生物酶前處理在稻秸稈纖維提取中的應用

花兆輝，楊 丹，孫衛國

(西安工程大學紡織與材料學院，陜西 西安 710048)

稻秸稈成份包括纖維素、半纖維素、木質素、果膠及灰分等[1]。目前在紡織上對稻秸稈的研究主要有東華大學的俞鎮慌教授[2-3]對秸稈纖維成網工藝和秸稈纖維非織布用作無土栽培基質的研究，劉冰和程士潤等[4-5]采用堿煮法對稻秸稈纖維提取工藝的探討。

目前化學脫膠工藝主要以堿液煮煉為主，但化學脫膠工藝普遍存在成本高、污染重，損傷纖維等問題[6]。本文采用生物酶(木聚糖酶、果膠酶)對稻秸稈脫膠進行預處理，這樣可以提高脫膠的效率，減少環境污染，同時還可以有效提高纖維的性能。實驗分析了生物酶的用量、溫度、時間及pH值對稻秸稈脫膠的影響，并得出優化工藝。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

原料：產于西安戶縣的稻秸稈。

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 型定時電動攪拌器；YG004 型電子單纖維強力儀。

1.3 工藝流程

1.3.1 單獨化學堿煮工藝

(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

浸酸：H2SO4質量濃度2 g/L，浴比1∶30；溫度 50 ℃；時間 120 min。

堿煮：NaOH用量 40%，H2O28 mL/L，溫度 90 ℃，時間 2 h，浴比1 ∶30。

酸洗：H2SO4質量濃度2 g/L，浴比1 ∶50；溫度為常溫；時間 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)為相對稻秸稈重量所用的試劑用量。

1.3.2 生物酶/化學脫膠工藝

(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

浸酸：H2SO4質量濃度2 g/L，浴比1 ∶30；溫度50 ℃；時間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 ℃，時間2 h，浴比 1 ∶30。

酸洗：H2SO4質量濃度2 g/L，浴比1 ∶50；溫度為常溫；時間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)為相對稻秸稈重量所用的試劑用量。

1.4 測試

1.4.1 殘膠率的測試

殘膠率指標主要反映脫膠工藝的效果，殘膠率越小則脫膠效果越好。如果殘膠殘留過多，纖維的強度和細度下降，柔軟性也隨之下降，紗線密度受到影響。殘膠率的測試參照GB5889-86《苧麻化學成分定量分析方法》中苧麻殘膠率的測試方法，根據下面公式計算，測量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 細度的測試

實驗方法：中斷切斷稱重法。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纖維，讀取數值時，每根工藝纖維如有分支且超過1/2按兩根記，低于此值記一根。

1.4.3 強度的測試

試驗方法：試樣夾持長度20 mm，預加張力0.1 cN,拉伸速度10 mm/min。將纖維放到實驗室條件下平衡24 h后放在儀器上測定，測定10次取平均值。

1.4.4 可撓度的測試

試驗方法：采用切斷器將纖維切成等長(30 mm)。取一定量的纖維，用捻度計對纖維試樣進行加捻，直至斷裂，得出斷裂時的捻回數，并將捻斷的纖維在扭力天平上稱重，根據下面公式計算，求得稻秸稈纖維的可撓度，測定3次取平均值。

式中：μ—捻回數，捻回；

L—纖維夾持長度，mm；

m—纖維重量，mg。

2 結果與分析

2.1 作用機理

2.1.1 化學脫膠機理

稻秸稈的化學脫膠就是利用其各成分對化學試劑不同的穩定性，對膠質部分進行溶解、析出。如半纖維素、果膠物質成分易被高溫堿液作用而溶解，而纖維素對堿液的作用則表現出較高的穩定性。

2.1.2 生物酶前處理機理

生物酶前處理就是用生物酶對稻秸稈進行預處理，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，降低反應物反應的活化能，使反應物中的分子更容易克服活化能進行化學反應，從而使反應更加速進行。針對酶催化的專業性，本文采用木聚糖酶和果膠酶對脫膠進行前處理，進一步去除稻秸稈中所含的木質素和果膠等雜質。同時利用生物酶處理，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 化學脫膠工藝

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

表1 單一化學處理后稻秸稈纖維的性能

注: 其它處理條件如1.3.1所示。

表1表明經過單一化學處理后稻秸稈纖維的殘膠率、細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。因此在化學脫膠處理之前，用生物酶對稻秸稈進行預處理，這樣可以提高纖維的細度、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

