苎麻纤维的碱性复合生物酶脱胶工艺研究


黄伟初1,陈佳月2,3,樊武厚2,3

(1.昆明金泽实业有限公司  云南昆明  650111;2.四川省纺织科学研究院有限公司  四川成都  610083;3.高性能有机纤维四川省重点实验室  四川成都  610083)


摘  要:采用单因素分析法,分别通过预处理、复合酶处理和碱精炼工艺对苎麻纤维进行脱胶处理,得到优化的碱性复合生物酶脱胶工艺:将乙二胺四乙酸二钠水溶液预处理的苎麻纤维通过果胶酶(40g/L)和漆酶(10g/L)复合酶在52℃处理3h;随后,在100℃通过NaOH水溶液(10g/L)继续处理3h。通过该工艺处理后的苎麻纤维残胶率为4.8%,断裂强力为5.02cN/dtex,白度为50.1度,其各项技术指标基本达到三级苎麻精干麻的要求。

关键词:苎麻纤维;生物脱胶;化学脱胶;果胶酶;漆酶


Degumming process of ramie fibers using compound bio-enzymes under alkaline conditions


HUANG Wei-chu1, CHEN Jia-yue2,3,FAN Wu-hou2,3

(1.Kunming Kingem Industry Co., Ltd, Kunming 650111,China; 2.Sichuan Textile Scientific Research Institute Co., Ltd., Chengdu 610072, China; 3.High-tech Organic Fibers Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072,China)


Abstract: Using single-factor analysis, the degluing treatment of ramie fibers was obtained by pre-treatment, compound enzyme treatment and alkaline refining. The optimized alkaline compound bioenzyme degluing process of ramie fibers was obtained: gelase (40 g/L) and lacquerase (10 g/L) compound enzymes were treated at 3 h, and NaOH concentration of 10 g/L 3 h at 100℃. The residual glue rate of castor fiber obtained by optimizing the process treatment is 4.8%, the fracture strength is 5.06 cN/dtex, the whiteness is 50.1%, and its technical index basically meets the requirements of the third grade.

Key words:Ramie fibers;Biological degumming;Chemical degumming;Pectinase;Laccase


苎麻纤维由纤维素、半纤维素、木质素和果胶等成分构成,其纤维素占比高达65%~75%,为纤维素含量最高的麻类纤维[1]。苎麻纤维具有质量轻、强力大、耐磨、透气、防霉抗菌、导湿快干等优点,可广泛用于高档面料、服装鞋帽、床上用品、家居装饰和医用包装等产品中[1-2]。苎麻作为我国特有的麻纤维品种,其种植面积广、资源丰富。因而,基于苎麻纤维的功能性纺织品的开发具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

尽管如此,苎麻纤维的纤维素含量与传统的棉纤维相比仍有较大差距,使其后续加工存在较大难度。通过脱胶来提高苎麻纤维的纤维素的占比,能够显著提高苎麻纤维的加工性能和品质,极大推动苎麻纤维的高值化利用。

目前,苎麻纤维的脱胶主要采用生物脱胶和化学脱胶两种方法。前者利用芽孢杆菌、厌氧菌、好氧菌等天然微生物在繁殖过程中分泌的酶来分解苎麻中的胶质,使高分子量的果胶、半纤维素分解为易溶于水的小分子物质而与纤维素分离。后者则是利用苎麻纤维中胶质成分和纤维素在酸、碱或氧化条件下的稳定性差异,通过煮炼、水洗和物理机械手段使胶质与纤维素分离。

传统的生物脱胶方法受制环境条件,导致脱胶时间长、产品制成率低、质量不稳定等问题。化学脱胶法虽具有工艺条件可控、脱胶速度快、不受环境因素限制等优势,但却存在设备投资费用高昂、废水排放量大、生产能耗高等问题[3-7]

