亞麻浸泡脫膠與短時(shí)間浸漬脫膠的比較

田英華，張羽飛，劉曉蘭，王 路

(齊齊哈爾大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

亞麻纖維是可再生、可生物降解的天然纖維，具有優(yōu)越的物理力學(xué)特性，被廣泛用于紡織、生物復(fù)合材料等領(lǐng)域[1-3]。亞麻纖維以纖維束的形式存在于麻莖的韌皮部，纖維束外包裹著膠質(zhì)并且由膠質(zhì)相互黏結(jié)。脫膠就是從非纖維組分中分離出纖維的過程。由于脫膠過程在很大程度上決定了亞麻纖維的特性，因此，被認(rèn)為是制纖過程中重要的環(huán)節(jié)[4]。

亞麻制纖的歷史非常悠久，傳統(tǒng)的方法主要是雨露法和溫水浸泡法。雨露法長(zhǎng)期占用耕地，而溫水浸泡法對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。20世紀(jì)80年代，隨著生物學(xué)的發(fā)展，研究者們開始關(guān)注添加微生物或生物酶進(jìn)行亞麻脫膠。酶法亞麻脫膠效率高，纖維生產(chǎn)率高，纖維的強(qiáng)力損失較小，但成本高制約了酶法脫膠工業(yè)化的進(jìn)程。近年來課題組探索了短時(shí)浸漬脫膠方法，力圖在保證酶法脫膠優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上減少酶的用量，降低生產(chǎn)成本[5-6]。本文分別研究了浸泡法和短時(shí)間浸漬法亞麻脫膠的適宜加酶量和pH值，對(duì)比研究了脫膠過程中，還原糖、總糖的變化及脫膠后纖維的分離程度。為酶法脫膠的機(jī)制研究及推動(dòng)酶法亞麻脫膠提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

亞麻(黑龍江省金鼎亞麻紡織集團(tuán))，果膠酶(天津市利華酶制劑技術(shù)有限公司)，3，5-二硝基水楊酸、 結(jié)晶酚、結(jié)晶乙酸鈉、冰乙酸(天津市凱通化學(xué)實(shí)驗(yàn)有限公司，均為分析純)，蒽酮 (上海源葉生物科技有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1還原糖含量的測(cè)定方法

采用3,5-二硝基水楊酸法[7]測(cè)定還原糖含量：將1 mL樣品溶液，1 mL蒸餾水及1 m 3，5-硝基水楊酸(DNS)試劑混合均勻，沸水浴5 min后驟冷，定容至25 mL，混合均勻，520 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光值，空白為不加樣品。

1.2.2總糖含量的測(cè)定方法

采用蒽酮比色法[8]測(cè)定總糖含量：將1 mL樣品溶液，1 mL蒸餾水及10 mL蒽酮液混合均勻，沸水浴10 min后驟冷，620 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光值，空白為不加樣品。

1.2.3亞麻原莖的預(yù)處理

5 cm 長(zhǎng)的亞麻莖段→121 ℃濕熱滅菌→干燥→碾壓處理→蒸餾水浸泡12 h→干燥。

1.2.4亞麻原莖短時(shí)浸漬脫膠

將預(yù)處理后的亞麻原莖5 g在脫膠酶液中浸泡2 min后取出，去除多余溶液，置于密閉容器內(nèi)，恒溫脫膠。

1.2.5短時(shí)浸漬法脫膠亞麻纖維中還原糖和總糖的提取

將不同脫膠時(shí)間的亞麻莖1 g剪成較小的莖段，加入到20 mL HAC-NaAC緩沖液中，然后進(jìn)行30 min的超聲處理，再沸水浴30 min。

1.2.6亞麻原莖浸泡法脫膠

經(jīng)預(yù)處理后的亞麻原莖按浴比1∶20 加入 pH 值5.5的果膠酶液，于36 ℃ 靜置脫膠處理。脫膠過程中每隔12 h測(cè)定溶液中的還原糖、總糖含量和纖維的分離程度。

1.2.7亞麻纖維分離程度的判斷方法

亞麻纖維的分離程度采用Freid評(píng)分法[9]進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)纖維分離的程度評(píng)分，共4個(gè)等級(jí)。0為不分散，1為稍有分散，2為基本分散，3為分散良好。“+”表示略高于該水平。

