劉 楊，崔運(yùn)花,2

(1.東華大學(xué)，上海 201620；2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

漆酶去除桑皮木質(zhì)素工藝探索

劉 楊1，崔運(yùn)花1,2

(1.東華大學(xué)，上海 201620；2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

文章以漆酶用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和pH值作為變量，進(jìn)行生物酶-化學(xué)聯(lián)合法去除木質(zhì)素的工藝探索。

漆酶；桑皮纖維；殘余木質(zhì)素；工藝；正交實(shí)驗(yàn)

木質(zhì)素是一種廣泛存在于植物中的無(wú)定形的、分子結(jié)構(gòu)中含有氧代苯丙醇或其衍生物結(jié)構(gòu)單元的芳香性高聚物，其結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定。目前，紡織加工中木質(zhì)素主要在高溫、堿性條件下，加入適當(dāng)?shù)闹缶殑╅L(zhǎng)時(shí)間煮練或采用高溫磺化法和低溫氯化法，分別生成磺化木質(zhì)素和氯化木質(zhì)素，最終達(dá)到去除木質(zhì)素的目的。但是無(wú)論哪一種方法，木質(zhì)素的去除效果都達(dá)不到60%，并且木質(zhì)素還會(huì)發(fā)生光解產(chǎn)生顏色變化，影響原料使用性能。本文從綠色紡織加工角度出發(fā)，使用專一、高效和環(huán)保的木質(zhì)素降解酶，利用漆酶探索較優(yōu)的木質(zhì)素去除工藝，提高木質(zhì)素去除效率。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料：漆酶,蘇柯漢(濰坊)生物工程有限公司。桑皮纖維,新疆和田墨玉縣普恰克其鄉(xiāng)。

試驗(yàn)藥品：氫氧化鈉、硫酸、草酸銨、苯、無(wú)水乙醇、氯化鋇、多聚磷酸鈉、硅酸鈉、醋酸、醋酸銨、冰醋酸。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

FA2004A型精密型電子天平，Y801A型電熱恒溫水浴鍋，SHB-ⅢA型循環(huán)水式多用真空泵，DK-S16型電熱恒溫水浴鍋，Y802A型電熱恒溫干燥箱。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

首先進(jìn)行漆酶單獨(dú)處理桑皮纖維的試驗(yàn)探索，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行桑皮纖維木質(zhì)素去除的正交試驗(yàn)。漆酶處理的試驗(yàn)流程為：原料-酶處理-水洗-烘干，酶處理過(guò)程中每隔15 min進(jìn)行一次攪拌。正交試驗(yàn)流程為：原料-預(yù)酸處理-水洗-漆酶處理-水洗-堿處理-水洗-脫水-烘干。試驗(yàn)中浴比均為1∶30。堿處理時(shí)表面活性劑和穩(wěn)定劑多聚磷酸鈉和硅酸鈉的用量分別為3%、2%。

1.3.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)中原料化學(xué)成分分析、木質(zhì)素含量、殘膠率和殘余木質(zhì)素均按照GB 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》來(lái)測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原料成分分析

將原料整理，混合均勻，取每個(gè)原料試樣重約5 g，根據(jù)GB 5889—86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，按照實(shí)驗(yàn)要求與步驟，測(cè)得桑皮纖維的回潮率為12.10%，含水率為10.80%，化學(xué)成分含量見表1。

表1 勾拉強(qiáng)力隨壓力增大的變化情況

從以上數(shù)據(jù)可以看出，桑皮纖維回潮率屬于天然纖維中的中等水平，和苧麻、亞麻相當(dāng)，略高于棉纖維，低于毛纖維。果膠、半纖維素和木質(zhì)素是桑皮纖維的主要伴生物，含量在天然纖維伴生物中都屬于較高水平。

2.2 漆酶處理工藝探索

試驗(yàn)中利用冰醋酸和醋酸銨配置成供不同pH環(huán)境使用的緩沖溶液，確保試驗(yàn)過(guò)程中PH的穩(wěn)定性。

2.2.1 酶處理用量的影響

實(shí)驗(yàn)條件:溫度45℃，時(shí)間1.5 h，pH值4.5。

試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，隨著漆酶用量的升高，殘余木質(zhì)素含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而在酶用量達(dá)到20%后下降速度緩慢并且趨于平衡，這是因?yàn)槠崦甘蔷哂袑Ｒ恍缘纳锩福现羞€有以果膠和半纖維素為主的雜質(zhì)，影響了漆酶的滲透性，原料并未進(jìn)行前處理，纖維的蓬潤(rùn)性不理想，這些因素影響了漆酶的處理效果。殘膠率的趨勢(shì)和殘余木質(zhì)素下降趨勢(shì)相似。