针对生物脱胶和化学脱胶的不足,通过常温碱煮[8]、预氧化[9]等化学处理手段,并辅之以生物酶或混合菌种处理等生物处理手段[10],将两种方法相融合,成为当前提高苎麻纤维脱胶效率的发展趋势[11]

本文利用乙二胺四乙酸二钠来螯合苎麻纤维细胞壁中的钙镁离子,使不溶性果胶酸钙转化为可溶性果胶酸盐,削弱果胶对纤维素及其他胶质组分的粘结和包覆。在复合酶处理阶段,利用果胶酶、漆酶的协同作用,加强处理液对苎麻的内部渗透,增强酶对胶质复合体的降解作用。在碱精炼阶段,利用纤维素与半纤维在NaOH溶液中的溶解性差异去除半纤维素,并利用煮炼剂中表面活性剂的净洗、乳化、分散作用,防止已脱除胶质在纤维表面的重新粘附,进一步巩固脱胶效果。

本文采用生物脱胶与化学脱胶相结合的方法,研究了苎麻纤维的碱性复合生物酶脱胶工艺,以期精简其生物化学脱胶工艺流程,在温和的低碱条件下提高苎麻纤维的脱胶效率,为苎麻纤维的高效脱胶提供新思路。

1.材料与方法

1.1 材料

苎麻纤维(原麻,四川玉竹麻业有限公司),果胶酶(工业品,上海康地恩生物科技有限公司),漆酶(工业品,南京德居生物科技有限公司),NaOH、亚硫酸钠、碳酸钠、乙二胺四乙酸二钠(分析纯,成都市科龙化工试剂厂),渗透剂JFC(分析纯,上海沣瑞化工有限公司)。

1.2 工艺及方法

在浴比1∶20、温度100℃条件下,通过乙二胺四乙酸二钠水溶液(6g/L)对苎麻纤维浸泡预处理2小时。待处理液温度降至50°C后,通过NaOH调节体系pH至9.5,并采用不同浓度的果胶酶/漆酶复合酶继续处理3小时。随后,在浴比1∶20、温度100℃条件下,将复合酶处理的苎麻纤维加入由渗透剂JFC(2g/L)、十二烷基苯磺酸钠(3g/L)、亚硫酸钠(2g/L)和碳酸钠(3g/L)组成的煮炼液中,在不同NaOH浓度下继续处理3小时,水洗至中性后烘干得脱胶苎麻纤维。

1.3 性能测试

残胶率是脱除胶质前后试样干重的差值与原试样的比值,直接反映苎麻纤维的脱胶效果,残胶率越低脱胶效果越好。

液体芯吸高度是表征纤维毛细效应的重要指标,反映纤维对水份的传导功能,液体芯吸高度值越大,纤维的吸湿排汗性越好。残胶率根据GB/T 5889-1986《苎麻化学成分定量分析方法》测定。液体吸芯高度根据FZ/T 01071-2008《纺织品毛细效应试验方法》测定。

白度是评定物质表面白色的程度的指标,在纺织领域一般指距离理想白色(以高纯度硫酸钡为标准白度100度)的程度,白度值越高,越有利于后续染色加工。白度根据GB 5885-86《苎麻纤维白度试验方法》测定。

束纤维强度是指纤维拉断时所能承受的最大负荷,束纤维强度越大,纤维的可纺性越强,对后续加工越有利。纤维断裂强度根据GB/T 5882-1986《苎麻束纤维断裂强度试验方法》测定。

2.结果与分析

2.1 碱性果胶酶浓度对苎麻脱胶的影响

在NaOH浓度10g/L和漆酶10g/L条件下,考察了不同果胶酶浓度(10~60g/L)对苎麻纤维残胶率、毛细效应、白度及断裂强度的影响,分别如图1a~d所示。随着果胶酶浓度从10g/L增加至40g/L,苎麻纤维的残胶率从19.5%减少至16.4%。继续增加果胶酶浓度至60g/L,苎麻纤维的残胶率几乎保持不变。随着果胶酶浓度从10g/L增加至40g/L,苎麻纤维的液体芯吸高度从5.6cm快速增加至8.5cm。继续增加果胶酶浓度至60g/L,苎麻纤维的液体芯吸高度几乎保持不变。