2 結(jié)果與討論

2.1 酶質(zhì)量濃度對(duì)浸泡法亞麻脫膠的影響

分別采用質(zhì)量濃度為10、5和2 g/L的酶液對(duì)亞麻原莖進(jìn)行浸泡法脫膠，脫膠周期內(nèi)，每12 h測(cè)定脫膠液的還原糖、總糖含量，及亞麻纖維的分離程度，浸泡法脫膠過程中酶質(zhì)量濃度對(duì)還原糖含量的影響見圖1、浸泡法脫膠過程中酶質(zhì)量濃度對(duì)總糖含量的影響見圖2，酶濃度對(duì)纖維分離度的影響(Fried值)見表1。

由圖1、2可見，不同酶質(zhì)量濃度脫膠過程中，還原糖和總糖含量變化趨勢(shì)較為一致。隨著浸泡法脫膠的進(jìn)行，脫膠液中還原糖含量均緩慢增加，脫膠48～60 h與脫膠72～84 h還原糖含量表現(xiàn)出2次迅速升高，脫膠84 h還原糖含量均達(dá)到最高值，這與一些研究者的報(bào)道脫膠液中還原糖含量呈“M”形并不相符[10-12]，這可能是本文所采用的亞麻莖經(jīng)過滅菌處理，排除了麻莖攜帶的微生物對(duì)脫膠液中還原糖含量的影響。而總糖含量的變化呈“M”形，“M”形的2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在48 h和72 h。脫膠過程中酶質(zhì)量濃度越高，麻莖中的果膠類物質(zhì)被分解的越多，脫膠液中還原糖和總糖含量也越高。

圖1 浸泡法脫膠過程中酶質(zhì)量濃度對(duì)還原糖含量的影響

圖2 浸泡法脫膠過程中酶質(zhì)量濃度對(duì)總糖含量的影響

酶質(zhì)量濃度/(g·L-1) 時(shí)間/h1224364860728410Ⅰ0234445+Ⅱ1334555+5Ⅰ0223345Ⅱ1234555+2Ⅰ0123233Ⅱ1135434

注：Fried值為3次測(cè)試的均值; Ⅰ:浸泡法脫膠,Ⅱ: 短時(shí)浸漬法脫膠。

由表1可見，酶質(zhì)量濃度越高，纖維分離程度(Fried值)增加越迅速，酶質(zhì)量濃度10 g/L時(shí)，亞麻纖維在48 h Fried值達(dá)到4，酶質(zhì)量濃度5 g/L時(shí)，亞麻纖維則在72 h Fried值才達(dá)到4，至脫膠84 h，酶質(zhì)量濃度10、5 g/L脫膠的纖維均分離良好，F(xiàn)ried值達(dá)到5，但2 g/L脫膠的纖維Fried值僅為3。綜合考慮選擇5 g/L作為亞麻浸泡脫膠的適宜酶質(zhì)量濃度。

2.2 酶質(zhì)量濃度對(duì)短時(shí)浸漬法亞麻脫膠的影響

采用短時(shí)浸漬法亞麻脫膠，考察不同的酶質(zhì)量濃度對(duì)提取液中還原糖、總糖含量及纖維分離程度的影響。短時(shí)浸漬法脫膠過程中酶質(zhì)量濃度對(duì)還原糖含量的影響見圖3、短時(shí)浸漬法脫膠過程中酶質(zhì)量濃度對(duì)總糖含量的影響見圖4。

圖3 短時(shí)浸漬法脫膠過程中酶質(zhì)量濃度對(duì)還原糖含量的影響

圖4 短時(shí)浸漬法脫膠過程中酶濃度對(duì)總糖含量的影響

由圖3、4可見，短時(shí)浸漬法脫膠提取液中還原糖和總糖含量均較浸泡法脫膠的低；脫膠過程中還原糖含量呈逐步增加的趨勢(shì)，隨酶質(zhì)量濃度的增加，脫膠提取液中還原糖含量明顯提高，但與浸泡法脫膠不同，較高酶質(zhì)量濃度(10、5 g/L)對(duì)還原糖含量的影響并不顯著。脫膠過程中總糖含量呈近“W”形，脫膠84 h總糖含量相差不大。結(jié)合纖維分離度，選擇5 g/L為適宜的酶質(zhì)量濃度。

