朱志勇，赵彦巧*，李建颖，于小梦
（天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津 300134）
摘 要：采用乳化液膜法对酸枣壳木醋液进行脱酚，以煤油为膜溶剂，研究表面活性剂种类及体积分数、载体磷酸三丁酯（tributylphosphate，TBP）体积分数、内相NaOH溶液浓度和油内比对乳液稳定性及木醋液脱酚效果的影响，并以脱酚率为响应值，利用响应面法对乳化条件进行优化。结果表明：在表面活性剂T154体积分数8%、TBP体积分数3%、内相NaOH溶液浓度0.6 mol/L、油内比5∶4（V/V）条件下，4 500 r/min乳化20 min，所制乳液稳定性良好，木醋液脱酚率达55.31%。
关键词：乳化液膜；木醋液；精制；破乳率；脱酚率
木醋液别名植物酸，是一种重要的生物质化学产品，被广泛应用于农业[1-2]、医药[3-4]、食品[5-6]、化妆品等行业。但由于粗制木醋液中的成分复杂，含有焦油、酚类、苯以及苯的衍生物等成分[7-9]，且部分化学成分易氧化、聚合而变色，致使粗制木醋液不能直接应用于食品、医药等行业。因此，需对木醋液进行精制[10]。常用的木醋液精制方法有：静置分离法、蒸馏法、低温冷冻解冻法、有机溶剂萃取法、多层过滤法、膜过滤法等。王海英等[11]研究发现，木醋液静置6 个月以上才可以作为植物生长调节剂使用；柏明娥等[12]研究发现，不同静置阶段，竹醋液中总有机物含量减少，总酸含量降低。由此可见，静置分离法虽简单易行，精制效果好，但是需要时间长。Nagata等[13]采用三步升温法，首先 快速升温到98 ℃，收集温度低于98 ℃的馏分；然后缓慢升温到103 ℃，此时馏分是有效木醋液；最后再快速升温，收集高于103 ℃的馏分。朴哲等[14]研究发现，三步升温法虽可以有效去除木醋液中对生物体有害成分，但会造成部分原始木醋液成分的消失，且工艺繁琐，要求操作细致，成本较高。Kamano[15]通过低温条件下的温度变化来澄清木醋液，随着温度的下降，木醋液的流动性降低，木焦油等以颗粒状沉淀下来，直至不再沉降为止，然后再缓慢升温，进行解冻，用多层滤纸过滤得到精制的木醋液。该方法避免了蒸馏和溶剂萃取过程造成的热变质或一些挥发物质的损失，但此方法的低温需要维护和保持。Isham等[16]采用高沸点有机溶剂（异丙基苯异丙基醚）对木醋液中的苯酚等物质进行萃取回收。而鲜见采用乳化液膜法精制木醋液的报道。乳化液膜分离技术是20世纪60年代由美国科学家黎念之首次提出的[17]，之后Cussler[18]又成功研究了有流动载体的乳状液膜。乳化液膜萃取过程是一种非平衡传质过程，与溶剂萃取相比，液膜的非平衡传质优点为传质推动力大，所需分离级数少[19]，试剂消耗量少[20]，溶质“逆其浓度梯度传递”的效应[21]。与固体膜相比，液膜的优点为传质速率高[22]、选择性好[23]。本实验将采用响应面法优化液膜制备工艺，探究乳化液膜制备条件对木醋液脱酚率的影响，为拓展木醋液在食品、医药行业的应用提供理论依据。
1.1 材料与试剂
酸枣壳木醋液 天津维生生物能源科技服务有限公司；航空煤油、磷酸三丁酯（tributylphosphate，TBP）天津福晨化学试剂厂；Span80 天津市博迪化工股份有限公司；双烯基丁二酰亚胺（T154）、高氮聚异丁烯丁二酰亚胺（HT154） 锦州百特化工有限公司；液体石蜡天津市德恩化学试剂有限公司；4-氨基安替吡啉、铁氰化钾（均为分析纯） 天津市赢达稀贵化学试剂厂；氯化铵（分析纯） 天津市天大化工实验厂；氢氧化钠、氨水、无水乙醇（均为分析纯） 天津市风船化学试剂科技有限公司；纯水为实验室自制。
1.2 仪器与设备
AUY-220电子分析天平、UV-2600型紫外-可见分光光度计 日本岛津公司；WB2000顶置式电动搅拌器德国Wiggens公司；JRJ300-SH数显剪切乳化搅拌机上海标本模型厂；SK5210LHC超声波清洗器 上海科导超声仪器有限公司；SpectraMax M5多功能酶标仪美国Molecular Devices公司。
1.3 方法
1.3.1 木醋液的预处理
