苧麻纖維的堿性復合生物酶脫膠工藝研究

陳佳月,樊武厚,*,田 睿,梁 娟,康建平,翁華滿

(1.四川省紡織科學研究院,四川 成都610083;2.高技術有機纖維四川省重點實驗室,四川 成都610083;3.四川益欣科技有限責任公司,四川 成都610083)

苧麻纖維由纖維素、半纖維素、木質素和果膠等成分構成,其纖維素占比高達65%～75%,為纖維素含量最高的麻類纖維[1]。苧麻纖維質量輕、強力大、耐磨、透氣,具有防霉抗菌、導濕快干等優點,可廣泛用于高檔面料、服裝鞋帽、床上用品、家居裝飾和醫用包裝等產品中[1-2]。且苧麻作為我國特有的麻纖維品種,其種植面積廣、資源豐富。因此基于苧麻纖維的功能性紡織品的開發具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。

苧麻纖維的纖維素含量與傳統的棉纖維相比仍有較大差距,使其后續加工存在較大難度。通過脫膠來提高苧麻纖維的纖維素占比,能夠顯著提高苧麻纖維的加工性能和品質,極大推動苧麻纖維的高值化利用。目前,苧麻纖維的脫膠主要采用生物脫膠和化學脫膠2種方法。前者利用芽孢桿菌、厭氧菌、好氧菌等天然微生物在繁殖過程中分泌的酶來分解苧麻中的膠質,使高分子量的果膠、半纖維素分解為易溶于水的小分子物質而與纖維素分離。后者則是利用苧麻纖維中膠質成分和纖維素在酸、堿或氧化條件下的穩定性差異,通過煮練、水洗和物理機械手段使膠質與纖維素分離。傳統的生物脫膠方法受制于環境條件,導致脫膠時間長、產品制成率低、質量不穩定等問題。化學脫膠法雖具有工藝條件可控、脫膠速度快、不受環境因素限制等優勢,但卻存在設備投資費用高昂、廢水排放量大、生產能耗高等問題[3-7]。針對生物脫膠和化學脫膠的不足,通過常溫堿煮[8]、預氧化[9]等化學處理手段,并輔之以生物酶或混合菌種處理等生物處理手段[10],將2種方法相融合,成為當前提高苧麻纖維脫膠效率的發展趨勢[11]。

文中利用乙二胺四乙酸二鈉來螯合苧麻纖維細胞壁中的鈣鎂離子,使不溶性果膠酸鈣轉化為可溶性果膠酸鹽,削弱果膠對纖維素及其他膠質組分的粘結和包覆。在復合酶處理階段,利用果膠酶、漆酶的協同作用,加強處理液對苧麻的內部滲透,增強酶對膠質復合體的降解作用。在堿精煉階段,利用纖維素與半纖維在Na OH 溶液中的溶解性差異去除半纖維素,并利用煮練劑中表面活性劑的凈洗、乳化、分散作用,防止已脫除膠質在纖維表面的重新粘附,進一步鞏固脫膠效果。采用生物脫膠與化學脫膠相結合的方法,研究了苧麻纖維的堿性復合生物酶脫膠工藝,以期精簡其生物化學脫膠工藝流程,在溫和的低堿條件下提高苧麻纖維的脫膠效率,為苧麻纖維的高效脫膠提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料

苧麻纖維(原麻,四川玉竹麻業有限公司),果膠酶(工業品,上海康地恩生物科技有限公司),漆酶(工業品,南京德居生物科技有限公司),Na OH、亞硫酸鈉、碳酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉(分析純,成都市科龍化工試劑廠),滲透劑JFC(分析純,上海灃瑞化工有限公司)。

1.2 工藝及方法

在浴比1∶20、溫度100 ℃條件下,通過乙二胺四乙酸二鈉水溶液(6 g/L)對苧麻纖維浸泡預處理2 h。待處理液溫度降至50 ℃后,通過Na OH 調節體系p H值至9.5,并采用不同濃度的果膠酶/漆酶復合酶繼續處理3 h。隨后,在浴比1∶20、溫度100 ℃條件下,將復合酶處理的苧麻纖維加入由滲透劑JFC(2 g/L)、十二烷基苯磺酸鈉(3 g/L)、亞硫酸鈉(2 g/L)和碳酸鈉(3 g/L)組成的煮練液中,在不同濃度Na OH 條件下繼續處理3 h,水洗至中性后烘干得脫膠苧麻纖維。

1.3 性能測試

殘膠率是脫除膠質前后試樣干重的差值與原試樣的比值,直接反映苧麻纖維的脫膠效果,殘膠率越低脫膠效果越好。殘膠率根據GB∕T 5889-1986《苧麻化學成分定量分析方法》測定。

液體芯吸高度是表征纖維毛細效應的重要指標,反映纖維對水分的傳導功能,液體芯吸高度值越大,纖維的吸濕排汗性越好。液體吸芯高度根據FZ∕T 01071-2008《紡織品毛細效應試驗方法》測定。

