構樹纖維生物酶脫膠過程及影響因素研究

包振華

（武漢職業技術學院，湖北武漢430074）

構樹為?？茦嫎鋵俾淙~喬木，廣泛分布于華東、華南、西南，以及河北、山西、陜西、甘肅、湖北、湖南等地[1]。構樹皮的韌皮部含有大量的優質纖維，纖維素、半纖維含量高[2]。構樹纖維只溶于濃度較高的強酸中，不溶于氫氧化鈉、鹽酸、二甲苯、二甲基甲酰胺試劑，具有較好的化學穩定性，耐腐蝕性好[3]。

構樹纖維具有極高的韌性和極好的吸水吸濕性、透氣性，富有彈性，這些性質對其用做紡織、造紙等行業非常重要。

本文從觀測研究構樹纖維的微觀形態及化學組成出發，通過分析構樹纖維的排列結構和果膠酶的含量，制備出能對構樹纖維有效脫膠的生物酶，研究利用該生物酶對構樹纖維進行脫膠及其相應的工藝路線，并分析影響脫膠效果的相關因素。

1 構樹纖維的微觀形態和化學組成

研究構樹纖維微觀形態和化學組成的目的主要有兩點：一是通過觀測構樹纖維的長度和其截面形態，計算長細比，看其是否滿足作為紡織纖維的要求；二是通過分析構樹纖維化學組成中的果膠質含量大小，以此為依據研究制備生物酶脫膠，并探討相應的技術工藝。

1.1 構樹纖維的微觀形態

纖維是一種細而長的物質，其直徑從幾微米到幾十微米，長度則從幾毫米到幾十毫米甚至上千米，長細比很大。一般地，作為紡織纖維，纖維直徑≤100μm，長度在幾毫米到幾十毫米甚至更長，長度/直徑＞500。

構樹纖維的長度一般在4～20 mm，少量纖維的長度大于20 mm或小于4 mm，平均長度約在12 mm。構樹纖維平均細度約為0.208 tex，平均強度約為11.515 cN，平均伸長約為6%[3-4]。構樹纖維的這種形態結構和相應的物理性能指標適合于作為紡織纖維。

構樹纖維作為紡織原料，纖維直徑和長細比應能滿足要求。在電子顯微鏡下觀察，構樹纖維無明顯的轉曲，表面較為平滑，局部附有少量微細纖維毛以及少量纖維瘤。纖維的胞壁比較薄，厚度比較均勻，內腔空隙較大，兩端封閉，兩頭細，中部粗細較為均勻（圖1、2）。構皮中纖維排列緊密，纖維截面呈橢圓形，有壓縮感（圖3）。

圖1 構樹纖維縱截面

圖2 構樹纖維內腔及瘤

圖3 構樹皮的纖維排列分布

選取10根左右形態較完整的、具有一定代表性的構樹纖維，選取20測量點，從構樹纖維長度的1/3、1/2、2/3等處測量其直徑（圖4、5、6）。如表1所示，平均直徑約為17.42 μm。

構樹纖維直徑按20μm計算，纖維長度按10～20 mm計算，則構樹纖維長度/直徑約在500～1000，符合作為紡織原料的要求。

圖4 纖維1/3處

圖5 纖維1/2處

圖6 纖維2/3處

1.2 構樹纖維的化學組成

研究構樹纖維的化學組成，主要是看構樹纖維中果膠質含量大小對構樹纖維生物酶脫膠的影響。

與其他韌皮纖維一樣，構樹纖維的主要化學成分為纖維素、半纖維素和木素3種[5]。相比其他韌皮纖維相比，構樹纖維的化學比較成分齊全，溶液抽出物的整體比例高，果膠質含量也較高。幾種韌皮纖維原料的化學組成比較如表2所示。

表1 構樹纖維的直徑測量值（單位：μm）

同是構樹纖維，但不同產地的構樹皮原料的化學組成略有不同，而且構樹全皮與白構皮的化學組成也有一定的差異[6]，如表3所示。

從上述兩表的構樹纖維化學組成中可以看出，構樹纖維的果膠含量比其他韌皮纖維高，基本上在10%上下。這一點對研究構樹纖維生物酶脫膠非常重要。

2 構樹纖維生物酶脫膠技術研究

生物酶是從生物體中產生的，它具有特殊的催化功能。利用生物酶對構樹纖維進行脫膠不同于傳統的化學方法脫膠，這是由于生物酶具有高效性、專一性、低反應條件以及易變性失活等特點。為使生物酶能對構樹纖維進行脫膠，首先是制備能對構樹纖維進行脫膠的生物酶。