圖1 酶用量對(duì)木質(zhì)素去除效率的影響

圖2 酶用量對(duì)除膠效率的影響

2.2.2 酶處理pH值的影響

實(shí)驗(yàn)條件:溫度45℃，時(shí)間1.5 h，酶用量15%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 pH值對(duì)膠質(zhì)去除效率的影響

從表2可以看出：在其它條件相同的情況下，當(dāng)pH值為4.5時(shí)，漆酶處理效果最好，無(wú)論是殘余木質(zhì)素還是殘膠率含量都是相對(duì)比較低的，漆酶的活性范圍在pH為4.5～6.5之間，所以兩項(xiàng)指標(biāo)在活性pH范圍內(nèi)的變化差異都不是很大。

2.2.3 酶處理時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)條件:溫度45℃，pH值4.5，酶用量15%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 酶處理時(shí)間對(duì)木質(zhì)素去除效率的影響

圖4 酶處理時(shí)間對(duì)除膠效率的影響

由圖3、圖4可以看出，殘余木質(zhì)素和殘膠率都隨著時(shí)間的增加而減小，說(shuō)明增加酶處理時(shí)間，確實(shí)可以增加酶與纖維中木質(zhì)素的反應(yīng)，更加有利于木質(zhì)素的去除，膠質(zhì)的去除效果也一樣。當(dāng)反應(yīng)只有0.5 h時(shí)，由于時(shí)間過(guò)短，原料蓬松度差，酶與原料接觸時(shí)間有限，木質(zhì)素和膠質(zhì)的處理都不理想。但是處理超過(guò)2 h后，雖然去除木質(zhì)素的趨勢(shì)還是有利的，但是效果已不明顯，繼續(xù)增加處理時(shí)間也不會(huì)有很大的效果。

由于酶的高效性，可以看出，在處理達(dá)到一定時(shí)間后，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到反應(yīng)條件所對(duì)應(yīng)的效果，反應(yīng)時(shí)間不夠或者增加時(shí)間也都不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生大的影響。

2.2.4 酶處理溫度的影響

實(shí)驗(yàn)條件:時(shí)間1.5 h，pH值4.5，酶用量15%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可以看出，溫度不同時(shí)，殘余木質(zhì)素?cái)?shù)值會(huì)上下浮動(dòng)，但是波動(dòng)的范圍很小，殘膠率小幅度上升。對(duì)于木質(zhì)素和膠質(zhì)的去除，在酶的最適溫度范圍內(nèi)，溫度的變化不會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，只有當(dāng)溫度低于或者高于酶的最適溫度范圍時(shí)，才會(huì)干擾或者抑制酶的活性。

表3 溫度對(duì)膠質(zhì)去除效率的影響

2.3 正交試驗(yàn)

由于單獨(dú)利用漆酶處理原料，木質(zhì)素去除效果不好，殘余膠質(zhì)也較多，故采用工藝流程：原料-預(yù)酸處理—水洗-漆酶處理-水洗-堿處理—水洗-脫水-烘干，影響木質(zhì)素去除效果的四個(gè)主要因素為預(yù)酸濃度、漆酶處理用量、漆酶處理時(shí)間和堿處理濃度，進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交表選用L9(43)，水平設(shè)計(jì)因子見表4，正交試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 正交因子水平表

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

從表5的結(jié)果可以看出，各因素對(duì)木質(zhì)素的去除效果影響程度依次為酶處理用量>堿處理濃度>預(yù)酸濃度>酶處理時(shí)間，以殘余木質(zhì)素作為指標(biāo)，得出木質(zhì)素去除效果最好的工藝為A1B3C3D3，即預(yù)酸濃度1 g/L，酶處理時(shí)間3 h，酶處理用量20%，堿處理濃度9 g/L。

對(duì)于正交最優(yōu)工藝參數(shù)A1B3C3D3進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 正交試驗(yàn)的驗(yàn)證