采用梯度降温法对粗制木醋液进行预处理。取粗制木醋原液于旋转蒸发仪中，在（0.01±0.005） MPa、（65±2）℃条件下蒸馏至无液滴流出；把所得蒸馏液于（0.01±0.005） MPa、（55±2）℃条件下进行二次蒸馏，得到澄清无色木醋液。
1.3.2 木醋液总酚含量测定
采用四氨基安替吡啉染色法测定木醋液中总酚含量[24]。
1.3.3 乳化液膜制备及稳定性测定
在室温条件下，选用煤油为膜溶剂，液体石蜡为膜稳定剂，分别以T154、HT154和Span80为表面活性剂，TBP为载体，按一定体积比混合，超声5～10 min至表面活性剂完全溶解，在1 500 r/min条件下均质5 min，缓慢加入膜内相NaOH溶液，上调转速至4 500 r/min进行制乳。以破乳率评定液膜的稳定性，按下式计算：
式中：Vt为放置36 h后液膜的破乳量/mL；V0为具塞刻度试管中的初始液膜体积/mL。
1.3.4 乳化液膜萃取脱酚
将乳化液膜和预处理后的木醋液按体积比1∶3混合，300 r/min转速萃取15 min，静置分层，测定下层木醋液中酚含量并计算脱酚率。
1.3.5 响应面优化乳化液膜制备条件
在单因素试验基础上，根据Box-Behnken试验设计原理，选取T154体积分数、TBP体积分数、内相NaOH溶液浓度及油内比（V/V）4 个因素，利用Design-Expert V8.0.6.1软件设计四因素三水平的响应面试验，见表1。
表1 响应面试验因素与水平
Table1 Factors and their levels used in response surface analysis
2.1 最佳吸收波长的测定
在300～700 nm波长范围内分别对四氨基安替吡啉染色后的苯酚标准溶液和木醋液进行波谱扫描，苯酚标准溶液在波长493.5 nm处有最大吸收峰，木醋液在波长492.8 nm处有最大吸收峰，故选取493 nm为最佳吸收波长。
2.2 表面活性剂种类及体积分数对乳液稳定性的影响
图1 表面活性剂种类及体积分数对乳液稳定性的影响
Fig.1 Effects of kind and concentration of surfactant on the emulsion stability
由图1可知，所制乳液的稳定性均随着表面活性剂体积分数的增大而逐渐增强。在一定范围内，由T154制备乳液的破乳率明显低于由Span80、HT154制备乳液的破乳率，且T154体积分数达到4%以后，破乳率逐渐趋于稳定。表面活性剂体积分数低于4%时，3 种表面活性剂所制乳液的稳定性都较差，主要原因是表面活性剂有亲水基和疏水基，定向排列以固定油水分界面，控制液膜的稳定性[25]。当其体积分数较低时，油相与内相界面间排列的表面活性剂量少，界面黏度小，乳化液膜容易破裂，稳定性较差，反之亦然[26]。但表面活性剂体积分数的增大会使其在油水界面的吸附量 增大，膜相黏度增加，膜层变厚[27]，TBP在运输过程中的传质阻力增大，不利于酚类的萃取。因此，综合液膜稳定性及传质阻力，本研究选取T154作为膜相的乳化剂，制乳体积分数为8%。
2.3 TBP体积分数对乳液稳定性及脱酚效果的影响
图2 TBP体积分数对乳液稳定性及脱酚效果的影响
Fig.2 Effects of carrier concentration on the emulsion stability and phenol removal efficiency
由图2可知，随着TBP体积分数的增加，乳液稳定性逐渐增强，脱酚率总体呈递增趋势，主要原因是TBP体积分数较低时，随体积分数增加，膜相中TBP分 布密度增加，运输酚类效率增加，从而提高了脱酚率；在TBP体积分数达到3%后，脱酚率趋于平稳，说明TBP已经达到最佳体积分数，继续增加时，膜相中TBP的体积分数过大，致使传质阻力增大，传质速率降低。因此，综合膜稳定性及脱酚效果，本研究选择TBP体积分数为3%。
2.4 内相NaOH溶液浓度对乳液稳定性及脱酚效果的影响
图3 内相NaOH溶液浓度对乳液稳定性及脱酚效果的影响
Fig.3 Effect of internal phase NaOH concentration on the emulsion stability and phenol removal efficiency
