摘  要：為了高效提取羅布麻韌皮組織中的羅布麻纖維，利用化學(xué)－生物酶聯(lián)合脫膠工藝除去羅布麻韌皮中的果膠和其他雜質(zhì)。分析預(yù)酸、堿煮、酶處理在不同溫度、濃度、時間條件下對羅布麻脫膠效果的影響；通過場發(fā)射高倍掃描電鏡觀察羅布麻脫膠前后的表面形貌特征，借助傅里葉紅外光譜儀分析了羅布麻纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)。正交試驗分析結(jié)果表明，最優(yōu)脫膠條件為：在對織物質(zhì)量1.75%的硫酸溶液，溫度65℃,時間55min的條件下預(yù)酸，在對織物重4.5%氫氧化鈉、4%硅酸鈉、2.5%亞硫酸鈉、3.5%Z-16、溫度70℃、時間105min的條件下堿煮；在25g/LJS-369、6g/L雙氧水、溫度70℃、時間85min的條件下酶處理；此時纖維斷裂強力為13.5cN,白度為76.5%,失重率為46.5%,果膠含量為5.13%,半纖維素含量為10.25%,木質(zhì)素含量為0.98%。SEM測試結(jié)果表明，脫膠后的羅布麻纖維表面光滑平整。紅外光譜圖顯示，羅布麻纖維的特征吸收峰有所減弱，說明化學(xué)－生物酶聯(lián)合脫膠工藝可高效去除羅布麻皮中的果膠和其他雜質(zhì)。

關(guān)鍵詞：羅布麻纖維；聯(lián)合脫膠；預(yù)酸；堿煮；酶處理；性能測試

 

羅布麻屬于夾竹桃科多年生宿根草本植物，是我國特色植物資源。羅布麻纖維具有絲的光澤、麻的挺括和棉的柔軟，其制成的紡織品透氣性好，吸濕性強，同時具有柔軟、抑菌、冬暖夏涼等特點^[1-9]。但與亞麻或苧麻相比，羅布麻纖維存在以下缺點：一是羅布麻纖維屬單纖維而不是束纖維，纖維細長且長度差異大；二是羅布麻韌皮組織中的果膠含量較高，導(dǎo)致木質(zhì)素與表皮纖維粘連度較強；三是纖維素含量相對較低，僅占原麻質(zhì)量的45%~55%^[10],除雜負擔(dān)較重。因此，羅布麻纖維脫膠難度較大，相應(yīng)地脫膠工藝會對纖維性能產(chǎn)生更直接的影響^[11]。

目前羅布麻脫膠的方法有化學(xué)脫膠物理脫膠和生物法脫膠等。化學(xué)脫膠通過強堿作用對羅布麻進行脫膠獲得精干麻，但其對纖維的損傷程度大，且存在環(huán)境污染大、能源消耗高和廢水難以處理等問題^[12-13]。

物理脫膠主要包括高溫高壓、超聲和微波等方法^[14],對羅布麻脫膠有著較好的輔助作用^[15],對環(huán)境污染較小，但是脫膠效率較低。生物法脫膠分為微生物脫膠和生物酶脫膠兩種。在微生物脫膠方面，鄔金云等^[16]利用好氧微生物枯草芽孢桿菌對羅布麻進行脫膠，脫膠率低，僅為45%,且脫膠時間長達24h。生物酶脫膠對纖維損傷較小，但對脫膠條件要求較高且脫膠率受限。例如，ShengwenDuan等^[17]對羅布麻進行生物酶脫膠，殘膠含量比化學(xué)脫膠高22.56%,斷裂強度高18.14%。生物化學(xué)聯(lián)合脫膠法^[18-19]可以在減輕對環(huán)境污染的前提下，得到質(zhì)量較好的精干麻。胡延素^[20]采用混合菌對苧麻進行微生物化學(xué)聯(lián)合脫膠，纖維殘膠率僅為2.04%。因此，本文通過篩選優(yōu)化酶種，采用化學(xué)－生物酶聯(lián)合脫膠的方法，得到強力高、去雜效果好的精干羅布麻。

