Box-Behnken響應(yīng)面中心組合方法，對(duì)棉籽加工廢液的脫色工藝進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2。

2.3.2 響應(yīng)面回歸模型的方差分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件，對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到活性炭粉對(duì)棉籽加工廢液脫色工藝的優(yōu)化數(shù)學(xué)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(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tabel 2 Design and results of response surface experiment

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析以及顯著性檢驗(yàn)，結(jié)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(yàn)優(yōu)化模型P＜0.000 1，表明脫色率的回歸方程與3個(gè)自變量關(guān)系極顯著；且此方程的失擬項(xiàng)P=0.140 2（＞0.05）不顯著，說明其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(guān)系數(shù)R2=0.991 3，校正決定系數(shù)R2=0.980 1，表明方程預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)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(yù)測(cè)棉籽加工廢液的脫色率。該模型的一次項(xiàng)A、B、C與二次項(xiàng)A2、B2、C2影響均為極顯著， 交互項(xiàng)AB、AC、BC影響均不顯著。

2.3.3 響應(yīng)曲面和等高線圖分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)各因素之間的交互作用進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。響應(yīng)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(yīng)面圖與等高線圖Fig.3 Response surface map and contour map of interaction of various factors

經(jīng)過響應(yīng)面分析及回歸模型的預(yù)測(cè)，得到活性炭粉對(duì)棉籽加工廢液脫色工藝的最佳參數(shù)為pH4.67、脫色溫度65.35℃、脫色時(shí)間46.78 min，棉籽加工廢液的脫色率為96.37%?？紤]到試驗(yàn)操作的可行性，調(diào)整為pH4.7、脫色溫度65℃、脫色時(shí)間47 min，在此條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)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(shí)際脫色率與回歸方程預(yù)測(cè)值相比，其誤差為0.08%（＜1%），說明該模型可以較好地預(yù)測(cè)活性炭粉對(duì)棉籽加工廢液的脫色效果。

3 結(jié)論

本研究以脫色率為考察指標(biāo)，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(duì)棉籽加工廢液進(jìn)行脫色處理。結(jié)果顯示，活性粉的脫色效果優(yōu)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(yàn)（活性炭添加量、pH值、脫色溫度、脫色時(shí)間）和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)棉籽加工廢液進(jìn)行脫色條件的優(yōu)化。結(jié)果表明，棉籽加工廢液的最佳脫色工藝參數(shù)為pH4.7、脫色溫度65℃、脫色時(shí)間47 min，此條件下，棉籽加工廢液的脫色率為96.29%。本試驗(yàn)為棉籽加工廢液中棉籽糖的進(jìn)一步提取、純化奠定了一定的基礎(chǔ)。