摘  要：麻脫膠是麻纖維制品加工中的重要工序，試驗(yàn)以失重率、殘膠率、白度、束纖維強(qiáng)度、液體芯吸高度等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比了果膠酶、木聚糖酶、果膠酶/木聚糖酶復(fù)合脫膠的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：熱水/機(jī)械預(yù)處理、堿氧后處理對(duì)復(fù)合酶脫膠具有協(xié)同增效作用；相對(duì)于傳統(tǒng)堿法脫膠，生物酶復(fù)合脫膠法不僅具有節(jié)能環(huán)保、作用條件溫和的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能更好地保留苧麻固有特性，提高精干麻品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：脫膠；復(fù)合酶；果膠酶；木聚糖酶；熱水預(yù)處理；堿氧后處理；苧麻

 

目前常見的苧麻脫膠方法主要有化學(xué)法、物理法和生物法^[1-2]。其中，化學(xué)法脫膠的基本原理是利用苧麻韌皮纖維中纖維素和膠質(zhì)成分在物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，借助堿、無機(jī)酸和氧化劑去除原麻中的膠質(zhì)成分，使纖維素分離出來?；瘜W(xué)法脫膠的纖維殘膠率低，但存在能耗大、成本高、廢水污染嚴(yán)重等不足。物理法脫膠主要是借助超聲波^[3]、蒸汽爆破、機(jī)械敲搓和等離子體等進(jìn)行脫膠，具有操作簡(jiǎn)捷、無污染，對(duì)纖維損傷小的特點(diǎn)，但單獨(dú)使用時(shí)脫膠效果不理想，通常作為預(yù)處理手段與其他脫膠方法聯(lián)合使用。

生物法麻脫膠是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，分為微生物脫膠和酶脫膠兩類，可極大地降低脫膠過程中的污染排放。微生物脫膠是將微生物發(fā)酵產(chǎn)生的多糖降解酶粗酶液應(yīng)用于韌皮纖維脫膠，從而獲得脫膠纖維產(chǎn)品，具有環(huán)境友好、條件溫和、節(jié)能降耗的特點(diǎn)^[4]。然而粗酶液處理的苧麻殘膠不均勻，且脫膠效率不高，在生產(chǎn)應(yīng)用中具有一定的局限性。酶脫膠法是將原麻浸漬到脫膠酶液中，依靠多糖裂解酶的生物活性去除非纖維性膠質(zhì)。目前苧麻生物酶脫膠的研究主要以果膠酶法脫膠為主^[5-9]。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，單一采用果膠酶進(jìn)行苧麻酶脫膠時(shí)，麻纖維中殘膠率較高，纖維間分散度低，不能滿足苧麻紡紗和坯布織造的要求^[10-12]。基于此，本試驗(yàn)在果膠酶脫膠的基礎(chǔ)上，引入木聚糖酶進(jìn)行復(fù)配，并結(jié)合物理預(yù)處理和堿氧后處理進(jìn)行復(fù)合脫膠，旨在提升苧麻脫膠的效果，構(gòu)建苧麻復(fù)合生物酶脫膠的工業(yè)應(yīng)用方法。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料

苧麻原麻購(gòu)自四川大竹種植的苧麻，是從苧麻植株剝下來的麻皮長(zhǎng)條，外觀呈青褐色；堿性果膠酶（158U/mL，諾維信生物科技有限公司），堿性木聚糖酶（1328U/mL，寧夏夏盛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司）

1.2苧麻脫膠工藝

采用七種脫膠工藝進(jìn)行苧麻原麻脫膠，分別為：工藝（a）果膠酶處理-后處理；工藝（b）預(yù)處理-果膠酶處理-后處理；工藝（c）果膠酶/木聚糖酶-后處理；工藝（d）預(yù)處理-果膠酶/木聚糖酶處理-后處理；工藝（e）堿氧；工藝（f）預(yù)處理-果膠酶處理-堿氧-后處理；工藝（g）預(yù)處理-果膠酶/木聚糖酶-堿氧-后處理。其中，預(yù)處理為機(jī)械碾壓-尿素浸漬-熱水浸漬處理；后處理為敲麻-洗麻-上油-脫水-抖松-烘干。

