漆酶去除桑皮木質素工藝探索

劉 楊，崔運花,2

(1.東華大學，上海 201620；2.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

漆酶去除桑皮木質素工藝探索

劉 楊1，崔運花1,2

(1.東華大學，上海 201620；2.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

文章以漆酶用量、反應溫度、反應時間和pH值作為變量，進行生物酶-化學聯合法去除木質素的工藝探索。

漆酶；桑皮纖維；殘余木質素；工藝；正交實驗

木質素是一種廣泛存在于植物中的無定形的、分子結構中含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元的芳香性高聚物，其結構性能穩定。目前，紡織加工中木質素主要在高溫、堿性條件下，加入適當的煮練劑長時間煮練或采用高溫磺化法和低溫氯化法，分別生成磺化木質素和氯化木質素，最終達到去除木質素的目的。但是無論哪一種方法，木質素的去除效果都達不到60%，并且木質素還會發生光解產生顏色變化，影響原料使用性能。本文從綠色紡織加工角度出發，使用專一、高效和環保的木質素降解酶，利用漆酶探索較優的木質素去除工藝，提高木質素去除效率。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗原料：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。

試驗藥品：氫氧化鈉、硫酸、草酸銨、苯、無水乙醇、氯化鋇、多聚磷酸鈉、硅酸鈉、醋酸、醋酸銨、冰醋酸。

1.2 實驗儀器

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 試驗方法

1.3.1 工藝流程

首先進行漆酶單獨處理桑皮纖維的試驗探索，在此基礎上進行桑皮纖維木質素去除的正交試驗。漆酶處理的試驗流程為：原料-酶處理-水洗-烘干，酶處理過程中每隔15 min進行一次攪拌。正交試驗流程為：原料-預酸處理-水洗-漆酶處理-水洗-堿處理-水洗-脫水-烘干。試驗中浴比均為1∶30。堿處理時表面活性劑和穩定劑多聚磷酸鈉和硅酸鈉的用量分別為3%、2%。

1.3.2 測試方法

試驗中原料化學成分分析、木質素含量、殘膠率和殘余木質素均按照GB 5889—1986《苧麻化學成分定量分析方法》來測定。

2 實驗結果與分析

2.1 原料成分分析

將原料整理，混合均勻，取每個原料試樣重約5 g，根據GB 5889—86《苧麻化學成分定量分析方法》，按照實驗要求與步驟，測得桑皮纖維的回潮率為12.10%，含水率為10.80%，化學成分含量見表1。

表1 勾拉強力隨壓力增大的變化情況

從以上數據可以看出，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，略高于棉纖維，低于毛纖維。果膠、半纖維素和木質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

試驗中利用冰醋酸和醋酸銨配置成供不同pH環境使用的緩沖溶液，確保試驗過程中PH的穩定性。

2.2.1 酶處理用量的影響

實驗條件:溫度45℃，時間1.5 h，pH值4.5。

試驗結果如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，隨著漆酶用量的升高，殘余木質素含量呈現下降趨勢，而在酶用量達到20%后下降速度緩慢并且趨于平衡，這是因為漆酶是具有專一性的生物酶，而原料中還有以果膠和半纖維素為主的雜質，影響了漆酶的滲透性，原料并未進行前處理，纖維的蓬潤性不理想，這些因素影響了漆酶的處理效果。殘膠率的趨勢和殘余木質素下降趨勢相似。

圖1 酶用量對木質素去除效率的影響

圖2 酶用量對除膠效率的影響

2.2.2 酶處理pH值的影響

實驗條件:溫度45℃，時間1.5 h，酶用量15%。

實驗結果見表2。

表2 pH值對膠質去除效率的影響

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

2.2.3 酶處理時間的影響

實驗條件:溫度45℃，pH值4.5，酶用量15%。

實驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 酶處理時間對木質素去除效率的影響

圖4 酶處理時間對除膠效率的影響

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

由于酶的高效性，可以看出，在處理達到一定時間后，在很短的時間內就可以達到反應條件所對應的效果，反應時間不夠或者增加時間也都不會對結果產生大的影響。

2.2.4 酶處理溫度的影響

實驗條件:時間1.5 h，pH值4.5，酶用量15%。

實驗結果見表3。

從表3可以看出，溫度不同時，殘余木質素數值會上下浮動，但是波動的范圍很小，殘膠率小幅度上升。對于木質素和膠質的去除，在酶的最適溫度范圍內，溫度的變化不會對最終的結果產生很大的影響，只有當溫度低于或者高于酶的最適溫度范圍時，才會干擾或者抑制酶的活性。

表3 溫度對膠質去除效率的影響

2.3 正交試驗

由于單獨利用漆酶處理原料，木質素去除效果不好，殘余膠質也較多，故采用工藝流程：原料-預酸處理—水洗-漆酶處理-水洗-堿處理—水洗-脫水-烘干，影響木質素去除效果的四個主要因素為預酸濃度、漆酶處理用量、漆酶處理時間和堿處理濃度，進行正交試驗，正交表選用L9(43)，水平設計因子見表4，正交試驗結果見表5。

表4 正交因子水平表

表5 正交試驗結果與分析

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

對于正交最優工藝參數A1B3C3D3進行驗證，實驗結果見表6。

表6 正交試驗的驗證

由表6結果可知，工藝A1B3C3D3可以將殘膠率降至9.36%，殘余木質素為2.31%，木質素的總去除效果達到76.97%。

3 結語

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

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

3.3 生物酶-化學聯合法對木質素的去除效果比較理想，預酸處理能很好地去除一定膠質，提高纖維蓬潤性。經過酶處理后的堿處理時間和堿的用量也大大降低，避免了耗時長、廢料殘余多的堿煮和由于長時間堿煮造成的纖維損傷和原料浪費。利用正交試驗，得到較優的工藝參數如下：

原料準備-預酸處理(硫酸濃度1 g/L，時間2 h，溫度50℃)-水洗-漆酶處理(漆酶用量20%，時間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%，時間2 h，溫度99℃)-水洗-脫水-抖松-烘干。

采用優化工藝可以將殘余木質素降至為2.31%，殘膠率降至9.36%，木質素的總去除效果達到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.糙皮側耳菌漆酶的發酵及其對尊麻的應用[J].紡織高校基礎科學學報，2004,17(3):228—234.

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

[4] 蔣挺大.木質素(第二版)[M].北京:化學工業出版社,2009.

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

[6] 陳石根,周潤琦.酶學[M].上海:復旦大學出版社,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.白腐真菌的木質素降解酶[J].生物學通報，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].紡織學報,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