 

1試驗部分

1.1試驗原料、試劑與儀器

原料：手剝羅布麻麻皮（新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣）。

試劑：氫氧化鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%,分析純，天津市百世化工有限公司），硅酸鈉（天津市百世化工有限公司），過氧化氫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%,分析純，天津永晟精細化工有限公司），無水硫酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%,分析純，天津永晟精細化工有限公司），生物酶(Z-16、JS369、YA592、HS120、HJ061,清遠瑞華助劑有限公司），硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%,分析純，南京盛慶和化工公司）。

儀器：YG008E型電子單纖維強力機（泉州市美邦儀器有限公司），JY10002型電子天平（上海良平儀器表有限公司），WSB-3A型智能式數(shù)字白度針（溫州大榮紡織儀器有限公司），HH-S8型數(shù)顯恒溫水浴鍋（江蘇金怡儀器科技有限公司），KG85型染浴鍋（佛山市順德區(qū)容桂蕓寶印染機械廠），SU8010型場發(fā)射高倍掃描電子電鏡（日本日立公司），傅里葉紅外光譜儀等。

1.2試驗過程

工藝流程：剝麻→稱麻→預(yù)酸處理→水洗→堿煮→水洗→酶處理→冷熱水交叉清洗→烘干→精干麻。

1.2.1生物酶的選擇

分別用4種生物酶對羅布麻韌皮進行初步脫膠，浴比為1∶50。預(yù)酸工藝為：1.5%硫酸，50℃,30min。堿煮工藝為：2%氫氧化鈉，2.5%硅酸鈉，1%亞硫酸鈉，0.5%Z-16,85℃,60min。酶處理工藝為:10g/L生物酶,2L雙氧水,85℃,30min。

1.2.2預(yù)酸處理

羅布麻的前處理采用酸處理。采用正交試驗方法,預(yù)酸浴比為1:50,硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.25%、1.75%、2.25%,染浴溫度分別為55、65、75℃,加熱時間分別為55、65、75min。預(yù)酸為試驗A組,共進行A1~A99組試驗。

1.2.3堿煮處理

對預(yù)酸處理后的羅布麻纖維進行堿煮。用清水沖洗預(yù)酸后的羅布麻纖維,隨后依次加入適量氫氧化鈉硅酸鈉、亞硫酸鈉以及2-16,將其放入染浴鍋中加熱。在堿煮過程中,以堿煮工藝作為單一變量,預(yù)酸和酶處理作為定量。堿煮條件分別為:氫氧化鈉4.5%5.5%、6.5%,硅酸鈉3%、4%、5%,亞硫酸鈉2.5%3.5%、4.5%,Z-161.5%、2.5%、3.5%,染浴溫度50、6070℃、時間85、95、105min。堿煮為試驗B組,進行B1~B18共18組試驗。

1.2.4生物酶處理

對堿煮處理后的羅布麻纖維進行生物酶處理。用清水沖洗堿煮后的羅布麻纖維,隨后加入適量的生物酶和雙氧水,將其置于染缸中加熱。最后,將處理后的羅布麻纖維交替使用溫水和涼水沖洗,于溫度60℃下干燥。在酶處理過程中以預(yù)酸處理、堿煮為定量,酶處理為單一變量。酶處理條件分別為:生物酶15、20、25g/L,雙氧水4、6、8L,溫度70、85、100℃,時間45、65、85min,生物酶處理為試驗C組,共進行C1~C99組試驗

1.2.5中試試驗

根據(jù)單因素試驗測得脫膠后羅布麻的性能,對脫膠性能較好的羅布麻纖維進行工藝組合,得到最優(yōu)組合工藝,將最優(yōu)組合工藝等比例放大20倍,經(jīng)企業(yè)設(shè)備進行中試試驗。中試地點在新疆天毛紡織股份有限公司。

