脫膠工藝對漢麻纖維抗菌性能的影響研究

曹森學，杜晗笑，鄭振榮，2，杜換福，趙海霞

(1.天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387；2.天津市先進紡織復合材料重點實驗室，天津 300387；3.山東濱州亞光毛巾有限公司，山東濱州 256600)

脫膠工藝對漢麻纖維抗菌性能的影響研究

曹森學1，杜晗笑1，鄭振榮1，2，杜換福3，趙海霞1

(1.天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387；2.天津市先進紡織復合材料重點實驗室，天津 300387；3.山東濱州亞光毛巾有限公司，山東濱州 256600)

實驗發(fā)現(xiàn)漢麻纖維經(jīng)過染整加工后，會使?jié)h麻纖維的抗菌性能顯著下降。為獲得經(jīng)脫膠后仍能保持其優(yōu)良抗菌性能的加工工藝，采用不同的預處理和脫膠方式對漢麻纖維進行處理，通過振蕩法測試漢麻纖維的抗菌性，觀察分析菌落數(shù)。結果表明：經(jīng)過預酸處理后再經(jīng)酶—化學聯(lián)合脫膠對漢麻纖維抗菌性影響小。通過正交實驗方法找到對漢麻纖維抑菌性影響最小的工藝方案，即預處理硫酸1 g/L，酶脫膠果膠酶1 g/L，化學脫膠氫氧化鈉10g/L。

漢麻纖維 抗菌性 預處理 脫膠工藝 抗菌測試

0 前言

漢麻纖維作為一種天然的功能性纖維，具有優(yōu)良的吸濕、透氣、抗紫外的特性，尤其具有優(yōu)異的天然抗菌性能[1-3]，許多地區(qū)，特別是山東、安徽、甘肅等大麻傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)均有成千上萬畝的纖用型大麻種植面積，我國漢麻紡織品出口量也一直位居世界前列[4-5]。目前漢麻纖維廣泛應用于服裝加工、家紡面料、日用品以及軍用后勤用品。但漢麻纖維在紡織加工之前需要對原麻進行脫膠處理，脫膠處理后的漢麻纖維的抗菌性受到不同程度的影響[6]。

漢麻纖維具有中空的結構，同時漢麻纖維富含的大麻酚類物質屬于非溶出性、天然抗菌劑[7-8]。安利霞[9]通過將漢麻稈芯粉提取物整理到棉、粘膠纖維、滌綸、竹粘纖維上，用振蕩瓶法測試抗菌性能，發(fā)現(xiàn)整理后的上述纖維對金黃葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌均具有抗菌性。張建春[4]根據(jù)美國(AATCC90-1982)定性抑菌法測試標準測試漢麻纖維織物的抗菌性能，發(fā)現(xiàn)漢麻纖維織物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌、綠濃桿菌有顯著的抑制效果，其中對大腸桿菌的效果最好，抑菌圈直徑達100mm(抑菌圈直徑大于6mm即有抑菌效果)；他還采用改良振蕩瓶法(JXUB8-2001)測試漢麻纖維對四種菌的抑菌率，發(fā)現(xiàn)漢麻纖維對這四種菌的抑菌率均達90%以上，說明漢麻纖維具有天然的抑菌功效。本文采用《GB/T20944.3-2008紡織品抗菌測試方法振蕩法》對經(jīng)過不同脫膠工藝處理后的漢麻原麻散纖維進行抗菌性能測試，通過平行試驗觀察菌落數(shù)，篩選出對漢麻纖維天然抗菌性影響最小的工藝方案。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

漢麻纖維(原麻，產(chǎn)自黑龍江黑河)；

堿性果膠酶(上?？档囟魃锟萍加邢薰?；牛肉浸膏(天津市英博生化試劑有限公司)；蛋白胨，瓊脂粉(北京奧博星生物技術有限責任公司)，以上均為生物試劑。

磷酸二氫鉀(天津市江天化工技術有限公司)；NaOH(天津市天新精細化工開發(fā)中心)；H2SO4，磷酸氫二鈉，HCL(天津市風船化學試劑科技有限公司)，以上均為分析純。

