生物酶前處理在稻秸稈纖維提取中的應(yīng)用

花兆輝，楊 丹，孫衛(wèi)國(guó)

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048)

稻秸稈成份包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠及灰分等[1]。目前在紡織上對(duì)稻秸稈的研究主要有東華大學(xué)的俞鎮(zhèn)慌教授[2-3]對(duì)秸稈纖維成網(wǎng)工藝和秸稈纖維非織布用作無(wú)土栽培基質(zhì)的研究，劉冰和程士潤(rùn)等[4-5]采用堿煮法對(duì)稻秸稈纖維提取工藝的探討。

目前化學(xué)脫膠工藝主要以堿液煮煉為主，但化學(xué)脫膠工藝普遍存在成本高、污染重，損傷纖維等問(wèn)題[6]。本文采用生物酶(木聚糖酶、果膠酶)對(duì)稻秸稈脫膠進(jìn)行預(yù)處理，這樣可以提高脫膠的效率，減少環(huán)境污染，同時(shí)還可以有效提高纖維的性能。實(shí)驗(yàn)分析了生物酶的用量、溫度、時(shí)間及pH值對(duì)稻秸稈脫膠的影響，并得出優(yōu)化工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

原料：產(chǎn)于西安戶(hù)縣的稻秸稈。

藥品：木聚糖酶，果膠酶。H2SO4，氫氧化鈉(NaOH)，雙氧水(H2O2)，無(wú)水亞硫酸鈉(Na2SO3)，硅酸鈉(Na2SiO3)，焦磷酸鈉，草酸銨等(以上均為分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

JA1203N 型電子天平；JA-N 型精密扭力天平；Y171-1 型纖維切斷器；Y802A 型八籃恒溫烘箱；Y321B型手搖捻度儀；DZKW-4 電子恒溫水浴鍋；JJ-1 型定時(shí)電動(dòng)攪拌器；YG004 型電子單纖維強(qiáng)力儀。

1.3 工藝流程

1.3.1 單獨(dú)化學(xué)堿煮工藝

(1)工藝流程

試樣→浸酸→水洗→堿煮→水洗→酸洗→水洗→抖松→脫水→烘干

(2)工藝參數(shù)

浸酸：H2SO4質(zhì)量濃度2 g/L，浴比1∶30；溫度 50 ℃；時(shí)間 120 min。

堿煮：NaOH用量 40%，H2O28 mL/L，溫度 90 ℃，時(shí)間 2 h，浴比1 ∶30。

酸洗：H2SO4質(zhì)量濃度2 g/L，浴比1 ∶50；溫度為常溫；時(shí)間 2 min。

助劑：滲透劑JFC 2 mL/L；Na2SiO33%(owf)；Na2SO35%(owf)；草酸銨5 g/L；焦磷酸鈉 5%(owf)。

注：(owf)為相對(duì)稻秸稈重量所用的試劑用量。

1.3.2 生物酶/化學(xué)脫膠工藝

(1)工藝流程

試樣→浸酸→水洗→生物酶前處理→熱水失活→水洗→堿煮→水洗→酸洗→水洗→抖松→脫水→烘干

(2)工藝參數(shù)