图片.png

图1  果胶酶浓度对苎麻纤维残胶率(a)、毛细效应(b)、白度(c)及断裂强度(d)的影响

Figure 1 The effect of pectinase concentration on the residual glue rate (a), capillary effect (b), whiteness (c) and breaking strength (d) of ramie fiber


随着果胶酶浓度从10g/L增加至30g/L,苎麻纤维的白度从22度快速增加至28.8度。继续增加果胶酶浓度至60g/L苎麻试样白度无明显提高。随着果胶酶浓度从10g/L增加至60g/L,苎麻纤维的束纤维强度从2.06cN/dtex增加至2.99cN/dtex,提高了31%;但是整体水平仍低于精干麻三级品的技术要求(≥3.5cN/dtex),说明果胶酶对苎麻纤维强度的提高作用非常有限。

综上可知,果胶酶浓度的提高能降低苎麻纤维的残胶率,改善纤维毛细效应、提高白度和断裂强度。综合考虑以上四项技术指标及成本因素,确定最佳的果胶酶浓度为40g/L。

但单一果胶酶处理取得的苎麻纤维上述各项指标仍处于较低水平,在温和处理和精简工艺流程的前提下,需要通过增加酶的种类来提高脱胶效率从而提高纤维可纺性。

2.2 漆酶浓度对碱性果胶酶/漆酶复合体系苎麻脱胶的影响

图片.png

图2  漆酶浓度对苎麻纤维残胶率(a)、毛细效应(b)、白度(c)及断裂强度(d)的影响

Figure 2 The effect of laccase concentration on the residual glue rate, capillary effect, whiteness and breaking strength of ramie fiber


在NaOH浓度10g/L和果胶酶40g/L条件下,考察了不同漆酶浓度(10~60g/L)对苎麻纤维残胶率、毛细效应、白度及断裂强度的影响,分别如图2a~d所示。随着漆酶浓度从0增加至10g/L,苎麻纤维的残胶率从16.4%减少至9.8%,液体的芯吸高度从8.5cm快速增加至10.3cm,白度从28.8度快速增加至40.6度,束纤维断裂强度从2.83cN/ dtex快速增加至3.45cN/dtex,束纤维强度基本较接近精干麻三级品的技术要求(≥3.5cN/ dtex)。继续增加漆酶浓度至12g/L,苎麻纤维的上述四项指标无显著变化

在漆酶浓度不超过10g/L时,漆酶浓度的提高能显著降低苎麻纤维的的残胶率,改善纤维毛细效应、提高白度和断裂强度。综合考虑以上四项技术指标及成本因素,确定最佳的果胶酶浓度为10g/L。

综上可知,经过复合酶处理的苎麻试样的各项指标比单一酶处理时有了明显提高,尤其是纤维的白度和断裂强度在漆酶浓度为10g/L时已经比较接近三级精干麻要求,由此确定10g/L为漆酶最佳处理浓度,进而确定复合酶处理的最佳浓度为果胶酶40g/L和漆酶10g/L。

2.3 NaOH浓度对体系苎麻脱胶的影响

图片.png

图3  NaOH浓度对苎麻纤维残胶率(a)、毛细效应(b)、白度(c)及断裂强度(d)的影响

Figure 3 The effect of NaOH concentration on the residual glue rate, capillary effect, whiteness and breaking strength of ramie fiber


在果胶酶40g/L和漆酶10g/L条件下,考察了不同NaOH浓度(4~12g/L)对苎麻纤维残胶率、毛细效应、白度及断裂强度的影响,分别如图3a~d所示。

随着NaOH浓度从0增加至10g/L,苎麻纤维的残胶率从9.8%快速减少至4.8%,液体芯吸高度从10.3cm快速增加至12.8cm,白度从40.6度快速增加至50.1度,束纤维断裂强度从3.45cN/dtex快速增加至5.06cN/dtex。继续增大NaOH浓度至12g/L,苎麻纤维的各项指标几乎保持不变。因此,NaOH的最佳浓度为10g/L。