2.3 pH值對(duì)浸泡法亞麻脫膠的影響

分別采用pH值為3.7，4.0，4.4，4.8和5.2的酶液進(jìn)行浸泡法亞麻脫膠，浸泡法脫膠過程中pH值對(duì)還原糖含量的影響見圖5、浸泡法脫膠過程中pH值對(duì)總糖含量的影響見圖6。酶液pH值對(duì)纖維分離度的影響(Fried值)變化見表2。

圖5 浸泡法脫膠過程中pH值對(duì)還原糖含量的影響

圖6 浸泡法脫膠過程中pH值對(duì)總糖含量的影響

pH值時(shí)間 122436486072843.7Ⅰ1334455+Ⅱ1233344+4.0Ⅰ1334455+Ⅱ11112344.4Ⅰ0124344Ⅱ01111134.8Ⅰ0122243Ⅱ2123545+5.2Ⅰ0112244Ⅱ0112245

注：Fried值為3次測(cè)試的均值; Ⅰ:浸泡法脫膠,Ⅱ:短時(shí)浸漬法脫膠。

由圖5、6可見，隨著脫膠的進(jìn)行還原糖含量緩慢升高，pH值3.7和pH值4.0脫膠液中還原糖含量在脫膠過程中始終保持較高的水平，至脫膠84 h，pH值3.7和pH值4.0脫膠液中還原糖含量分別為518.23 μg/mL 和586.54 μg/mL。脫膠液中總糖含量的變化基本成“M”形，最低點(diǎn)為脫膠60 h，至脫膠84 h，pH值4.0脫膠液中總糖含量最高，為5 352.81 μg/mL。由表2可見，酶液pH值為3.7和 4.0脫膠亞麻纖維Fried值增加較快，纖維分離度最好，分別在脫膠60 h和72 h Fried值達(dá)到5分。因此，浸泡法亞麻脫膠適宜pH值為3.7～4.0。

2.4 pH值對(duì)短時(shí)浸漬法亞麻脫膠的影響

分別采用pH值為3.7，4.0，4.4，4.8和5.2的酶液進(jìn)行短時(shí)浸漬法亞麻脫膠，短時(shí)浸漬法脫膠過程中pH值對(duì)還原糖含量的影響見圖7、短時(shí)浸漬法脫膠過程中pH值對(duì)總糖含量的影響見圖8。

圖7 短時(shí)浸漬法脫膠過程中pH值對(duì)還原糖含量的影響

圖8 短時(shí)浸漬法脫膠過程中pH值對(duì)總糖含量的影響

隨著短時(shí)浸漬法脫膠的進(jìn)行，脫膠提取液中還原糖含量呈增加的趨勢(shì)，脫膠后期(72～84 h)還原糖含量增加迅速，pH值4.8～5.2酶液的還原糖含量均超過440 μg/mL。由圖8可見，短時(shí)浸漬法脫膠總糖含量的變化與浸泡法脫膠的相似，均呈近“M”形，但不同pH值的脫膠提取液中總糖含量的變化趨勢(shì)并不一致，這也可能是由于短時(shí)浸漬法提取總糖時(shí)的誤差造成的。至脫膠84 h pH值4.0和pH值4.8脫膠提取液中總糖含量為最高。結(jié)合纖維分離度選擇適宜pH值為4.8。

3 結(jié) 論

①以亞麻莖為原料，分別采用浸泡法和短時(shí)浸漬法脫膠制備亞麻纖維，以纖維分離度評(píng)分為指標(biāo)，浸泡法和短時(shí)浸漬法脫膠適宜酶質(zhì)量濃度均為5 g/L，適宜pH值分別為3.7～4.0和4.8。

②對(duì)比研究浸泡法和短時(shí)浸漬法制備亞麻纖維過程還原糖、總糖含量的變化。浸泡法脫膠體系中還原糖和總糖含量明顯高于浸泡法脫膠。2種脫膠體系中還原糖含量均呈逐漸上升趨勢(shì)，脫膠后期(72～84 h)還原糖含量增加較快，至84 h達(dá)到最高值。浸泡法脫膠體系中總糖含量呈近“M”形。

③短時(shí)浸漬法脫膠的纖維分離度優(yōu)于浸泡法脫膠，而短時(shí)浸漬法脫膠酶液用量約為浸泡法的40%，具有成本效益，但短時(shí)浸漬法脫膠纖維的一致性較浸泡法差，這也是課題組需要解決的問題。