2.1 生物酶制備

為研究能對構樹纖維進行脫膠的生物酶，先查找生物酶生產技術資料，再進行酶菌種篩選。從相關植物中提取酶菌種，用碎玉米粒等做培養基，自然狀態下，經過10天左右培育，得到固體顆粒狀生物酶初級產品（圖7）。再對固體狀的初級產品進行細胞壁破碎處理，用鹽析法進行簡單的分離純化[7]，得到液體生物酶次級產品（圖8）。將制得的生物酶溶液在0～4 ℃條件下冷藏備用。

2.2 構樹纖維生物酶脫膠基本過程

一般地，構樹皮纖維的纖維直徑在18～20 μm，以構樹白皮厚度1 mm，單纖維直徑18 μm來計算，在1 mm厚的構皮中有50～55根單纖維呈平行排列分布，如圖3所示。

表2 韌皮纖維原料的化學組成

表3 構樹皮全皮和白構皮的化學組成

圖7 固態生物酶圖

圖8 液態生物酶圖

圖9 構樹纖維置于生物酶溶液

通過顯微觀察和分析相關技術參數可以看出，影響構樹纖維脫膠質量的主要因素：（1）構樹皮中纖維排列過于緊密，脫膠溶液難以快速有效地滲透其中；（2）構樹皮中果膠質較高，且成網狀分布，將纖維牢固地黏連在一起，不利于纖維脫膠。本文采用自制的生物酶對構樹纖維進行脫膠，經過多次反復試驗，總體上看脫膠效果良好。

2.2.1 構樹皮吸水溶脹

為使生物酶脫膠具有普適性，采用常溫條件進行實驗。常溫下，取刮青后的構樹白皮若干，置于容器中，加一定量的自來水，讓構樹皮完全浸泡其中，放入適量的液體生物酶，靜置，觀察（圖6）。

一般地，經過刮青后的構樹皮都會存放一段時間。在含酶溶液中，最初是水從構樹皮的表層向里層逐漸溶脹，這就需要的一段時間。水溫在26 ℃時，溶脹時間為10～12 h；28℃時，溶脹時間為8～10 h；30 ℃時，溶脹時間在6～8 h；32 ℃時，時間可縮短在6 h左右。

2.2.2 生物酶對構樹纖維表層脫膠

構樹皮經過一段時間的吸水后逐漸開始溶脹。構樹皮在溶脹的同時，生物酶也在不同程度地進行著脫膠作用。由于外層纖維吸水充分，且作用面大，生物酶很容易進行脫膠作用，水溶液中開始出現白色漂浮物，脫膠效果比較明顯（圖10-1）。這說明生物酶已經開始進行脫膠了。

2.2.3 生物酶對里層纖維進行脫膠

當里層纖維加速溶脹后，生物酶的作用也隨之逐漸加快。隨著白色漂浮物越來越多，說明脫膠進程越來越快（圖10-2）。當構樹皮呈完全溶脹狀態時，生物酶的脫膠作用越來越明顯，纖維間分離速度更快。在自然條件下，水溫在26 ℃時，脫膠時間為3～4 d；28 ℃時，脫膠時間2～3 d；30 ℃時，脫膠時間在2～2.5 d；32 ℃時，脫膠時間大約在2 d。

2.3 生物酶脫膠方案

采用生物酶脫膠不如化學脫膠方便快捷。一方面，由于生物酶脫膠作用緩慢，另一方面由于構樹皮中纖維排列非常緊密，水溶液不容易滲透其中。為使構樹纖維脫膠效果更為理想，可采取兩種脫膠方案，即一次脫膠方案和二次脫膠方案。