具體工藝處方和條件為：（1）預(yù)處理：將苧麻機(jī)械碾壓5次后于5g/L尿素（加入3g/LJFC-6）中常溫浸漬24h，再用熱水沸煮3h；（2）果膠酶處理：在pH為10、溫度為50℃的條件下，將苧麻于16g/L諾維信堿性果膠酶（加入1g/LJFC-6）溶液中浸漬16h；（3）果膠酶/木聚糖酶處理：在pH為10、溫度為50℃的條件下，將苧麻于16g/L諾維信堿性果膠酶和8g/L夏盛堿性木聚糖酶溶液（加入1g/LJFC-6）中浸漬16h；（4）后處理：將苧麻置于軟墊上用橡膠錘反復(fù)敲打至纖維分散，于溫水中用洗滌劑搓洗，再用5g/L柔軟劑D1和5g/L柔軟劑D2乳液于40℃浸漬45min進(jìn)行上油，脫水抖松后于60℃烘干；堿氧處理：采用4g/LNaOH和12g/L（30%）H2O2，并加入3g/LNa2SiO3、3g/LMgSO4和3g/L氧漂穩(wěn)定劑，將苧麻在100℃浸漬1h。

1.3測(cè)試方法

（1）失重率和殘膠率

將原麻烘至恒重，冷卻后稱重（記為m0），經(jīng)過脫膠處理后再次烘干，記錄脫膠后的干重（記為m1），以公式（1）計(jì)算失重率；此外，按照GB/T18147.2—2008《大麻纖維試驗(yàn)方法第2部分：殘膠率試驗(yàn)方法》測(cè)定苧麻纖維的殘膠率。

 

（2）束纖維強(qiáng)度

將脫膠后的苧麻纖維在（21±1）℃、濕度65%±2%調(diào)濕24h后，用鋼梳（10根/cm）對(duì)纖維進(jìn)行梳理使其平行順直；將束纖維切割至10cm，稱量后計(jì)算束纖維細(xì)度，再采用YG（B）-026D-250型電子織物強(qiáng)力機(jī)（溫州大榮）測(cè)試強(qiáng)度，拉伸速率為300mm/min，拉伸隔距為25mm。

（3）束纖維白度和親水性

根據(jù)GB/T5885—1986《苧麻纖維白度試驗(yàn)方法》，整理試樣麻束去除麻結(jié)，使纖維平直，在WSDⅢ型織物白度儀（北京康光儀器有限公司）上測(cè)定苧麻纖維的藍(lán)光白度；根據(jù)FZ/T01071—2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，將試樣垂直懸掛，下端夾張力夾并浸沒于水中，測(cè)定30min時(shí)液體在苧麻纖維上達(dá)到的芯吸高度，表征脫膠后麻纖維的親水性。

（4）纖維化學(xué)成分測(cè)定

參照GB/T5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，測(cè)定不同條件處理后苧麻纖維中的非纖維素成分（纖維素、木質(zhì)素、脂蠟質(zhì)、水溶物和果膠）。

（5）形態(tài)分析和結(jié)晶度

分離程度使用電子光學(xué)顯微鏡觀察苧麻纖維的表觀形貌和。將苧麻試樣固定在有硅片的試驗(yàn)臺(tái)上，采用D2PHASER型X衍射儀（德國(guó)布魯克AXS有限公司）測(cè)定纖維脫膠后纖維晶態(tài)結(jié)構(gòu)變化，測(cè)試中在5°～45°的2θ角度范圍內(nèi)掃描，掃描速率為0.25°/s。

（6）纖維沾色效果

以2%（omf）直接紅染料在40℃條件下對(duì)處理后的苧麻纖維樣品進(jìn)行沾色試驗(yàn)，浴比1∶50，測(cè)定不同浸漬時(shí)間下溶液吸光度的變化，計(jì)算沾色率，評(píng)價(jià)脫膠后麻纖維對(duì)染料的吸附效果。

2結(jié)果與討論

2.1苧麻纖維生物酶脫膠后的性能

苧麻脫膠中，選用七種不同的工藝進(jìn)行苧麻脫膠，分別測(cè)定脫膠處理后苧麻纖維的失重率、殘膠率、白度、強(qiáng)度和芯吸高度，結(jié)果見表1。

表1 不同脫膠工藝對(duì)苧麻纖維性能的影響

  

由表1可見，隨著脫膠工序的增加，樣品的失重率和膠質(zhì)去除率均逐漸增大。其中，組合使用果膠酶與木聚糖酶對(duì)苧麻膠質(zhì)的去除效果優(yōu)于單一果膠酶體系。苧麻韌皮纖維中果膠伴隨著纖維素存在，與半纖維素等膠雜質(zhì)粘結(jié)在一起，通過果膠酶和木聚糖酶的協(xié)同作用，有利于打破膠質(zhì)結(jié)構(gòu)之間及膠質(zhì)與纖維之間的連接，復(fù)合酶更有利于苧麻膠質(zhì)復(fù)合體的解聚^[13]，處理后殘膠率低于單獨(dú)果膠酶脫膠的樣品。

