工業大麻纖維復合酶脫膠工藝研究

焦偉航，金海燕，李 闖，劉曉蘭，吳紅艷，田英華，2

(1.齊齊哈爾大學 食品與生物工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006； 2.齊齊哈爾大學 寒區麻及制品教育部工程研究中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

工業大麻，在我國也稱漢麻，是指植物中四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%的無毒品利用價值的大麻類型，為大麻科大麻屬一年生草本生物。據統計，2018年中國工業大麻產量達到10.52萬t，工業大麻市場規模為79.1億元，2020年中國工業大麻市場規模增長至94.5億元左右。中國的氣候及土壤環境具有得天獨厚的工業大麻種植優勢，目前，我國是全球最大的工業大麻種植國家，種植面積為18.56千公頃，面積占比超過50%。與其他麻類纖維相比，工業大麻纖維最為細軟，細度約為苧麻纖維的1/3。工業大麻纖維的膠雜質含量較高，主要為木質素、果膠及半纖維素，約占40%左右，因此，工業大麻纖維的脫膠難度也較其他麻類大，脫膠工藝也成為獲得高品質工業大麻纖維的關鍵環節。與化學脫膠相比，酶法脫膠不僅對工業大麻纖維的損傷小，而且對環境友好，符合綠色發展的理念。近年來，麻類纖維酶法脫膠多采用果膠酶，但果膠酶對木質素的脫除并不理想，而木質素的含量是評價麻纖維品質的重要指標之一。本文采用復合酶分別作用于工業大麻膠質中的果膠、半纖維素和木質素三大類主要組分，比單酶脫膠更為有效，并可提高纖維的色澤、柔軟性等品質。本文以果膠酶、木聚糖酶和漆酶復合酶液對工業大麻纖維進行脫膠處理，以脫膠后工業大麻纖維的失重率及殘膠率為響應值確定了適宜的脫膠條件，力圖為復合酶工業大麻脫膠的研究、綠色紡織品的開發及工業大麻纖維的性能改善提供理論依據。

1 試 驗

1.1 試驗材料

工業大麻纖維產自甘肅天水。

果膠酶(諾維信(中國)生物技術有限公司)；木聚糖酶、漆酶(蘇柯漢(濰坊)生物工程有限公司)；其他化學試劑均為分析純，市售。

1.2 試驗方法

將工業大麻纖維3 g加入質量濃度0.01 g/mL NaOH，0.01 g/mL NaCO，0.01 g/mL NaPO溶液中，浴比1∶30，100 ℃加熱20 min，處理后的工業大麻纖維超聲波清洗至中性，干燥。

將堿預處理后的工業大麻纖維加入浴比1∶30，由果膠酶、木聚糖酶、漆酶組成的復合酶液中，35 ℃，pH值4.2，脫膠處理4 h。脫膠后的工業大麻纖維超聲波清洗，干燥。

亞麻纖維的分離程度采用Freid評分法。根據纖維分離的程度評分，共4個等級。0為不分散，1為稍有分散，2為基本分散，3為分散良好。本文工業大麻纖維的分離程度也采用Freid評分法進行評價。

工業大麻纖維質量損失率采用質量差法進行測試：

=(-)×100

式中：為質量損失率，%；為脫膠前工業大麻莖的質量，g；為脫膠后工業大麻莖的質量，g。

參照GB 5889—1986《苧麻化學成分定量分析方法》測試工業大麻纖維的殘膠率。

在脫膠條件優化結果基礎上，以最適宜用量的果膠酶、木聚糖酶、漆酶和適宜pH值為自變量，以失重率和殘膠率為指標。每組試驗設3個重復，按照9(3)正交表進行正交試驗。試驗安排見表1。

表1 酶法脫膠條件優化的正交試驗設計Tab.1 Orthogonal test design for enzymatic retting

2 試驗結果與討論

2.1 工業大麻纖維堿預處理條件優化

工業大麻纖維中的果膠雜質在加熱堿溶液的作用下，可水解為可溶物而被去除，另一方面，堿溶液對工業大麻纖維具有溶脹作用，使得工業大麻纖維吸水快、內聚力減小、纖維細胞壁變得比較松弛，從而使酶液更容易滲透至纖維內部。低質量濃度的堿溶液則對纖維損傷較小。本文采用NaOH質量濃度為0.002、0.005、0.010、0.015 g/mL的堿溶液，浴比為1∶30，溫度為100 ℃分別進行工業大麻纖維的處理，NaOH質量濃度對工業大麻纖維脫膠的影響見圖1。

圖1 NaOH質量濃度對工業大麻纖維脫膠效果的影響Fig.1 Effect of NaOH concentration on retting degumming

由圖1可見，隨著NaOH質量濃度的增加，工業大麻纖維質量損失率也增加，至NaOH質量濃度為0.010 g/mL時質量損失率達到最高，為16.51%，再增加NaOH質量濃度對質量損失率影響很小。隨著NaOH質量濃度的增加殘膠率迅速降低，至0.01 g/mL時達到最低值，再增加質量濃度殘膠率維持不變。故選擇NaOH質量濃度為0.01 g/mL作為適宜堿預處理質量濃度。