浸酸：H2SO4質(zhì)量濃度2 g/L，浴比1 ∶30；溫度50 ℃；時(shí)間120 min。

生物酶：木聚糖酶(溫度45～55 ℃，pH值6.5～9.5)；果膠酶(溫度40～50 ℃，pH值4.5～5.5)。

堿煮：NaOH用量 40%，H2O28 mL/L，溫度90 ℃，時(shí)間2 h，浴比 1 ∶30。

酸洗：H2SO4質(zhì)量濃度2 g/L，浴比1 ∶50；溫度為常溫；時(shí)間2 min。

助劑：滲透劑JFC2 mL/L；Na2SiO33%(owf)；Na2SO35%(owf)；草酸銨5 g/L；焦磷酸鈉5%(owf)。

注：(owf)為相對(duì)稻秸稈重量所用的試劑用量。

1.4 測(cè)試

1.4.1 殘膠率的測(cè)試

殘膠率指標(biāo)主要反映脫膠工藝的效果，殘膠率越小則脫膠效果越好。如果殘膠殘留過(guò)多，纖維的強(qiáng)度和細(xì)度下降，柔軟性也隨之下降，紗線(xiàn)密度受到影響。殘膠率的測(cè)試參照GB5889-86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》中苧麻殘膠率的測(cè)試方法，根據(jù)下面公式計(jì)算，測(cè)量3次取平均值。

殘膠率(%)=(W1-W0)/W1×100%

式中：W1—處理前試樣干重；

W0—處理后試樣干重。

1.4.2 細(xì)度的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)方法：中斷切斷稱(chēng)重法。將梳理平直的纖維束利用切斷器切取20 mm。由于稻秸稈纖維為工藝?yán)w維，讀取數(shù)值時(shí)，每根工藝?yán)w維如有分支且超過(guò)1/2按兩根記，低于此值記一根。

1.4.3 強(qiáng)度的測(cè)試

試驗(yàn)方法：試樣夾持長(zhǎng)度20 mm，預(yù)加張力0.1 cN,拉伸速度10 mm/min。將纖維放到實(shí)驗(yàn)室條件下平衡24 h后放在儀器上測(cè)定，測(cè)定10次取平均值。

1.4.4 可撓度的測(cè)試

試驗(yàn)方法：采用切斷器將纖維切成等長(zhǎng)(30 mm)。取一定量的纖維，用捻度計(jì)對(duì)纖維試樣進(jìn)行加捻，直至斷裂，得出斷裂時(shí)的捻回?cái)?shù)，并將捻斷的纖維在扭力天平上稱(chēng)重，根據(jù)下面公式計(jì)算，求得稻秸稈纖維的可撓度，測(cè)定3次取平均值。

式中：μ—捻回?cái)?shù)，捻回；

L—纖維夾持長(zhǎng)度，mm；

m—纖維重量，mg。

2 結(jié)果與分析

2.1 作用機(jī)理

2.1.1 化學(xué)脫膠機(jī)理

稻秸稈的化學(xué)脫膠就是利用其各成分對(duì)化學(xué)試劑不同的穩(wěn)定性，對(duì)膠質(zhì)部分進(jìn)行溶解、析出。如半纖維素、果膠物質(zhì)成分易被高溫堿液作用而溶解，而纖維素對(duì)堿液的作用則表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

2.1.2 生物酶前處理機(jī)理

生物酶前處理就是用生物酶對(duì)稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理，從而更有效地脫膠，改善所提取纖維的物理性能。利用生物酶催化的高效性，降低反應(yīng)物反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物中的分子更容易克服活化能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而使反應(yīng)更加速進(jìn)行。針對(duì)酶催化的專(zhuān)業(yè)性，本文采用木聚糖酶和果膠酶對(duì)脫膠進(jìn)行前處理，進(jìn)一步去除稻秸稈中所含的木質(zhì)素和果膠等雜質(zhì)。同時(shí)利用生物酶處理，還可以使纖維的空隙變大，提高纖維的柔軟性，吸水性等。

2.2 化學(xué)脫膠工藝

表1為NaOH用量40%，處理時(shí)間2 h，溫度90 ℃的條件下處理后稻秸稈纖維的性能比較。

表1 單一化學(xué)處理后稻秸稈纖維的性能

注: 其它處理?xiàng)l件如1.3.1所示。

表1表明經(jīng)過(guò)單一化學(xué)處理后稻秸稈纖維的殘膠率、細(xì)度及可撓度等性能都有待提高，這些性能直接影響了纖維的柔軟吸濕性能。因此在化學(xué)脫膠處理之前，用生物酶對(duì)稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理，這樣可以提高纖維的細(xì)度、可撓性等性能。