1.3性能測試

失重率測定以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)W(%)表示,按式(1)進行計算:

  

式中:M。--脫膠前麻皮質(zhì)量，g；

M₁脫膠后麻纖維質(zhì)量，g

殘膠率通過精干麻的失重率進行測定，按式(2)進行計算：

  

式中：W1—完全脫膠后羅布麻的失重率，g；

W2—待測脫膠后羅布麻的失重率，g。

果膠含量的測定參考GB5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，按式(3)進行計算：

  

式中：M1—試樣未提取前的干重，g；

M2—濾紙的質(zhì)量，g；

M3—提取果膠物質(zhì)后試樣與濾紙的總質(zhì)量，g。木質(zhì)素含量的測定參考GB5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，按式(4)進行計算：

  

式中：M1—纖維素粉末，g；

M2—濾紙重，g；

M3—濾紙與木質(zhì)素恒重，g。

半纖維素含量的測定參考GB5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，按式(5)進行計算：

  

式中：M1—試樣提取果膠后的干重，g；

M2—濾紙的質(zhì)量，g；

M3—提取半纖維素后試樣與濾紙的總質(zhì)量，g。

白度使用WSB-3A型智能式數(shù)字白度計，參考GB5881—1986《苧麻纖維白度試驗方法》進行測試。強力、斷裂強度使用YG008E型電子單纖維強力儀，參考GB5881—1986《苧麻單纖維斷裂強度試驗方法》進行測試。長度使用YG008E型電子單纖維強力儀，參考GB5881—1986《苧麻纖維長度試驗方法》進行測試。使用掃描電子顯微鏡觀察脫膠前后的表面形貌。使用紅外光譜分析儀表征脫膠前后的羅布麻麻纖維結(jié)構(gòu)，掃描范圍為4000~500cm-1,分辨率為4cm-1。

 

2結(jié)果與討論

2.1不同生物酶對羅布麻纖維脫膠效果的影響

羅布麻韌皮經(jīng)過預(yù)酸堿煮后，分別用4種不同的生物酶對羅布麻進行酶處理工序，測試脫膠后羅布麻纖維的性能，以失重率、白度、單纖維強力為主要評價指標(biāo)，測試結(jié)果見表1。

表1不同生物酶脫膠性能測試

  

從表1可以看出：生物酶YA592脫膠所得羅布麻纖維的失重率最大，生物酶HJ061處理后羅布麻纖維失重率最??；羅布麻韌皮經(jīng)生物酶JS-369處理后白度最好，生物酶HJ061所制得的精干麻白度最差；生物酶YA592處理后羅布麻單纖維的強力最大，生物酶JS-369脫膠所得精干麻強力最小。

通過數(shù)據(jù)綜合分析可以得出：在相同預(yù)酸、堿煮、酶處理條件下，生物酶JS-369白度最高，失重率較大，脫膠效果最好；生物酶HJ061所得精干麻失重率和白度最低，脫膠效果最差。綜上，選用生物酶JS-369對羅布麻纖維進行脫膠效果最好。

2.2不同預(yù)酸條件對羅布麻纖維脫膠效果的影響

正交試驗后測試羅布麻纖維的性能，A1~A9組的白度分別為72.7%、76.36%、70.02%、73.40%、70.20%、75.16%、68.38%、75.50%、69.90%?？梢钥闯?，預(yù)酸后羅布麻纖維的最低白度為68.38%,最高白度為76.36%。從白度測試結(jié)果中選取5組白度最好的羅布麻纖維，測試其強力、伸長和斷裂強度，見表2。

表 2 A組纖維強伸性測試結(jié)果

  