預(yù)處理對(duì)苧麻有松解作用^[14]，有利于后續(xù)酶處理過程中酶助劑滲透。酶處理加堿氧后處理的脫膠工藝能夠更好地去除苧麻膠質(zhì)，在生物酶的作用下，果膠木聚糖等解聚成為小分子進(jìn)入脫膠液中，但部分小分子與膠質(zhì)復(fù)合體之間還存在一些薄弱連接，后續(xù)堿氧處理過程中前期生物酶剝落的膠質(zhì)能更好地從苧麻上脫除。經(jīng)過預(yù)處理、復(fù)合酶脫膠和堿氧后處理聯(lián)合處理的苧麻樣品殘膠率為5.62%，接近化學(xué)脫膠三級(jí)精干麻標(biāo)準(zhǔn)（<5%）。

不同脫膠工藝加工后的苧麻白度較原樣均有增加。其中，預(yù)處理苧麻纖維的白度略有增加，堿氧處理對(duì)白度的提升效果顯著，單純堿氧處理樣品的白度為35.73%；先酶處理使苧麻膠質(zhì)復(fù)合體松散解聚，再進(jìn)行堿氧處理能充分破環(huán)色素，提升樣品的白度分別至59.31%和60.67%，均滿足三級(jí)精干麻50%的要求。

不同條件下脫膠的苧麻束纖維強(qiáng)度均較原麻有降低。樣品經(jīng)預(yù)處理后束纖維的強(qiáng)度降低，可能源于機(jī)械碾壓松麻中纖維受損；復(fù)合酶脫膠樣品較單一果膠酶脫膠樣品束纖維強(qiáng)度低，這是由于復(fù)合酶脫膠樣品膠質(zhì)去除率高，纖維更加分散^[15]；堿氧處理能充分去除纖維表面和纖維間的膠質(zhì)，單纖維直徑變小，故束纖維強(qiáng)度顯著增加。

預(yù)處理能顯著提升苧麻纖維的親水性，這歸因于機(jī)械碾壓破壞了纖維膠質(zhì)區(qū)域的完整性，纖維變得更加柔軟分散，毛細(xì)作用更顯著。考慮到苧麻束纖維強(qiáng)力高，超出現(xiàn)有束纖維強(qiáng)力機(jī)與紗線強(qiáng)力機(jī)量程，故選用織物強(qiáng)力機(jī)，在最小夾持距離下測(cè)試不同苧麻纖維芯吸高度。復(fù)合酶脫膠樣品的液體芯吸高度較單獨(dú)果膠酶脫膠樣品高（樣品d液體芯吸高度10.3cm）。堿氧處理對(duì)纖維液體芯吸高度有一定的提升效果；將復(fù)合酶處理與堿氧和后處理相結(jié)合，樣品g的芯吸高度升至16cm。

2.2生物酶脫膠苧麻纖維化學(xué)成分研究

酶脫膠苧麻纖維的失重率、殘膠率、白度、束纖維強(qiáng)度和親水性的結(jié)果表明，復(fù)合生物酶處理結(jié)合物理預(yù)處理與堿氧后處理的綜合苧麻脫膠工藝可獲得低殘膠率、物理性能優(yōu)良的脫膠苧麻纖維。研究考察了不同脫膠工藝苧麻樣品的化學(xué)成分含量變化，結(jié)果見表2。

與苧麻原麻相比，處理后纖維中的各膠質(zhì)成分含量均有不同程度的下降，處理后的苧麻樣品中纖維素含量占比均增大，f和g樣品纖維素含量上升幅度最大，纖維素含量分別為86.85%和89.39%，其他各脫膠工藝效果次之。原麻半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.1%，經(jīng)過預(yù)處理-酶處理-堿氧處理-后處理全流程處理，樣品g半纖維素降至7.46%。加入木聚糖酶對(duì)降低纖維中半纖維素含量作用不大，這可能是由于木聚糖酶主要是將半纖維素長(zhǎng)鏈大分子酶解為短鏈分子，但并未將半纖維素徹底水解為單糖^[16]，不過木聚糖酶的加入使膠質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)更加松散，有利于果膠酶脫膠。

