纖維素酶法提取祁門毛竹原纖維工藝的研究

摘 要：首先采用物理法從祁門毛竹中制得竹原粗纖維，然后以減量率和細度變化率為主要考核指標進行正交試驗設計，探討處理工藝對纖維素酶法脫膠效果的影響，得到其最佳工藝條件為纖維素酶濃度為3%、pH值為5.0、溫度為45℃、時間為60min，并且采用最佳工藝后竹原纖維的減量率為10.8%，細度變化率為33.97%。

關鍵詞：祁門毛竹；生物法；纖維素酶；工藝

中圖分類號 S7-05 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）14-119-03

竹原纖維，又稱為原生竹纖維，是一種直接從竹子中提取出的天然纖維素纖維，是繼棉、麻、毛、絲之后的第五大天然纖維。竹原纖維的天然特性有瞬間吸水性、良好的透氣性、良好的染色性和較強的耐磨性等，其功能有天然抗菌、抑菌、除螨、抗紫外線、防臭和天然保健等[1]。竹纖維紡織品因其完整地保留了竹纖維的天然特性及功能，因而倍受消費者喜愛，產品需求量逐年上升。目前，物理法[2]、化學法和生物法是制取竹原纖維的最主要的3種方法，其中以化學法為主。物理法操作簡便、工藝簡單，但制取的纖維較粗、較硬，線密度較大；用化學法制取的竹原纖維線密度較好，但其嚴重污染環境，且成本較高；而生物法對環境的污染較小，基本上可以忽略不計，且具有反應條件溫和、催化效率高和專一性強等顯著特點[3]，并且制取的竹原纖維的性能和化學法制取的竹原纖維類似，因此受到越來越多的關注，但目前其提取工藝還不是很完善，有待優化[4]。筆者首先采用物理法從祁門毛竹中制得竹原粗纖維，然后再用纖維素酶對竹原粗纖維進行脫膠，以減量率和細度變化率為主要考核指標，探討處理工藝對纖維素酶脫膠效果的影響，從而得到最佳工藝條件，為生物法制備新型纖維材料研究奠定一定基礎。

1 材料與方法

1.1 試劑與藥品 3a生祁門毛竹（祁門縣西武嶺林場毛竹），纖維素酶（北京東華強盛生物技術有限公司，精酶，分析純），36%乙酸（揚州滬寶化學試劑有限公司，分析純），尿素（分析純），氨水（分析純），pH試紙（精密試紙，pH0.5～5.0，上海三愛思試劑有限公司），pH試紙（精密試紙，pH5.5～9.0，上海三愛思試劑有限公司）。

1.2 儀器與設備 HH-S恒溫水浴鍋（江蘇國勝實驗儀器廠），DNG-9240型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精密實驗設備有限公司），JA3003N型電子天平（上海精密科學儀器有限公司），調節式萬用電爐（南通市長江光學儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 竹原粗纖維的制取 （1）用機械或手工方法將竹筒劈成長15cm、寬1cm、厚0.5cm的竹片，再將竹片浸泡在用2%氨水和2%尿素制成的脫膠軟化劑中浸泡4h，使竹片充分膨脹、軟化。（2）將竹片連同浸泡液一起加熱到100℃，高溫常壓蒸煮竹片3h（溫度100℃，浴比1∶30），以去除竹片中雜質。（3）高溫常壓蒸煮竹絲2h（溫度100℃，浴比1∶30），進一步分絲，得到更細的竹原粗纖維，放入電熱恒溫鼓風干燥箱中處理1h，使竹原粗纖維含水率低于10%。

1.3.2 竹原粗纖維纖維素酶脫膠 對經物理法制得的竹原粗纖維進行測試，測得其線密度為20.28tex。由實驗數據可知，經物理法制得的竹原纖維偏粗，不適于紡絲，因此需進一步處理，用纖維素酶對竹原粗纖維進行處理，使其更細，以適于紡絲。

1.4 測試方法

1.4.1 減量率（Z） 分別稱取9組經物理法制得的竹原粗纖維各1g，再設計正交試驗用纖維素酶對竹原粗纖維進行脫膠處理，多次水洗、晾干和干燥處理，最后分別稱取9組試驗中竹原纖維的質量，則減量率：