由图3可知，内相NaOH溶液浓度低于0.6 mol/L时，NaOH溶液浓度对乳液稳定性影响不大，继续增大时，乳液稳定性显著降低，主要原因是碱性过强会使部分TBP和表面活性剂分子内的酯键水解，膜渗透性 增强，油水相界面的性质发生 改变，液膜稳定性 降低[28]。内相NaOH溶液浓度低于0.7 mol/L时，脱酚率随NaOH溶液浓度的增大而增大，NaOH溶液作为膜内相，在传质过程中起反萃取作用，在一定浓度范围内，NaOH溶液浓度增大会促进TBP与酚类络合物的解离速度，传质推动力增大，从而促进木醋液中酚类的迁移；NaOH溶液浓度高于0.7 mol/L时，脱酚率随NaOH溶液浓度增加而降低，主要原因是内相溶液碱性过强致使乳液破乳率增大所致[29-30]。因此，综合膜稳定性及脱酚效果，本研究选择内相NaOH溶液浓度为0.6 mol/L。
2.5 油内比对乳液稳定性及脱酚效果的影响
图4 油内比对乳液稳定性及脱酚效果的影响
Fig.4 Effects of volume ratio of oil phase to internal phase on the emulsion stability and phenol removal efficiency
由图4可知，乳液稳定性随油内比的降低而降低，主要是由于油内比降低，会使膜层 厚度变薄，通透能力增强，破乳率增大，稳定性降低。油内比5∶5时，脱酚效果最佳，主要是由于油内比影响TBP在膜中的传质速度；油内比大于5∶5时，膜层变厚，传质阻力增大，且内相溶液减少，传质推动力降低，脱酚效果降低；而当油内比小于5∶5时，膜层变薄，膜通透能力增强，且内相溶液增多，致使膜稳定性降低，乳液破乳率增大从而使得脱酚效果降低。因此，综合膜稳定性及脱酚效果，本研究选择油内比为5∶5。
2.6 响应面优化乳化液膜制备结果
2.6.1 响应面试验结果及方差分析
表2 响应面试验设计及结果
Table2 Experimental design in terms of actual data with response variable
对表2数据进行方差分析，由于交互项AB、AD、CD对脱酚率影响不显著，因此采用手动优化的方法对回归模型进行优化，结果见表3。
模型的二次多项回归方程为Y=53.14－0.66A+ 1.19B－1.45C+1.73D－1.64AC－1.79BC+1.55BD－1.94A2－2.91B2－3.65C2－2.93D2。由表3可知，回归模型极显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P=0.214 6），R2为0.899 0，
为0.833 7，说明方程对试验拟合较好。回归方程各项方差分析表明，因素B2、C2、D2对木醋液脱酚率影响极显著（P＜0.000 1），因素B、C、D、AC、BC、BD、A2对木醋液脱酚率影响显著（P＜0.05），A、AB、AD、CD对木醋液脱酚率影响不显著（P＞0.05）。在所选取的因素水平范围内，各因素对木醋液脱酚率的影响依次是D（油内比）＞C（内相NaOH溶液浓度）＞B（TBP体积分数）＞A（T154体积分数）。
表3 回归模型方差分析
Table3 Analysis of variance of regression model
注：*.差异显著（P＜0.05）；**.差异极显著（P＜0.000 1）。
2.6.2 因素间交互作用影响
为了进一步研究相关因素之间的交互作用，通过Design-Expert绘制响应面图进行直观分析，对木醋液脱酚率有交互影响的响应面分析见图5。由图5a可以看出，木醋液脱酚率随T154体积分数和内相NaOH溶液浓度的增加都是先增加后减小。T 154体积分数和内相NaOH溶液浓度之间存在明显的交互作用，表现为等高线呈椭圆形。由图5b可以看出，随着TBP体积分数增大，木醋液脱酚率先增大后趋于平缓；随着内相NaOH溶液浓度的增大，木醋液脱酚率也随之增大，但增大到一定值后，木醋液脱酚率呈降低趋势；且TBP体积分数和内相NaOH溶液浓度之间存在明显的交互作用，表现为等高线呈椭圆形。由图5c可以看出，木醋液脱酚率随TBP体积分数的增大呈上升趋势，但增大到一定值后，木醋液脱酚率呈降低趋势；木醋液脱酚率随油内比的增大先增大后减小；且两者交互作用的响应面图呈钟罩形，说明TBP体积分数和油内比交互作用显著。