根據木聚糖酶的適用條件，選取處理溫度為50 ℃，其它處理條件采用以下單因素分析來確定。

2.3.1.1 酶制劑用量的確定

選取木聚糖酶處理溫度50 ℃，時間10 h，pH值為9，浴比1 ∶30的條件下對稻秸稈前處理，然后再按1.3.2中堿煮工藝進行化學堿煮(以下化學堿煮工藝一樣)，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。這是因為隨著木聚糖酶用量的增加，纖維中更多的木質素被分解，因而纖維殘膠率下降。纖維的斷裂強度隨酶用量的增加呈先增大后減小的趨勢，當酶用量為10%(owf)時纖維斷裂強力最大。纖維的細度隨著酶用量的增加先減小后增大，當酶用量為10%(owf)時纖維細度達到最小值。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。綜合考慮纖維殘膠率、細度、斷裂強度和可撓度四因素，對表2結果進行分析，得出木聚糖酶用量為10%(owf)時，稻秸稈纖維的各項性能最優。

2.3.1.2 酶制劑處理時間的確定

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度隨著酶處理時間的增長，呈逐漸下降趨勢。這是因為處理時間增長，纖維中被分解的木聚糖越多，因而殘膠率和細度下降。纖維的斷裂強力和可撓度隨著酶處理時間的增長先增大后減小，當處理時間為10 h時，纖維斷裂強度和可撓度分別達到最大值。綜合考慮四因素，對表3結果進行分析，得出處理時間為10 h時纖維綜合性能最佳。

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度隨著酶處理pH值的增大而逐漸降低，這是因為隨著pH值的增大，木聚糖酶的活性增強，對纖維木質素的分解能力增大，因此纖維殘膠率和細度降低。纖維的斷裂強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。同理分析表4中的結果，得出木聚糖酶在pH值為9時經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

根據果膠酶的適用條件，選取處理溫度為45 ℃，pH值為5，其它處理條件采用以下單因素分析來確定。

2.3.2.1 酶制劑用量的確定

選取果膠酶處理溫度45 ℃，時間8 h，pH值為5，浴比1 ∶30的條件下對稻秸稈前處理，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

對表5進行分析可得，稻秸稈纖維殘膠率和細度隨著果膠酶處理用量的增大而逐漸增加。纖維的斷裂強度和可撓度隨著酶處理用量的增大分別呈現先降低后增大的趨勢，當果膠酶處理用量為10%(owf)時，分別達到最小值。考慮纖維殘膠率、細度、斷裂強度和可撓度對表5結果進行綜合分析，得出果膠酶用量為8%(owf)時，稻秸稈纖維的性能最優。

2.3.2.2 酶制劑處理時間的確定

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間的增長而減小，這是因為隨著處理時間的增長，纖維中被分解的果膠增加，因而纖維的殘膠率減小。纖維的細度隨著處理時間的增長先減小后增大，當處理時間為8 h時纖維細度達到最小值。纖維的斷裂強度和可撓度隨著處理時間的增長先增大后減小，處理時間為8 h和10 h時纖維斷裂強度和可撓度分別達到最大值。同理，分析表6各項結果，得出果膠酶處理時間為8 h時，稻秸稈纖維得到最佳性能。

2.4 優化工藝對比

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

通過表7中各優化工藝比較可知，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處理的要小，細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。其中通過對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行比較，可以得出經過木聚糖酶前處理所提取的纖維性能要優于后者。

表7 不同工藝處理稻秸稈纖維的性能

3 結 論

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

(2)與單一化學脫膠處理比較，采用生物酶(木聚糖酶、果膠酶)對稻秸稈纖維進行前處理后，纖維的各項性能都得到了一定的提高。 木聚糖酶前處理優化工藝結果為：殘膠率8.73%,細度4.03 tex，斷裂強度4.75 cN/dtex，可撓度1.42 捻/dtex·m；果膠酶前處理優化工藝結果為：殘膠率9.38%,細度4.25 tex，斷裂強度4.38 cN/dtex，可撓度1.33 捻/dtex·m。

(3)經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，細度和可撓度改善了5%～8%。

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

[2] 俞鎮慌.秸稈纖維氣流成網過程中工藝參數的影響[J].東華大學學報，2002,28(3)：79-82.

[3] 劉洪鳳，俞鎮慌.秸稈纖維性能[J].東華大學學報,2002,28(2)：123-126.

[4] 劉冰，孫衛國.稻秸稈纖維短流程脫膠工藝[J].毛紡科技，2011，39(3)：60-63.

[5] 程士潤，黃晨，張璐.堿煮法提取稻秸稈纖維的工藝及性能探討[J].產業用紡織品，2010(7):16-19 .

[6] 何小紅，俞建勇，劉麗芳.不同生物酶處理對黃麻纖維的影響[J].紡織科技進展,2008(6)：73-75.