2.3 生物酶前處理工藝

2.3.1 木聚糖酶前處理工藝

根據(jù)木聚糖酶的適用條件，選取處理溫度為50 ℃，其它處理?xiàng)l件采用以下單因素分析來(lái)確定。

2.3.1.1 酶制劑用量的確定

選取木聚糖酶處理溫度50 ℃，時(shí)間10 h，pH值為9，浴比1 ∶30的條件下對(duì)稻秸稈前處理，然后再按1.3.2中堿煮工藝進(jìn)行化學(xué)堿煮(以下化學(xué)堿煮工藝一樣)，處理后稻秸稈纖維的性能比較如表2所示。

表2 不同用量木聚糖酶處理的稻秸稈纖維的性能

由表2可知，隨著木聚糖酶用量的增加，稻秸稈纖維的殘膠率呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著木聚糖酶用量的增加，纖維中更多的木質(zhì)素被分解，因而纖維殘膠率下降。纖維的斷裂強(qiáng)度隨酶用量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)酶用量為10%(owf)時(shí)纖維斷裂強(qiáng)力最大。纖維的細(xì)度隨著酶用量的增加先減小后增大，當(dāng)酶用量為10%(owf)時(shí)纖維細(xì)度達(dá)到最小值。稻秸稈纖維的可撓度隨著木聚糖酶用量的增加呈增大趨勢(shì)。綜合考慮纖維殘膠率、細(xì)度、斷裂強(qiáng)度和可撓度四因素，對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行分析，得出木聚糖酶用量為10%(owf)時(shí)，稻秸稈纖維的各項(xiàng)性能最優(yōu)。

2.3.1.2 酶制劑處理時(shí)間的確定

表3為木聚糖酶用量為10%(owf)，處理溫度50 ℃，pH值為9，浴比1 ∶30的條件下處理后稻秸稈纖維的性能比較。

表3 不同處理時(shí)間的木聚糖酶處理后稻秸稈纖維的性能

由表3可知，稻秸稈纖維的殘膠率和細(xì)度隨著酶處理時(shí)間的增長(zhǎng)，呈逐漸下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樘幚頃r(shí)間增長(zhǎng)，纖維中被分解的木聚糖越多，因而殘膠率和細(xì)度下降。纖維的斷裂強(qiáng)力和可撓度隨著酶處理時(shí)間的增長(zhǎng)先增大后減小，當(dāng)處理時(shí)間為10 h時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)度和可撓度分別達(dá)到最大值。綜合考慮四因素，對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行分析，得出處理時(shí)間為10 h時(shí)纖維綜合性能最佳。

2.3.1.3 酶制劑pH值的確定

表4為木聚糖酶用量為10%(owf)，處理溫度50 ℃，時(shí)間10 h，浴比1 ∶30的條件下處理后稻秸稈纖維的性能比較。

表4 不同pH值的木聚糖酶處理后稻秸稈纖維的性能

由表4可知，稻秸稈纖維的殘膠率和細(xì)度隨著酶處理pH值的增大而逐漸降低，這是因?yàn)殡S著pH值的增大，木聚糖酶的活性增強(qiáng)，對(duì)纖維木質(zhì)素的分解能力增大，因此纖維殘膠率和細(xì)度降低。纖維的斷裂強(qiáng)度和可撓度隨著酶處理pH值的增大分別呈逐漸增大的趨勢(shì)。同理分析表4中的結(jié)果，得出木聚糖酶在pH值為9時(shí)經(jīng)處理的稻秸稈纖維可得到最佳性能。