图5 各因素交互作用对木醋液脱酚率的影响
Fig.5 Response surface plots s howing the effect of various factors on the phenol removal efficiency from wood vinegar
2.6.3 最佳制乳条件的预测及验证
应用Design-Expert V8.0.6.1对优化后的回归方程求解，在试验范围内预测乳化液膜的最佳制备条件为表面活性剂T154体积分数7.9%、TBP体积分数3.21%、内相NaOH溶液浓度0.57 mol/L、油内比8∶7，此条件木醋液脱酚率理论上可达54.50%。由于实验操作的可行性，将液膜最佳制备条件修正为表面活性剂T154体积分数8%、TBP体积分数3%、内相NaOH溶液浓度0.6 mol/L、油内比5∶4，此条件进行3 次平行验证实验，木醋液脱酚率平均值为55.31%，高出理论预测值0.81%，证实该模型的有效性。对木醋液连续2 次处理，脱酚率达到92.32%，与乔玉彦[31]采用膜技术对木醋液进行纯化的挥发酚含量减少程度（95%）相当。
2.7 乳化液膜脱酚传质机理分析
本研究中乳化液膜选用煤油作为膜溶剂，由于煤油是饱和烷烃类的混合物，整体呈非极性；木醋液中有机酸以醋酸为主，醋酸属于极性物质，且多以CH3COO－的形式存在；木醋液中酚类以苯酚为主，由于苯基很大，羟基很小，极性较弱，且主要以分子形式存在；根据物性的相似相溶原理，液膜可选择性地脱除木醋液中的酚类；且膜相中加入流动载体（TBP），TBP通过氢键与进入到膜相中的酚类（P）结合形成络合物TBP·P，在膜相中TBP·P渗透扩散至膜相与内水相界面，在碱性条件下发生解络反应，酚类以酚钠的形式固定在内水相，从而使木醋液中的酚类在内水相中被富集。
2.8 破乳方法探讨
乳化液膜破乳方法的主要研究方向为在工业生产处理时没有二次污染物产生、通用性和实用性较强、破乳各参数容易操作、破乳原材料容易获得，且在满足无污染、低能耗等条件下，将2 种或更多破乳方法联合使用，达到更大程度的破乳率，是以后具有发展前景的方法[32]。目前常用的破乳方法主要有化学试剂法、加热法、离心法、超声法等。由于化学试剂法需加入反乳化剂，反乳化剂会影响回收后的有机相成分及再次制备的乳液对酚类的萃取效果；加热法在加热过程中会对有机相中的表面活性剂以及载体化学结构造成破坏等问题[28]。本实验在后续的破乳研究中欲采用超声-离心联合破乳法对乳液进行破乳回收研究。
本实验采用乳化液膜法对酸枣壳木醋液进行脱酚研究，以煤油为膜溶剂，在单因素试验基础上选择T154体积分数、TBP体积分数、内相NaOH溶液浓度以及油内比4 个主要影响因素进行响应面优化试验，探究乳化液膜的最佳制备条件，以提高乳化液膜对木醋液脱酚效果。乳化液膜的最佳制备条件：将液体石蜡、表面活性剂T154、载体TBP及煤油按体积分数5%、8%、3%、84%混合，超声5～10 min，内相NaOH溶液浓度为0.6 mol/L，油内比5∶4，于4 500 r/min乳化20 min，所制乳化液膜稳定性良好。将上述条件所制乳液与预处理后的酸枣壳木醋液按照体积比1∶3混合，300 r/min转速脱酚15 min，木醋液中酚类去除率达55.31%。该方法精制木醋液的优点为乳液耐酸碱能力强，脱酚效果显著，且操作简单、成本低、乳液可回收再利用。
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Optimized Preparation of Emulsion Liquid Membrane and Its Application in Purification of Wood Vinegar
ZHU Zhiyong, ZHAO Yanqiao*, LI Jianying, YU Xiaomeng
(Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)