圖10 構樹纖維生物酶脫膠過程

2.3.1 一次脫膠

為使脫膠效果良好，在脫膠過程中需要不斷翻動構樹皮，讓其盡可能均勻吸濕膨脹。采取一次脫膠的最大缺點就是脫膠時間較長。

2.3.2 二次脫膠

采用二次脫膠可適當縮短脫膠時間。當纖維溶脹到一定程度、外層脫膠基本完成后，取出構皮，并對構皮進行一定力度的打擊，讓構皮裂開，再放入容器中進行脫膠。這樣既加快了構樹皮的溶脹速度，也加快了脫膠速度，脫膠效果更好。

2.4 脫膠后處理

不論是采取一次脫膠還是二次脫膠，構樹纖維中都會殘留有少量的果膠質。為保證脫膠后纖維干燥時不再粘結在一起，需要將纖維中殘留的果膠清除掉。因此，脫膠后還要進行一定的后處理工序。

2.4.1 打纖

當纖維脫膠過程基本完成后，需要對纖維進行適當的捶打，以擠出附著在纖維周圍的殘留果膠。打纖過程是在構樹纖維濕態條件下進行的。利用機械方法對剛脫完膠的構樹皮進行反復打擊，直到纖維呈單纖維或工藝纖維狀。

2.4.2 乳化

經過一定的打擊后，極少量的殘余果膠還會附著在纖維間，一旦纖維干燥后，這些殘余果膠還會將纖維黏連。為此，將經過打擊后的離散單纖維放在適量的水中，加入一定比例的乳化液，在100℃條件下煮練15～30 min即可使殘留的果膠酶失活，不會再將纖維黏連。

2.4.3 干燥

對構樹纖維進行乳化作用后，果膠失活，黏連作用基本消失。再將乳化后的濕態構樹纖維進行烘干處理，即可得到離散的構樹單纖維或工藝纖維。

3 影響構樹纖維生物酶脫膠效果的因素

除了構樹纖維的排列結構和果膠質含量外，影響構樹纖維生物酶脫膠效果的因素還有纖維原料；生物酶；環境條件以及后處理工藝因素等。這里僅分析幾個具有代表性的影響因素。

3.1 構樹種類

構樹纖維的產地不同、種類不同，構皮纖維中的纖維素及半纖維素含量、果膠質含量等隨構樹種類的不同而存在一定的差異，這對纖維脫膠有一定影響。

3.2 酶的活性

生物酶的活性與水溫呈標準的正態分布。溫度過低，生物酶活性會被抑制；隨著溫度升高，生物酶的活性會逐漸恢復；但溫度過高，酶活會被破壞，溫度再次降低也不會恢復。

3.3 水溶液的pH值環境

植物纖維中使用的生物酶中大多數最適pH值為6.0～8.0，不同的酶有不同的最適pH值。水溶液最適宜的pH值范圍對構樹纖維生物脫膠很重要。不同的pH值環境對生物酶活性也有影響。

3.4 生物酶濃度

在一定范圍內，生物酶濃度增加，可加快脫膠速度。繼續增加生物酶濃度達到一定數值后，脫膠速度將不再增加，而呈現穩定的狀態。生物酶濃度不僅影響脫膠效果，也影響脫膠時間和脫膠成本，適當的生物酶濃度既經濟又適用。

3.5 打纖質量

韌皮纖維經過生物酶脫膠后，果膠得到不同程度的分解，但由于仍有少量果膠殘留在纖維里面，一旦干燥后將重新使纖維發生黏連。為此，需要對纖維進行一定強度的打擊。但強度過大會破壞纖維結構，強度過小又起不到打擊效果，這就需要適當掌握打擊力度。

4 結語

構樹纖維具有很多優點，可作為造紙和紡織方面的優質原料。由于構樹纖維果膠質含量相對較高，對其有效脫膠尚存在一定的難度。為保護水資源及大氣環境，構樹纖維脫膠不宜采用化學脫膠或類似的化學脫膠法進行脫膠，利用生物酶技術開發構樹纖維非常有必要。

研究生物酶脫膠機理，探索生物酶脫膠技術，實現環保型構樹纖維工業化生產，可為造紙和紡織工業提供優質的原料資源。

開發能用于構樹纖維脫膠的生物酶，大力開發構樹纖維，不僅有助于林業資源的綜合開發利用，對生態環境保護和水土保持也具有非常重要的意義。