LDZX-50KBS立式壓力滅菌器，天津億諾科學儀器有限公司；LRH-150生化培養(yǎng)箱，上海益恒實驗儀器有限公司；SW-CJ-1FD超凈臺，蘇州凈化設備有限公司；ZHWY-2102立式恒溫培養(yǎng)搖床，上海智城分析儀器制造有限公司；Scan500全自動彩色菌落計數(shù)器，法國INTERSCIENCE公司。

1.2 脫膠工藝

1.2.1 超聲波脫膠預處理

任意取3份漢麻原麻纖維5g，將其放置在50℃水溶液里，調節(jié)超聲波頻率、滲透劑和硅酸鈉的用量，利用超聲波清洗器對漢麻纖維進行預脫膠處理15min。

1.2.2 酸預處理漢麻纖維

任意取2份各5g的漢麻原麻纖維，將其放在硫酸濃度分別為1 g/L和1.98g/L的溶液中進行酸預處理，在50℃條件下保溫60min，浴比為1:20。

1.2.3 漢麻纖維脫膠工藝探討

任取2份各5g的漢麻原麻纖維，將其放在濃度為1g/L硫酸溶液中，在50℃條件下保溫60min，浴比為1:20。再任取兩份各5g漢麻原麻纖維，將4份漢麻試樣放在濃度為1g/L的堿性果膠酶中，在50℃、pH=9條件下保溫60min，浴比為1:20，進行酶脫膠處理；繼續(xù)將4份漢麻原麻纖維放在濃度為氫氧化鈉7g/L，亞硫酸鈉3%，磷酸三鈉5%混合液中，在100℃條件下保溫120min，浴比1:15。

1.2.4 酶-化學聯(lián)合脫膠法正交實驗

任取等量漢麻原麻纖維9份，每份10g，用硫酸預處理，酸濃度Ag/L，浴比1:20，溫度50℃，保溫60min；酶脫膠為堿性果膠酶Bg/L，pH=9，浴比1:30，溫度50℃，保溫60min。

化學脫膠：氫氧化鈉Cg/L，亞硫酸鈉3%，磷酸三鈉5%，浴比1:15，溫度100℃，保溫2h。

按照L9(34)設計正交實驗，表1示出正交試驗中各因素的具體水平：

表1 酶-化學聯(lián)合脫膠法正交試驗

1.3 漢麻纖維抗菌性測試

根據(jù) GB/T 20944.3-2008標準，對上述脫膠后的試樣接種大腸桿菌細菌。進行抗菌性測試，觀察培養(yǎng)基內菌落數(shù)目。

1.4 漢麻纖維殘膠率測試

稱量重約5g的試樣，烘干至恒重，放入加有150mL濃度為20g/L氫氧化鈉的燒杯中，煮沸1h后將原麻取出，放入新的150mL濃度為20g/L氫氧化鈉溶液，加熱到100℃，重新煮沸2h，之后洗凈后烘干至恒重。

式中：Wc—試樣的殘膠率，%；G0—試樣的干重，g；G0′—提取殘膠率后的試樣干重，g。

1.5 漢麻纖維斷裂強力測試

參照GB/T3916-1997，在YM-06A電子單纖維強力儀上進行纖維力學性能的測定。試樣拉伸速度控制在40mm/min，夾持長度確定為10mm，測試數(shù)目為30根。

2 結果與分析

2.1 超聲波預處理頻率及助劑對漢麻纖維抗菌性的影響分析

當超聲波經(jīng)過漢麻纖維時，因為高頻而產(chǎn)生的聲波使得纖維產(chǎn)生振動，物質分子就會因為產(chǎn)生的壓縮和稀疏而受到力的作用。它首先使外包膠質層產(chǎn)生大量的裂縫，然后在空化泡的進一步連續(xù)作用下，形成膠質小團，并使之成團剝落而進入水中，然后借助超聲波空化泡膨脹及破裂時產(chǎn)生的巨大壓力和拉伸力來粉碎和沖擊剝落的膠質團，使之被超聲波粉碎成極小的膠質粒，甚至將其分解[6]。