將工業大麻纖維加入100 ℃堿溶液中，處理時間分別為10、20 、30 min，處理后的工業大麻纖維超聲清洗至中性，干燥。考察堿預處理時間對工業大麻纖維脫膠的影響，堿預處理時間對脫膠效果的影響結果見圖2。由圖2可見，堿處理由10 min延長至20 min，工業大麻纖維質量損失率由10.32%提高至13.62%，并且殘膠率為10.46%，降低了29.37%，對膠質的去除作用較顯著。而處理時間延長至30 min，質量損失率僅僅增加了1.01%，殘膠率降低了0.84%，因此，選擇20 min作為適宜的堿預處理時間。

圖2 堿預處理時間對脫膠效果的影響Fig.2 Effect of alkali pretreatment time on retting degumming

2.2 工業大麻纖維酶法脫膠條件優化

果膠主要存在于植物細胞壁的初生壁和細胞中間片層，起著支撐和保護細胞的作用，在工業大麻韌皮纖維中果膠伴隨著纖維素存在，與半纖維素等膠雜質黏結在一起，果膠的去除，有利于打破膠雜質間及膠雜質與纖維的連接。分別采用果膠酶添加量為0.005、0.010、0.015、0.020 g/mL對工業大麻纖維脫膠處理4 h，果膠酶用量對脫膠效果的影響結果見圖3。

圖3 果膠酶對脫膠效果的影響Fig.2 Effect of pectinase treatment on retting degumming

由圖3可見，果膠酶質量濃度的提高促進了脫膠效率，工業大麻纖維質量損失率增加，殘膠率降低，果膠酶質量濃度增加到0.01 g/mL后，工業大麻纖維的質量損失率和殘膠率變化緩慢。

將堿預處理后的工業大麻纖維加入浴比1∶30，木聚糖酶質量濃度為0.001、0.005、0.010、0.015 g/mL的酶液中，35 ℃脫膠處理。脫膠后的工業大麻纖維超聲波清洗，干燥，木聚糖酶質量濃度對脫膠效果的影響結果見圖4。由圖4可見，木聚糖酶質量濃度由0.005 g/mL提高至0.010 g/mL，工業大麻纖維的質量損失率和殘膠率均有較顯著的變化，再提高木聚糖酶的用量對脫膠影響不大。

圖4 木聚糖酶對脫膠效果的影響Fig.4 Effect of xylanase treatment on retting degumming

將堿預處理后的工業大麻纖維加入漆酶質量濃度為0.001、0.005、0.010、0.012 g/mL的酶液中，浴比1∶30，35 ℃脫膠處理。脫膠后的工業大麻纖維超聲波清洗，干燥，漆酶質量濃度對脫膠效果的影響結果見圖5。

圖5 漆糖酶對脫膠的影響Fig.5 Effect of laccase treatment on retting degumming

由圖5可見，隨著漆酶質量濃度的增加，工業大麻纖維質量損失率增加，殘膠率降低，漆酶質量濃度為0.01 g/mL時質量損失率和殘膠率分別為19.89%和5.69%。漆酶處理后工業大麻纖維柔軟度提高。

2.3 酶法工業大麻纖維脫膠的正交試驗

采用果膠酶、木聚糖酶和漆酶使用pH值范圍為4.0～6.5，正交試驗中選擇pH值4.2、5.0、5.8 3個水平，以纖維質量損失率和殘膠率為響應值，正交試驗結果見表2。試驗結果表明，果膠酶、木聚糖酶和漆酶適宜質量濃度分別為0.010，0.005和0.002 g/mL，適宜pH值為4.2～5.0，即。極差越大，因素的水平變動時，試驗指標的變動越大，因此各因素對脫膠影響大小順序為：pH值>木聚糖酶質量濃度>果膠酶質量濃度>漆酶質量濃度。采用0.01 g/mL果膠酶，0.005 g/mL木聚糖酶，0.002 g/mL漆酶，pH值4.2進行驗證試驗，處理后的工業大麻纖維質量損失率為23.96%，殘膠率為4.82%，Fried評分為5分，纖維分散良好，手感柔軟，有一定光澤。

表2 酶法工業大麻纖維脫膠的正交試驗結果Tab.2 Orthogonal test table for enzymatic hemp retting

3 結 論

本文先以低質量濃度NaOH溶液作為預處理劑，再采用復合酶對工業大麻纖維進行脫膠，優化了工業大麻纖維的處理工藝，結論如下。

①熱堿溶液作用于工業大麻纖維具有較好的溶脹作用，并能夠有效去除工業大麻纖維中的部分膠質。NaOH質量濃度0.01 g/mL，100 ℃處理工業大麻纖維20 min，殘膠率可降低至10.46%，低質量濃度堿處理對工業大麻纖維損傷較小。

②選擇果膠酶、木聚糖酶和漆酶的復合酶處理工業大麻纖維，在單因素試驗的基礎上進行了正交試驗，3種酶適宜的添加量分別為果膠酶0.001 g/mL，木聚糖酶0.005 g/mL，漆酶0.002 g/mL，適宜pH值為4.2～5.0，3種酶中木聚糖酶對脫膠影響最大，經漆酶處理后纖維的柔軟度得到改善。