如表2所示：A組最低平均斷裂強力為8.60cN,最高平均斷裂強力為13.00cN;最小伸長為0.21mm,最大伸長為0.45mm;最小平均斷裂強度為4.29cN/dtex,最大平均斷裂強度為6.53cN/dtex。通過數(shù)據(jù)綜合分析得出，A1、A2、A4、A6、A8這5組羅布麻中，其白度由好到差的排序為A2>A8>A6>A4>A1,其斷裂強力由強到弱的排序為A2>A1>A4>A8>A6,斷裂強度由強到弱的排序為A2>A1>A4>A6>A8,其伸長由長到短的排序為A4>A1>A2>A6>A8。綜上得出，A組羅布麻中A2組脫膠效果最好，其預(yù)酸條件為：對織物質(zhì)量1.75%的硫酸溶液，溫度65℃,時間55min。

2.3不同堿煮條件對羅布麻纖維脫膠效果的影響

經(jīng)18組正交試驗后測試羅布麻纖維的性能，B1~B18的白度分別為66.80%、67.02%、74.66%、72.16%、72.88%、68.50%、67.72%、70.34%、71.22%、69.84%、70.22%、65.34%、66.20%、72.48%、71.76%、73.10%、73.34%、75.90%?？梢钥闯?，堿煮后羅布麻纖維的最低白度為65.34%,最高白度為75.90%。從堿煮白度測試結(jié)果中選取10組白度最好的羅布麻纖維，測試其斷裂強力、伸長和斷裂強度，結(jié)果見表3。

表3 B組纖維強伸性測試結(jié)果

  

如表3所示，B組最低平均斷裂強力為6.1cN,最高平均斷裂強力為10.46cN,最小伸長為0.18mm,最大伸長為0.49mm,最小斷裂強度為3.04cN/dtex,最大斷裂強度為5.23cN/dtex。

在B組B3~B5、B8~B9、B14~B18這10組羅布麻中，其白度由好到差的排序為B18>B3>B17>B16>B5>B14>B4>B15>B9>B8,其斷裂強力由強到弱的排序為B3>B18>B9=B8>B14>B4>B15>B17>B5>B16,斷裂強度由強到弱的排序為B3>B18>B9>B8>B14>B4>B15>B17>B5>B16,伸長由長到短的排序為B5>B14>B8>B18>B9>B15>B4>B16>B3>B17。

綜合考慮得出，B組羅布麻中B3脫膠效果最好，其堿煮條件為：對織物質(zhì)量4.5%氫氧化鈉，4%硅酸鈉，2.5%亞硫酸鈉，3.5%Z-16,溫度70℃,時間105min。

2.4不同酶處理條件對羅布麻纖維脫膠效果的影響

經(jīng)9組正交試驗后測試羅布麻纖維的性能，C1~C9的白度分別為70.20%、75.06%、69.30%、69.94%、68.34%、73.76%、70.98%、71.10%、68.88%?？梢钥闯觯柑幚砗罅_布麻纖維的最低白度為68.34%,最高白度為75.06%。從酶處理白度測試結(jié)果中選取5組白度最好的羅布麻纖維，測試其斷裂強力、伸長和斷裂強度，結(jié)果見表4。

表4 C組纖維強伸性測試結(jié)果

  

從表4可以看出，C組最低平均強力為7.33cN,最高平均強力為9.69cN,最小伸長為0.31mm,最大伸長為0.61mm,最小斷裂強度為3.16cN/dtex,最大斷裂強度為4.84cN/dtex。

在C組C1~C2、C6~C8這5組羅布麻中，其白度由好到差的排序為C2>C6>C8>C7>C1,其強力、斷裂強度由強到弱的排序為C8>C1>C6>C2>C7,其伸長由長到短的排序為C7>C8>C1>C2>C6。通過數(shù)據(jù)對比，得出C組羅布麻中C8脫膠效果最好，其酶處理條件為：25g/LJS-369,6g/L雙氧水，溫度70℃,時間85min。

2.5中試試驗結(jié)果

通過上述正交試驗確定各因素的最佳范圍，得出A2、B3、C8這3組羅布麻纖維的脫膠效果最好。羅布麻預(yù)酸條件為：對織物質(zhì)量1.75%的硫酸溶液，溫度65℃,時間55min。堿煮條件為：對織物質(zhì)量4.5%氫氧化鈉，4%硅酸鈉，2.5%亞硫酸鈉，3.5%Z-16,溫度6g/L雙氧水，溫度70℃,時間85min時效果最好。