不同超聲頻率及助劑預處理條件下將抗菌織物試樣燒瓶定時振蕩、稀釋10N倍培養(yǎng)，所得試驗數(shù)據(jù)見表2。在菌液稀釋106培養(yǎng)即N=6時，可以看出20kHz菌落數(shù)為4個，而40kHz為78個，頻率為20kHz條件下超聲振蕩的漢麻纖維抗菌性減小的程度比超聲頻率為40kHz條件下低；超聲振蕩后再加入JFC滲透劑和硅酸鈉，會使?jié)h麻抗菌性進一步降低。這主要是較高的頻率使得空化效應的能量轉化為體系中的熱能，產(chǎn)生的熱量被液相的體系所吸收，體系的溫度升高，空化效應減弱；同時硅酸鈉在水中發(fā)生水解生成硅酸產(chǎn)生的膠體雖然有吸附作用，但是硅酸鈉膠體的存在使得體系粘度增加，空化效應減弱[10-12]，從而導致漢麻纖維殘膠率提高，同時為細菌提供了更多的營養(yǎng)物質。

表2 不同超聲頻率及助劑預處理條件下漢麻纖維的菌落數(shù)(個)

條件N=5N=6N=7無處理48177820kHz414140kHz84784440kHz、JFC、硅酸鈉66324518

2.2 酸預處理中硫酸濃度對漢麻纖維抗菌性的影響

漢麻纖維在預酸處理過程中，纖維中的許多膠質，包括一部分不溶性果膠和半纖維素中的高分子部分，會受到硫酸的作用而水解,果膠酸的鈣、鎂鹽等不溶性的果膠也可被硫酸水解。

不同硫酸濃度預處理后的漢麻纖維在稀釋了106的菌液中培養(yǎng)18 h，所得菌落數(shù)見圖1。圖1中1#-6# 依次代表原麻纖維、1 g/L酸預處理、1.98 g/L酸預處理、20kHz超聲波預處理、40kHz超聲波預處理、40kHz超聲波預處理及助劑處理后的漢麻纖維。

圖1 不同預處理條件下漢麻纖維的菌落數(shù)

由圖1可知，經(jīng)過酸預處理的漢麻纖維中，試樣2菌落數(shù)明顯少于試樣3的菌落數(shù)，因此1 g/L酸處理的漢麻纖維抗菌性比1.98 g/L酸處理的漢麻纖維抗菌性好。與酸預處理相比，超聲波預處理對漢麻纖維抗菌性損傷較小，但由于應用于生產(chǎn)實踐中，超聲預處理對設備要求高，處理后的纖維手感發(fā)硬不如酸預處理的漢麻纖維，綜合考慮故采用酸預處理的方式較好。

2.3 脫膠工藝對漢麻纖維抗菌性的影響

選擇酶脫膠、酶-化學聯(lián)合脫膠兩種脫膠工藝進行試驗，將抗菌織物試樣燒瓶定時振蕩、稀釋10N倍培養(yǎng)，所得試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同脫膠工藝方案下漢麻纖維的菌落數(shù)(個)

由表3可知，稀釋105倍時菌落數(shù)過多，稀釋107倍時菌落數(shù)過少，不利于試驗統(tǒng)計，稀釋106倍后培養(yǎng)菌落數(shù)滿足(30～300)CFU便于統(tǒng)計，通過以上數(shù)據(jù)結果，選擇N=6列繪制出下圖2。

圖2 有無酸預處理及不同脫膠工藝

由圖2可知，漢麻原麻纖維(無預處理無脫膠試樣1#)菌落數(shù)為77個，而經(jīng)過酶脫膠處理和酶-化學聯(lián)合脫膠處理的菌落數(shù)明顯多于漢麻原麻纖維，因此在經(jīng)過脫膠處理后抗菌性明顯降低。試樣3#的菌落數(shù)為36個，而試樣5#的菌落數(shù)為121個，對比可知，單獨使用酶脫膠比酶脫膠-化學脫膠聯(lián)合法更有利于減少漢麻纖維抗菌性損失，但是經(jīng)殘膠率測試，其殘膠率在20%之上，通常大麻纖維殘膠率不大于10%才具有可紡性[13-16]，因此單獨使用酶脫膠，纖維殘膠率過高達不到服用的要求，同時因為酶作為降低反應活化能的物質，在酶的用量增加到一定程度時，再增加就起不到作用了，可結合化學脫膠法進一步對酶脫膠后的麻纖維進行脫膠處理。