表2 不同脫膠工藝苧麻樣品的非纖維素雜質(zhì)成分含量

  

2.3生物酶脫膠苧麻纖維的結(jié)晶度

苧麻的結(jié)晶區(qū)是排列整齊的纖維素大分子，而膠雜質(zhì)主要分布在苧麻的非晶區(qū)，為了進(jìn)一步探究樣品纖維的膠雜質(zhì)去除狀況，對(duì)其進(jìn)行了XRD分析，并計(jì)算了纖維的結(jié)晶度指數(shù)，結(jié)果如圖1和表3。

  

圖1 不同工藝處理的苧麻纖維的XRD圖譜

表3 不同工藝處理的苧麻纖維的特征峰和結(jié)晶度

  

由圖1可知，樣品a和b的XRD曲線強(qiáng)度較樣品e、f和g略高，2θ的主要衍射帶呈現(xiàn)在22°和23°之間，為纖維素Ⅰ的（002）晶面族，2θ的其他帶呈現(xiàn)在14.5°和17.1°之間，對(duì)應(yīng)于纖維素Ⅱ（101）晶面族的特征帶，表明不同脫膠處理未改變苧麻纖維的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和纖維素類型。比較不同脫膠工藝處理的苧麻纖維的結(jié)晶度指數(shù)，樣品b的結(jié)晶度指數(shù)高于樣品a，樣品e結(jié)晶度指數(shù)也顯著增加，主要?dú)w因于含較多膠雜質(zhì)的苧麻非晶區(qū)被果膠酶和堿氧破壞，使纖維結(jié)晶度增加。樣品f結(jié)晶度達(dá)到53.80%，表明果膠酶處理后進(jìn)行堿氧處理，能使非纖維素成分被進(jìn)一步去除；樣品g的結(jié)晶度最高，表明加入木聚糖有利于提高膠質(zhì)去除，導(dǎo)致非晶區(qū)含量降低，相對(duì)結(jié)晶度則隨之增加。

2.4生物酶脫膠苧麻纖維的沾色性能

為進(jìn)一步探究不同工藝處理的苧麻纖維的結(jié)晶情況，對(duì)比考察了直接紅對(duì)不同苧麻纖維的沾色效果，結(jié)果如圖2所示。

  

圖2 不同工藝處理的苧麻纖維的沾色速率曲線和220min沾色率

由圖2可知，樣品a、b的沾色率較高，這是因?yàn)閱为?dú)果膠酶處理時(shí)脫膠效果一般，沾色時(shí)直接染料大分子容易進(jìn)入到含雜量較高的纖維非晶區(qū)，吸附在纖維表面。堿氧處理能去除多種非纖維素膠質(zhì)，非晶區(qū)比例相對(duì)降低，故樣品e沾色率降低。樣品f和g沾色率依次降低，驗(yàn)證了果膠酶處理和堿氧后處理能高效去除膠質(zhì)等非纖維共生物，使纖維中非晶區(qū)比例進(jìn)一步降低，室溫下直接染料對(duì)結(jié)構(gòu)緊度較高的纖維沾色較輕。

2.5脫膠苧麻纖維的表觀形貌

基于預(yù)處理-酶處理-堿氧-后處理聯(lián)用的苧麻脫膠工藝獲得的苧麻纖維（樣品g）各項(xiàng)性能最優(yōu)。借助電子顯微鏡觀察苧麻纖維的表面形態(tài)和纖維分散情況，結(jié)果如圖3。

  

圖3 不同脫膠工藝處理的苧麻纖維的電子顯微鏡圖

從圖3可以看出，未脫膠的苧麻原麻表面粗糙，外觀呈片狀，多根纖維被非纖維素成分粘結(jié)在一起。經(jīng)果膠酶處理的a樣品膠質(zhì)被部分除去，纖維之間分離；預(yù)處理-果膠酶脫膠工藝處理的樣品b，膠質(zhì)碎片較少粘結(jié)，纖維更加分散，具有一定光澤。堿氧處理的樣品e白度增加，纖維間的黏結(jié)減少，纖維呈束狀分散，纖維直徑仍較大。預(yù)處理-果膠酶脫膠-堿氧-后處理的樣品f外觀潔白，纖維表面光滑清潔，分離程度顯著增加。采用預(yù)處理-復(fù)合酶脫膠-堿氧-后處理工藝脫膠過的樣品g表面更光滑，更清潔，結(jié)構(gòu)蓬松，具有良好的絲光感，驗(yàn)證了果膠酶和木聚糖酶的協(xié)同作用下非纖維素成分之間的連接被破壞，結(jié)合后處理進(jìn)一步促進(jìn)了膠質(zhì)結(jié)構(gòu)解體，獲得品質(zhì)較好的精干麻纖維。