Abstract：The removal of phenol from wood vinegar prepared from wild jujube seed shell by using emulsion liquid membrane was studied in this work. Kerosene was used as solvent to prepare emulsion liquid membrane. The effects of processing conditions including kind and concentration of surfactant, concentration of liquid carrier (tributylphosphate, TBP), internal phase concentration and volume ratio of oil phase to internal phase on the stability of the emulsion and the removal of phenol from wood vinegar were investigated and these variables were optimized by response surface methodology for improved removal rate of phenol. The use of 8% (V/V) surfactant T154 and 3% (V/V) TBP, an internal phase concentration (NaOH) of 0.6 mol/L, a volume ratio of oil phase to internal phase of 5：4 (V/V) and emulsif i cation for 20 min with stirring at4 500 r/min were found to be optimal for good emulsion stability. Under these conditions, the removal rate of phenol from wood vinegar solution was 55.31%.
Key words：emulsion membrane; wood vinegar; purif i cation; breaking rate; removal rate of phenol
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201712028
中图分类号：TQ351.9
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2017）12-0184-06
引文格式：朱志勇, 赵彦巧, 李建颖, 等. 响应面试验优化木醋液精制中乳化液膜的制备工艺[J]. 食品科学, 2017, 38(12)： 184-189.
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201712028. http：//www.spkx.net.cn
ZHU Zhiyong, ZHAO Yanqiao, LI Jianying, et al. Optimized preparation of emulsion liquid membrane and its application in purification of wood vinegar[J]. Food Science, 2017, 38(12)： 184-189. (in Chinese with English abstract) DOI：10.7506/spkx1002-6630-201712028. http：//www.spkx.net.cn
收稿日期：2016-07-01
基金项目：天津市高校科技发展基金项目（140023）
作者简介：朱志勇（1989—），男，硕士研究生，研究方向为食品添加剂。E-mail：118 2675759@qq.com
*通信作者：赵彦巧（1979—），女，副教授，博士，研究方向为天然产物的提取与分离。E-mail：yqzhao@ tjcu.edu.cn