综上可知,经过果胶酶/漆酶复合酶处理和碱煮炼的苎麻试样的各项指标比单一酶以及复合酶处理时有了明显提高,其中纤维的残胶率、白度和断裂强度已经基本达到GB/T 20793-2006苎麻精干麻三级品的技术要求。

3.结论

采用单因素分析法,分别通过预处理、复合酶处理和碱精炼对对苎麻纤维进行脱胶处理,得到苎麻纤维的优化碱性复合生物酶脱胶工艺。将乙二胺四乙酸二钠预处理的苎麻纤维通过果胶酶(40g/L)和漆酶(10g/L)复合酶在52℃处理3h;随后,100℃时在NaOH浓度10g/L进一步处理3h。通过优化工艺处理得到的苎麻纤维残胶率为4.8%,断裂强力为5.06cN/dtex,白度为50.1度,其技术指标基本达到三级品的要求。通过对苎麻纤维在果胶酶/漆酶复合生物酶的碱性脱胶工艺研究,为苎麻纤维的高效脱胶提供了新思路。

 

参考文献:

[1]冷娟,肖爱平,聂睛岚.苎麻纤维品质评价研究[J].中国纤检,2003,(5):31-34.

[2]兰红艳,张延辉.麻类纤维的性能及其应用[J].上海毛麻科技,2009,(3):1-5.

[3]刘国亮.苎麻过碳酸钠脱胶工艺研究[D].上海:东华大学,2012.

[4]孙丽,王秋红.等离子体协同纤维素酶对亚麻织物性能的影响[J].大连工业大学学报,2013,21(1):59-63.

[5]祁丽.低温等离子体与生物酶在苎麻脱胶中的应用[D].江苏:苏州大学,2017.

[6]何燕和,王志文,马艺华等.等离子体处理改善苎麻织物毛细效应研究[J].广西民族大学学报(自然科学版),2008,(1): 57-59.

[7]崔运花.超声波技术在苎麻纤维预处理中的应用[J].纺织学报,1998,(6):371-372.

[8]邵运果,苏工兵,邹舒畅等.常压碱煮-温度压力水苎麻联合脱胶工艺研究[J].上海纺织科技,2017,(8):59-62.

[9]王成国,刘晓霞,吕香菊.苎麻脱胶预氧处理中试研究[J].广西纺织科技,2007,(4):11-12.

[10]胡延素,朱国华.苎麻微生物-化学联合脱胶方法[J].纺织科技进展,2006,(1):63-64.

[11]李梦珍.苎麻纤维的柔软性改良研究[D].上海:东华大学,2018.

 

作者简介:

黄伟初,高级工程师,硕士,主要研究方向为印染技术及工业污水处理技术。担任的职务有:昆明金泽实业有限公司党委书记、董事长 、云南省环境检测协会会长、昆明市专家评审委员会专家、昆明市“双创”导师。

E-mail:hwckm@163.com



欢迎留言

 
 
欢迎投稿
CTA中国纺织助剂月刊杂志投稿声明:
        (1)投稿文章一经采用,支付作者稿酬200元/篇(如优势产品应用、经验类总结文章等);
        (2)本刊投稿邮箱为
                 ctanet@163.com(公司)
                 350652029@qq.com(个人)
        (3)月刊杂志十余年投稿文章集结在网站和微信“专家投稿”栏目,感谢关注!

品牌推广咨询 020-84869930
请关注微信:CTA666
微信视频号:巴络克CTA纺织助剂网
抖音号:CTA2007
浏览书橱,可翻阅电子杂志及产品资料!
  索 阅           投 稿           书 橱        更多杂志    

索阅杂志、原料/助剂/牛仔洗水/设备/行业会议/检测产品等资料