白度是評定物質表面白色程度的指標,在紡織領域一般指距離理想白色(以高純度硫酸鋇為標準白度100度)的程度,白度值越高,越有利于后續染色加工。白度根據GB 5885-86《苧麻纖維白度試驗方法》測定。

束纖維強度是指纖維拉斷時所能承受的最大負荷,束纖維強度越大,纖維的可紡性越強,對后續加工越有利。纖維斷裂強度根據GB/T 5882-1986《苧麻束纖維斷裂強度試驗方法》測定。

2 結果和分析

2.1 堿性果膠酶濃度對體系苧麻脫膠的影響

在Na OH 濃度2 g/L、漆酶2 g/L條件下,考察了不同果膠酶濃度(10～60 g/L)對苧麻纖維殘膠率、毛細效應、白度及斷裂強度的影響,如圖1所示。隨著果膠酶濃度從10 g/L增加至40 g/L,苧麻纖維的殘膠率從19.5%減少至16.4%。液體芯吸高度從5.6 c m 快速增加至8.5 c m。繼續增加果膠酶濃度至60 g/L,上述2項指標幾乎保持不變。同時,隨著果膠酶濃度從10 g/L 增加至30 g/L,苧麻纖維的白度從22度快速增加至28.8度。繼續增加果膠酶濃度至60 g/L,苧麻試樣白度無明顯提高。隨著果膠酶濃度從10 g/L 增加至60 g/L,苧麻纖維的束纖維強度從2.06 c N/dtex持續增加至2.99 c N/dtex,提高了31%。

由上可知,果膠酶濃度的提高能降低苧麻纖維的殘膠率,改善纖維毛細效應,提高白度和斷裂強度。綜合考慮以上4項技術指標及成本因素,確定最佳的果膠酶濃度為40 g/L。通過在酶處理階段提高果膠酶濃度,在一定程度提高苧麻纖維的基本性能,但仍難滿足三級苧麻精干麻的要求。為此,嘗試通過繼續增大漆酶的濃度以進一步提高苧麻纖維的脫膠效率。

圖1 果膠酶濃度對苧麻纖維殘膠率、毛細效應、白度及斷裂強度的影響

2.2 漆酶濃度對體系苧麻脫膠的影響

在Na OH 濃度2 g/L和果膠酶40 g/L條件下,考察了不同漆酶濃度(4～12 g/L)對苧麻纖維殘膠率、毛細效應、白度及斷裂強度的影響,如圖2所示。隨著漆酶濃度從2 g/L增加至10 g/L,苧麻纖維的殘膠率從16.4%減少至9.8%,液體的芯吸高度從8.5 c m 快速增加至10.3 c m,白度從28.8度快速增加至40.6度,束纖維斷裂強度從2.83 c N/dtex 快速增加至3.45 c N/dtex,束纖維強度基本接近精干麻三級品的技術要求(≥3.5 c N/dtex)。繼續增加漆酶濃度至12 g/L,苧麻纖維的上述4項指標無顯著變化。

由上可知,在漆酶濃度不超過10 g/L 時,漆酶濃度的增加能顯著降低苧麻纖維的的殘膠率,改善纖維毛細效應、提高白度和斷裂強度,脫膠效果比僅提高果膠酶濃度得到的苧麻纖維更好。綜合考慮以上4項技術指標及成本因素,確定最佳的漆酶濃度為10 g/L。

圖2 漆酶濃度對苧麻纖維殘膠率、毛細效應、白度及斷裂強度的影響

2.3 Na OH濃度對體系苧麻脫膠的影響

在果膠酶40 g/L 和漆酶10 g/L 條件下,考察了不同Na OH 濃度(4～12 g/L)對苧麻纖維殘膠率、毛細效應、白度及斷裂強度的影響,如圖3所示。

隨著Na OH 濃度從2 g/L增加至10 g/L,苧麻纖維的殘膠率從9.8%快速減少至4.8%,液體芯吸高度從10.3 c m 快速增加至12.8 c m,白度從40.6度快速增加至50.1 度,束纖維斷裂強度從3.45 c N/dtex 快速增加至5.06 c N/dtex。繼續增大Na OH 濃度至12 g/L,苧麻纖維的各項指標幾乎保持不變。因此,Na OH 的最佳濃度為10 g/L。

圖3 Na OH 濃度對苧麻纖維殘膠率、毛細效應、白度及斷裂強度的影響

3 結論

利用預處理、酶處理和堿精煉的正向協同促進作用得到苧麻纖維的優化堿性復合生物酶脫膠工藝,篩選出復合酶和堿精煉處理階段最佳工藝條件為:將乙二胺四乙酸二鈉預處理的苧麻纖維通過果膠酶(40 g/L)和漆酶(10 g/L)復合酶在52℃處理3 h;隨后,100℃時在Na OH 溶液(10 g/L)進一步處理3 h。處理后苧麻纖維的殘膠率為4.8%,斷裂強力為5.06 c N/dtex,白度為50.1度,其技術指標達到三級苧麻精干麻的要求。通過對苧麻纖維在果膠酶/漆酶復合生物酶的堿性脫膠工藝研究,為苧麻纖維的高效脫膠提供了新思路。