Z=（m1-m2）/m1 （1）

其中，m1指在用纖維素酶處理前竹原纖維的質量（g），m2指在用纖維素酶處理后竹原纖維的質量（g），Z指用纖維素酶處理前后竹原纖維質量的變化率（%）。

1.4.2 細度變化率（X） 特克斯，簡稱特，符號為tex。隨機取100根竹原纖維，在纖維中部各切取1cm，再稱重，然后算出纖維的線密度，即：

s=1 000×G/L （2）

其中，s為竹原纖維的線密度，G為從100根纖維中部切取部分的總質量（g），L為從100根纖維中部切取部分的總長度（m）。

對經物理法制得的竹原粗纖維進行測試，測得其線密度為20.28tex，再設計正交試驗用纖維素酶對竹原粗纖維進行脫膠處理，并進行多次水洗、晾干和干燥處理，最后分別測定9組試驗中竹原纖維的線密度，則：

X=（s1-s2）/s1

其中，s1指在用纖維素酶處理前竹原纖維的線密度（tex），s2指在用纖維素酶處理后竹原纖維的線密度（tex），X指用纖維素酶處理前后竹原纖維細度的變化率（%）。

2 結果與分析

采用表1因子水平表，利用L9（34）正交表對竹原粗纖維進行正交試驗。對經不同試驗方法處理后得到的竹原纖維分別進行質量和線密度的測定，分別計算處理前后竹原纖維的減量率和細度變化率。表2為L9（34）正交表及祁門毛竹原纖維的減量率和細度變化率測定結果。

表1 因子水平

[水平＼酶濃度（%）＼pH值＼溫度（℃）＼時間（min）＼1＼2＼4.5＼40＼30＼2＼3＼5.0＼45＼60＼3＼4＼5.5＼50＼90＼]

2.1 纖維素酶濃度對竹原纖維減量率和細度變化率的影響 由表2可知，隨著纖維素酶濃度的增加，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現先增大后減小的趨勢。隨著纖維素酶濃度增加，竹原纖維的減量率和細度變化率均明顯增大，當纖維素酶濃度為3%時，繼續增大纖維素酶濃度后，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現減小的趨勢。

表2 L9（34）正交表及測試結果

[試驗號＼A

酶濃度（%）＼B

pH值＼C

溫度（℃）＼D時間（min）＼減量率

（%）＼細度變化

率（%）＼1＼2＼4.5＼40＼30＼2.1＼15.73＼2＼2＼5.0＼45＼60＼10.4＼32.64＼3＼2＼5.5＼50＼90＼7.7＼25.05＼4＼3＼4.5＼45＼90＼8.2＼28.25＼5＼3＼5.0＼50＼30＼7.8＼26.18＼6＼3＼5.5＼40＼60＼4.0＼20.56＼7＼4＼4.5＼50＼60＼6.3＼24.75＼8＼4＼5.0＼40＼90＼4.3＼22.14＼9＼4＼5.5＼45＼30＼9.7＼30.08＼]

在一定條件下，較低濃度的纖維素酶能去除一部分膠質，使竹原纖維束表層的束縛層遭到破壞，從而使竹原纖維產生劈裂[5]。隨著纖維素酶濃度逐漸增加，纖維素酶分子與膠質和纖維素分子的接觸頻率增大，反應速度加快，水解充分，使竹原纖維的減量率和細度變化率均增大。但是當纖維素酶的濃度增加到一定程度時，單位體積纖維素酶的活性達到極限，繼續增加纖維素酶的濃度反而會使纖維素酶的活性降低，使膠質去除效率降低，從而使纖維劈裂程度降低，最終造成竹原纖維的減量率和細度變化率均減小。因此，在纖維素酶法提取竹原纖維的工藝中，最佳纖維素酶濃度應為3%左右。

2.2 pH值對竹原纖維減量率和細度變化率的影響 由表2可知，隨著溶液pH值的增加，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現先增大后減小的趨勢。隨著pH值的增大，竹原纖維的減量率和細度變化率均明顯增大。當pH為5.0時，繼續升高pH后，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現減小的趨勢。

纖維素酶是一種活性物質，在一定條件下，隨著pH值的增大，纖維素酶分子擴散快，運動加快，纖維素酶的活性增大，但超過一定的pH時，纖維素酶本身的穩定性下降，活性反而減弱，從而使竹原纖維的減量率和細度變化率均減小[6]。因此，在纖維素酶法提取竹原纖維的工藝中，最佳處理pH應為5.0左右。

2.3 溫度對竹原纖維減量率和細度變化率的影響 由表2可知，隨著處理溫度的增加，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現先增大后減小的趨勢。隨著處理溫度的升高，竹原纖維的減量率和細度變化率均明顯增大，當處理溫度為45℃時，繼續升高處理溫度后，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現減小的趨勢[7]。隨溫度的升高，纖維素酶分子擴散快，運動加快，纖維素酶的活性增大，但超過一定的溫度時，纖維素酶本身的穩定性下降，纖維素酶的活性反而減弱，從而使竹原纖維的減量率和細度變化率均減小。因此，在纖維素酶法提取竹原纖維的工藝中，最佳處理溫度應為45℃左右。