3結(jié)論

（1）木聚糖酶有利于半纖維素降解，促進(jìn)果膠酶對(duì)底層膠質(zhì)酶解；與單獨(dú)果膠酶脫膠相比，果膠酶和木聚糖酶具有協(xié)同增效作用，有利于苧麻膠質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生解構(gòu)與解體，提升膠質(zhì)去除率和纖維分離度。

（2）機(jī)械碾壓、尿素浸漬和熱水沸煮預(yù)處理使苧麻原麻松解，降低了酶分子擴(kuò)散位阻；堿氧作用能打破膠質(zhì)間和膠質(zhì)-纖維間連接；組合預(yù)處理、復(fù)合酶處理與堿氧進(jìn)行脫膠，有利于雜質(zhì)從苧麻纖維膠質(zhì)復(fù)合體中釋放出來，提升纖維分離度。

（3）預(yù)處理-復(fù)合酶脫膠-堿氧后處理組合工藝可高效去除苧麻中非纖維膠質(zhì)成分，提升纖維親水性；與傳統(tǒng)堿法化學(xué)脫膠方法相比，得到的苧麻纖維殘膠率較低、品質(zhì)優(yōu)良且手感柔軟，可用于高支紗紡制和高檔苧麻紡織品加工。

 

參考文獻(xiàn)

[1]開吳珍.大麻脫膠方法綜述[J].染整技術(shù)，2019，41（7）：20-23.

[2]謝莉敏，陳桂華，吳曉玉，等.苧麻脫膠工藝的研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（2）：226-228.

[3]任燕，邢建偉，徐成書，等.超聲波預(yù)處理在羅布麻生物脫膠工藝中的應(yīng)用[J].印染，2018，44（24）：22-25.

[4]李成紅，陳英，高藝.漢麻纖維的微生物-化學(xué)聯(lián)合脫膠[J].印染，2020，46（10）：13-18.

[5]劉喚明，梁運(yùn)祥，彭定祥.苧麻酶法脫膠的研究[J].中國(guó)麻業(yè)，2006，28（2）：87-90.

[6]鄭來久，劉劍宇.紅麻全酶法脫膠工藝及機(jī)理研究[J].紡織學(xué)報(bào)，2004，25（1）：46-48.

[7]管映亭.苧麻酶法脫膠的研究[J].上海紡織科技，1999，27（4）：4-6．

[8]唐文君，范雪榮，于擁軍，等.亞麻織物的復(fù)合生物酶精練[J].印染，2018，44（8）：24-26.

[9]李立恒，謝達(dá)平，揭雨成，等.苧麻酶-化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝優(yōu)化[J].紡織學(xué)報(bào)，2010，31（2）：60-63，68.

[10]丁紹敏，劉學(xué)軍，劉澤楨，等.苧麻酶生化脫膠與應(yīng)用技術(shù)研究[J].廣西紡織科技，2006，35（2）：6-10.

[11]俞春華，馮新星，賈長(zhǎng)蘭，等.大麻纖維高溫-酶聯(lián)合脫膠技術(shù)[J].紡織學(xué)報(bào)，2007，28（6）：79-82.

[12]管云玲.大麻堿氧一浴一步法短流程脫膠漂白新工藝研究[D].青島：青島大學(xué)，2003.

[13]SHARMA M. Application of enzymes in textile Industry[J]. Colourage，1993（6）：13-17.

[14]DUAN S W. Bacterial strain for bast fiber crops degumming and its bio-degumming technique[J]. Bioprocess and Biosystems Engineering，2021，44（12）：2503-2512.

[15]CHAUDHURI S R，MUKHERJEE I. Optimization of bio-chemical degumming of ramie fiber for improved strength & luster[J]. Biotechnology Reports，2020.DOI：10.1016/j.btre.2020.e00532.

[16]BISWAS. Eco-friendly degumming technology for ramie fiber[J].Journal of Natural Fibers，2016，13（2）：227-237.

 

文章摘自：王楚元，段旬妍，余圓圓，王平，王強(qiáng).苧麻的果膠酶/木聚糖酶復(fù)合生物酶脫膠[J].印染，2023，49(03):9-12+41.