2.3.2 果膠酶前處理工藝

根據(jù)果膠酶的適用條件，選取處理溫度為45 ℃，pH值為5，其它處理?xiàng)l件采用以下單因素分析來(lái)確定。

2.3.2.1 酶制劑用量的確定

選取果膠酶處理溫度45 ℃，時(shí)間8 h，pH值為5，浴比1 ∶30的條件下對(duì)稻秸稈前處理，處理后稻秸稈纖維的性能比較如表5所示。

表5 不同用量果膠酶處理后稻秸稈纖維的性能

對(duì)表5進(jìn)行分析可得，稻秸稈纖維殘膠率和細(xì)度隨著果膠酶處理用量的增大而逐漸增加。纖維的斷裂強(qiáng)度和可撓度隨著酶處理用量的增大分別呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，當(dāng)果膠酶處理用量為10%(owf)時(shí)，分別達(dá)到最小值?？紤]纖維殘膠率、細(xì)度、斷裂強(qiáng)度和可撓度對(duì)表5結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出果膠酶用量為8%(owf)時(shí)，稻秸稈纖維的性能最優(yōu)。

2.3.2.2 酶制劑處理時(shí)間的確定

表6為果膠酶用量為8%(owf)，處理溫度45 ℃，pH值為5，浴比1 ∶30的條件下處理后稻秸稈纖維的性能比較。

表6 不同處理時(shí)間果膠酶處理后稻秸稈纖維的性能

由表6可知，秸稈纖維的殘膠率隨著果膠酶處理時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，這是因?yàn)殡S著處理時(shí)間的增長(zhǎng)，纖維中被分解的果膠增加，因而纖維的殘膠率減小。纖維的細(xì)度隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)先減小后增大，當(dāng)處理時(shí)間為8 h時(shí)纖維細(xì)度達(dá)到最小值。纖維的斷裂強(qiáng)度和可撓度隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)先增大后減小，處理時(shí)間為8 h和10 h時(shí)纖維斷裂強(qiáng)度和可撓度分別達(dá)到最大值。同理，分析表6各項(xiàng)結(jié)果，得出果膠酶處理時(shí)間為8 h時(shí)，稻秸稈纖維得到最佳性能。

2.4 優(yōu)化工藝對(duì)比

將稻秸稈在單一化學(xué)脫膠工藝和木聚糖酶、果膠酶的前處理優(yōu)化工藝條件下處理，所得稻秸稈纖維的性能見(jiàn)表7。

通過(guò)表7中各優(yōu)化工藝比較可知，采用生物酶前處理后所提取的稻秸稈纖維殘膠率都比單一化學(xué)處理的要小，細(xì)度和可撓度都有一定的改善，這有效提高了稻秸稈纖維的柔軟性。其中通過(guò)對(duì)木聚糖酶前處理提取的纖維性能和果膠酶前處理提取的纖維性能進(jìn)行比較，可以得出經(jīng)過(guò)木聚糖酶前處理所提取的纖維性能要優(yōu)于后者。

表7 不同工藝處理稻秸稈纖維的性能

3 結(jié) 論

(1) 稻秸稈采用生物酶(木聚糖酶、果膠酶)進(jìn)行脫膠前處理，其條件溫和，對(duì)稻秸稈纖維損傷小，可有效提高纖維細(xì)度、可撓性等性能，改善纖維的柔軟吸濕性能。

(2)與單一化學(xué)脫膠處理比較，采用生物酶(木聚糖酶、果膠酶)對(duì)稻秸稈纖維進(jìn)行前處理后，纖維的各項(xiàng)性能都得到了一定的提高。 木聚糖酶前處理優(yōu)化工藝結(jié)果為：殘膠率8.73%,細(xì)度4.03 tex，斷裂強(qiáng)度4.75 cN/dtex，可撓度1.42 捻/dtex·m；果膠酶前處理優(yōu)化工藝結(jié)果為：殘膠率9.38%,細(xì)度4.25 tex，斷裂強(qiáng)度4.38 cN/dtex，可撓度1.33 捻/dtex·m。

(3)經(jīng)木聚糖酶前處理后的稻秸稈纖維性能要比果膠酶前處理后的要好，其中殘膠率，細(xì)度和可撓度改善了5%～8%。

[1] 鄔義明．植物纖維化學(xué)[M]．北京：輕工業(yè)出版杜，1991:20-45.

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