根據(jù)此優(yōu)化試驗條件測得羅布麻脫膠后白度為74.26%。參考GB5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，測得果膠含量為4.7%,半纖維素含量為12.08%,木質(zhì)素含量為1%。將此優(yōu)化組合工藝下的羅布麻等比例放大20倍進行中試試驗，測得脫膠后羅布麻纖維白度為76.5%,單纖維斷裂強力為13.5cN,中試羅布麻脫膠后失重率為46.5%,殘膠率為17.2%,果膠含量為5.13%,半纖維素含量為10.25%,木質(zhì)素含量為0.98%。

2.6羅布麻纖維的表面形貌

羅布麻纖維的掃描電鏡見圖1,其中脫膠后的羅布麻纖維為經(jīng)最優(yōu)工藝處理后的纖維。

  

圖1脫膠前后羅布麻的表面形貌對比圖

如圖1(a)所示，未脫膠的羅布麻纖維存在較多雜質(zhì)，羅布麻纖維被大量膠質(zhì)顆粒包裹，纖維輪廓不清晰，表面粗糙且不平整。如圖1(b)所示，脫膠后羅布麻纖維表面光滑、平整，纖維輪廓清晰。

以上結(jié)果表明，羅布麻纖維表面的雜質(zhì)已基本去除，由此可知化學(xué)－生物酶聯(lián)合脫膠法具有較好的脫膠效果。

2.7羅布麻纖維的FTIR分析

羅布麻纖維的紅外光譜圖見圖2,其中處理后的羅布麻纖維經(jīng)化學(xué)生物酶脫膠。

  

圖2 脫膠前后羅布麻纖維的紅外光譜圖

從圖2可以看出，在3364cm-1處(?OH伸縮振動）出現(xiàn)的峰是纖維素及半纖維素成分的特征吸收峰，在2894cm-1處(C—H的伸縮振動）的峰是纖維素及大分子膠質(zhì)的特征峰，在1725cm-1及1636cm-1處的吸收峰是木質(zhì)素羰基、半纖維素乙?；奶卣魑辗澹?433、1365、1316、1067cm-1處的吸收峰為果膠中半乳糖醛酸在指紋區(qū)的特征吸收峰，在657cm-1處(C—OH面外彎曲）出現(xiàn)的峰是纖維素的主要特征峰。羅布麻纖維經(jīng)脫膠處理后，上述基團的吸收振動峰均有所減弱，說明經(jīng)脫膠處理后，羅布麻纖維中果膠、木質(zhì)素、半纖維素和非纖維素等雜質(zhì)的含量明顯減少。

 

3結(jié)語

(1)經(jīng)試驗比較，本文選取了一種脫膠效果好，白度高，失重率大的生物酶JS-369進行脫膠。

(2)采用化學(xué)－生物酶聯(lián)合方法對羅布麻進行脫膠，通過正交試驗對脫膠工藝進行優(yōu)化，得到最優(yōu)脫膠條件。與單因子試驗相比較，羅布麻纖維在此脫膠條件下得到的白度最好為76.5%,提高了4%~10%,單纖維斷裂強力為13.5cN。

(3)SEM測試結(jié)果顯示，脫膠處理后的羅布麻纖維表面更加光滑、平整、雜質(zhì)少；FTIR結(jié)果顯示，羅布麻纖維的個別特征吸收峰有所減弱，表明羅布麻皮中的果膠、木質(zhì)素、半纖維素和非纖維素等雜質(zhì)已基本去除。這說明該優(yōu)化組合工藝適用于羅布麻纖維的脫膠。根據(jù)優(yōu)化組合工藝試驗條件進行中試試驗，試驗結(jié)果與實驗室小樣測試結(jié)果幾乎一致，可知該優(yōu)化組合工藝具有可行性。

 

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