綜合以上分析，預處理酸濃度為1 g/L時抗菌性損失少，因此采用酸預處理，酶脫膠和化學脫膠聯(lián)合法制定脫膠工藝。

2.4 正交試驗結果

為了選出對抗菌性影響最小的方案，試驗通過對這些少數(shù)試驗方案的結果進行統(tǒng)計分析，對試驗結果作進一步的分析，找出較優(yōu)的方案，將抗菌織物試樣燒瓶定時振蕩、稀釋10N倍培養(yǎng)，正交試驗結果見表4。

表4 正交試驗中漢麻纖維上的菌落數(shù)(個)

表4表明了預處理酸用量、果膠酶用量、氫氧化鈉用量不同時抗菌測試菌落數(shù)的變化，選取N=5列作柱狀圖分析，如圖3，可以明顯看到試樣6和8是較優(yōu)方案。

圖3 正交實驗不同方案所得試樣的抗菌性

由表5可見，試樣6和試樣8的抗菌性是這些試樣中較優(yōu)的，結合斷裂強力和殘膠率兩個性能指標分析試樣6殘膠率僅為5.07%且強力為67.48cN，優(yōu)于試樣8殘膠率為8.79%，斷裂強力為43.11cN，可以得出試樣6的綜合效果最好，即預處理酸用量為1 g/L，果膠酶1 g/L，氫氧化鈉10 g/L。

表5 正交試驗樣品的殘膠率及斷裂強度

3 結論

(1)采用1 g/L的硫酸，按照1:20的浴比，在50℃下保溫60min，得到的纖維抗菌性優(yōu)于無酸預處理和1.98 g/L酸預處理，同時物理性能也優(yōu)于超聲波預處理。

(2)原麻經(jīng)過脫膠處理后，其抗菌性明顯降低，可能是脫膠導致抗菌成分減少的同時，也減少了細菌生長所需要的營養(yǎng)。單獨使用酶脫膠更有利于減少漢麻纖維抗菌性損失，但是由于其殘膠率在20%之上，達不到服裝用的要求，而加大酶的用量又意味著成本的增加，所以必須經(jīng)過聯(lián)合脫膠法。

(3)在保證殘膠率較低而抗菌性較好的要求下，最佳工藝如下：預處理：硫酸用量為1g/L，浴比1:20，溫度50℃，保溫60min；酶脫膠：堿性果膠酶1g/L，pH=9，浴比1:30，溫度50℃，保溫60min；化學脫膠：氫氧化鈉10g/L，亞硫酸鈉3%，磷酸三鈉5%，浴比1:15，溫度100℃，保溫2h。

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Effects of Degumming Process on Antibacterial Property of Hemp Fiber

CAOSen-xue1,DUHan-xiao1,ZHENGZhen-rong1,2,DUHuan-fu3,ZHAOHai-xia1

(1. College of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387; 2. Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Tianjin, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387; 3.Shangdong Binzhou Yaguang Towel Co., Ltd, Binzhou 256600)

Practice has proved that the antibacterial property of hemp fiber greatly declined after the procedure of dyeing and finishing. In order to get better degumming rate and antibacterial property, hemp fiber was treated with different pretreatment methods and degumming processes. The oscillation method was used to test the antibacterial property of hemp fiber by analyzing the colony counts. The results showed that the processes including the acid pretreatment and enzyme-chemical combining degumming method had small influence on antibacterial property of hemp fiber. The optimal technology was obtained by the orthogonal experiment: the concentration of sulfuric acid for pretreatment was 1g/L, the concentration of pectinase for enzyme degumming was 1g/L and the concentration of the sodium hydroxide for chemical degumming was 10g/L .

hemp fiber antibacterial property degumming process antibacterial test

2017-03-12

天津工業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201610058111)

曹森學(1996-)，男，本科，研究方向：綠色染整技術。

鄭振榮(1981-)，女，博士，碩士生導師。

TS123+.3

A

1008-5580(2017)03-0069-05