由表6結(jié)果可知，工藝A1B3C3D3可以將殘膠率降至9.36%，殘余木質(zhì)素為2.31%，木質(zhì)素的總?cè)コЧ_(dá)到76.97%。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 漆酶在桑皮纖維的木質(zhì)素去除過(guò)程中具有較好效果，在影響漆酶活性的因素中，酶用量和酶處理的時(shí)間影響相對(duì)較大，酶用量和處理時(shí)間的增大均能提高木質(zhì)素的去除效果。

3.2 由于原料中還存在果膠和半纖維素等雜質(zhì)，影響了漆酶與纖維和接觸和反應(yīng)，故單獨(dú)使用漆酶對(duì)木質(zhì)素的去除效果不理想，殘膠率較高。

3.3 生物酶-化學(xué)聯(lián)合法對(duì)木質(zhì)素的去除效果比較理想，預(yù)酸處理能很好地去除一定膠質(zhì)，提高纖維蓬潤(rùn)性。經(jīng)過(guò)酶處理后的堿處理時(shí)間和堿的用量也大大降低，避免了耗時(shí)長(zhǎng)、廢料殘余多的堿煮和由于長(zhǎng)時(shí)間堿煮造成的纖維損傷和原料浪費(fèi)。利用正交試驗(yàn)，得到較優(yōu)的工藝參數(shù)如下：

原料準(zhǔn)備-預(yù)酸處理(硫酸濃度1 g/L，時(shí)間2 h，溫度50℃)-水洗-漆酶處理(漆酶用量20%，時(shí)間3 h，溫度45℃，PH值4.5)-水洗-堿處理(堿液濃度9 g/L，多聚磷酸鈉3%，硅酸鈉2%，時(shí)間2 h，溫度99℃)-水洗-脫水-抖松-烘干。

采用優(yōu)化工藝可以將殘余木質(zhì)素降至為2.31%，殘膠率降至9.36%，木質(zhì)素的總?cè)コЧ_(dá)到76.97%左右。

[1] Graea MB,Soares MT,Pessoa A,et al.Use of laccase together with redox mediators to decolourize Remazol Brilliant Blue R[J].Journal of Bioteehnology,2001(89):123—129.

[2] 席丹,陶用珍,管映亭.糙皮側(cè)耳菌漆酶的發(fā)酵及其對(duì)尊麻的應(yīng)用[J].紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào)，2004,17(3):228—234.

[3] 張健飛,江蕾,侯剛?cè)A，等.亞麻粗紗及織物生物酶精練探討[J].染整技術(shù)，2002，24(2):12—16.

[4] 蔣挺大.木質(zhì)素(第二版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[5] 王德驥.蘭麻纖維素化學(xué)與工藝學(xué)—脫膠和改性[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[6] 陳石根,周潤(rùn)琦.酶學(xué)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2001.

[7] Fu SY,Zhan HY,He W.Degradation of residual lignin in kraft pulp by laccase and mediator system[J].Journal of South China University of Teehnology(Natural Science Edition)，2002,12(30):30—36.

[8] Youn H,Hah Y,Kang S.Role of laccase in lignin degradation by white-rot fungi[J].FEMS microbiology Letters,1995,132(3):183—188.

[9] 陳素華.白腐真菌的木質(zhì)素降解酶[J].生物學(xué)通報(bào)，2005,40(8):26—27.

[10] 鄭喜群,劉曉蘭,冮潔.亞麻生物脫膠新方法及其比較[J].紡織學(xué)報(bào),2001,22(04):31—33.

Research on Laccase Catalytic Lignin Processes of Mulberry Fiber

LiuYang1，CuiYunhua1,2

〔1.Donghua University,Shanghai 201620，China; 2.Key Laboratory of Textile Science &Technology(Ministry of Education),Shanghai 201620,China〕

Several factors,such as laccase dosage,reaction temperature,reaction duration and pH value were taken as variables. An enzymatic-chemical combined method was used to explore the technology of removing lignin in mulberry fibers.

lactase; mulberry fiber; residual lignin; process; orthogonal test

2014-10-20

劉 楊(1989—)，男,江蘇連云港人,碩士研究生。

TS102

A

1009-3028(2015)01-0053-04