2.4 時間對竹原纖維減量率和細度變化率的影響 由表2可知，隨著處理時間的增加，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現先增大后減小的趨勢[8]。隨著處理時間的增加，竹原纖維的減量率和細度變化率均明顯增大，當處理時間為60min時，繼續增加處理時間后，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現減小的趨勢。在纖維素酶與竹原纖維的作用過程中，隨著處理時間的增加，纖維素酶向竹原纖維內部滲透，纖維素酶分子的擴散范圍增大，與竹原纖維碰撞頻率增大，反應效果加強，使竹原纖維的減量率和細度變化率均增大[9]。但反應達到一定時間后，纖維素酶對膠質的去除作用趨于平緩，從而使竹原纖維的減量率和細度變化率均趨于平緩。因此，在纖維素酶法提取竹原纖維的工藝中，最佳處理時間應為60min左右。

試驗結果分析如表3所示。由表3可知，A2B2C2D2和A1B2C2D2為其最佳工藝條件。驗證試驗A2B2C2D2，測得竹原纖維的減量率為10.8%，細度變化率為33.97%，比A1B2C2D2效果更好，所以最佳工藝條件為A2B2C2D2，即纖維素酶濃度3%，pH為5.0，溫度為45℃，時間為60min。可以看出，纖維素酶在pH值為5.0、溫度為45℃時酶活力最好，此時纖維素酶對竹原纖維的脫膠效果最好。纖維素酶處理前，竹原纖維線密度為20.28tex，質量為1.000g，在最佳工藝條件下用纖維素酶處理后，竹原纖維的線密度為13.39tex，減量率為10.8%，細度變化率為33.97%。 （下轉145頁）

（上接120頁） 表3 試驗結果分析（%）

[

因子＼ 酶濃度（A） ＼ pH（B） ＼ 溫度（C） ＼ 時間（D） ＼減量

率＼細度

變化率＼減量

率＼細度

變化率＼減量

率＼細度

變化率＼減量

率＼細度

變化率＼水平1＼20.0＼73.42＼16.6＼66.73＼10.4＼57.43＼19.6＼71.99＼水平2＼20.3＼74.49＼22.5＼79.96＼22.3＼90.97＼20.7＼75.95＼水平3＼20.2＼73.97＼21.4＼75.69＼21.8＼73.98＼20.2＼74.44＼均值1＼6.66＼24.47＼5.53＼22.24＼3.46＼19.14＼6.53＼23.99＼均值2＼6.76＼24.83＼7.50＼26.65＼7.43＼30.32＼6.90＼25.31＼均值3＼6.73＼24.65＼7.13＼25.23＼7.26＼24.66＼6.90＼25.31＼極差R＼0.10＼0.35＼1.96＼4.41＼3.96＼11.18＼0.36＼1.32＼]

由表3很容易看出，竹原纖維減量率的極差RC>RB>RD>RA，細度變化率的極差RC>RB>RD>RA，即對纖維素酶處理后竹原纖維的減量率和細度變化率的影響作用從大到小依次為：溫度>pH值>時間>酶濃度。其中，處理溫度對竹原纖維的減量率和細度變化率的影響效果最大，纖維素酶濃度對竹原纖維的減量率和細度變化率的影響效果最小，纖維素酶濃度的極差RA遠小于溫度、pH和時間的極差RC、RB、RD，即溫度、pH和時間3個因素是影響纖維素酶法提取竹原纖維的主要因素，并且溫度是影響纖維素酶法提取竹原纖維的最主要因素。

3 結論

相對于化學法和生物法從祁門毛竹中提取的竹原纖維而言，采用物理法提取的竹原纖維較粗、較硬，需要進一步進行脫膠處理。

纖維素酶濃度、pH、溫度和時間4個因素對竹原纖維的減量率和細度變化率的影響效果相似，即隨著纖維素酶濃度、pH和溫度的增加，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現先增大后減小的趨勢；隨著時間的增加，竹原纖維的減量率和細度變化率均呈現先增大后趨于平緩的趨勢。

由正交試驗數據分析可知，纖維素酶濃度、pH、溫度和時間4個因素中，溫度是影響纖維素酶法提取竹原纖維的最主要因素；纖維素酶濃度影響較小，從大到小依次為：溫度>pH>時間>纖維素酶濃度。最終得到的最佳處理工藝條件為：纖維素酶濃度為3%，pH值為5，溫度為45℃，時間為60min。

參考文獻

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