化學-生物酶聯(lián)合脫膠制備竹纖維研究

張青海，曾飛虎，汪揚濤，林松柏

（1.實用化工材料福建省高校應用技術工程中心，福建 泉州362000；2.黎明職業(yè)大學 輕紡工程系，福建 泉州 362000）

化學-生物酶聯(lián)合脫膠制備竹纖維研究

張青海1,2，曾飛虎1,2，汪揚濤1,2，林松柏1,2

（1.實用化工材料福建省高校應用技術工程中心，福建 泉州362000；2.黎明職業(yè)大學 輕紡工程系，福建 泉州 362000）

采用化學-生物酶聯(lián)合處理一次性竹筷制備竹纖維，經化學處理過的一次性竹筷，再采用生物酶處理進行脫膠實驗，有效地將竹纖維進一步細化，優(yōu)化纖維結構，提高竹纖維性能。通過正交設計對影響酶脫膠的主要因素如酶處理溫度、處理時間、酶質量分數(shù)、浴比及pH進行試驗，以竹纖維的失重率和聚合度為考察指標，結果表明在pH值為5.0、溫度為40℃、果膠酶質量分數(shù)為4%，浴比為1∶100（m物料∶m溶液）的條件下脫膠4h，竹纖維的失重率達到9.8%，聚合度為460，獲得較好的脫膠效果。

竹纖維；果膠酶；脫膠；失重率；聚合度

竹纖維被稱做會呼吸的纖維［1］，具有良好的透氣性、瞬間吸水性、較強的耐磨性、負離子保健、天然抗菌、抑菌、除螨等其他纖維無法比擬的天然特性［2-3］。我國是世界上竹資源含量最豐富的國家［4］，竹纖維是一種新型資源，廣泛應用于如日用品、造紙、紡織、和建筑等行業(yè)［5］。一次性筷子作為常見的用品，用完即被丟棄，造成了極大的資源浪費。因此從丟棄的一次性筷子中提取竹纖維，具有較高的研究價值和利用價值。竹纖維脫膠目前有物理機械法［6］，化學脫膠法［7］，生物酶脫膠［8］和微生物脫膠［9］等方法。物理機械法雖然工藝操作簡單但脫膠時間長，得到的竹纖維粗硬，脫膠效果不佳；化學脫膠法，脫膠時間短，但對竹纖維的某些性能損害大；生物酶法具有酶專一性強，作用條件溫和等優(yōu)點。本研究利用化學方法對一次性竹筷進行前期的適度處理后，再利用脫膠酶對處理后的竹筷進行處理。即提高了處理竹材得效率，又一定程度上彌補了化學法對竹纖維的破壞。利用正交實驗法考察了相關工藝參數(shù)對竹纖維脫膠程度的影響。

1　實驗部分

1.1材料與儀器

實驗試樣：一次性竹筷子（回收）。

實驗藥品：果膠酶（AR，國藥集團化學試劑有限公司）、檸檬酸（AR，國藥集團化學試劑有限公司）、磷酸氫二鈉 （AR，國藥集團化學試劑有限公司）、銅乙二胺溶液（AR，Code：258550010，Lot：A0316866，CAS：14552-35—3，1LT，賽默飛世爾科技中國有限公司）。

試驗儀器：電子天平（型號：BSA，生產商：賽多利斯科學儀器北京有限公司）、臺式恒溫振蕩器（型號：THZ-D，生產商：太倉市實驗設備廠）、恒溫水浴鍋（型號：HH-4單，生產商：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）、高速多功能粉碎機（型號：JP-350B，生產商：上海久品工貿有限公司）、pH計（型號：PHS-2F，生產商：上海精科實業(yè)有限公司）、循環(huán)水式多用真空泵（型號：SHB-IIIS，生產商：鄭州長城科工貿有限公司）、電熱鼓風干燥機（型號：JY-30L，生產商：上海南榮實驗室設備有限公司）、烏氏粘度計、干燥器、錐形瓶、移液管、燒杯、培養(yǎng)皿、分樣篩、抽濾瓶、布氏漏斗、聚乙烯瓶、烏氏粘度計、SYP-Ⅱ玻璃恒溫水浴、銅片、天平、秒表等。

1.2工藝流程

將化學脫膠法與生物脫膠法聯(lián)合，發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，工藝流程如下：一次性筷子→截成小段→酸預水解→頭道蒸煮→浸泡洗滌→用錘子捶扁竹子→硫酸鹽蒸煮→水洗→烘干→得到粗纖維產品→粉碎竹纖維→配制緩沖溶液→生物酶處理竹纖維，100℃加熱15 min→水洗→烘干→竹纖維→計算竹纖維的失重率，測量聚合度。

1.3工藝過程

（1）酸預水解：將竹子浸泡在1%稀硫酸溶液中，然后放置在高壓鍋內蒸煮20 min。其目的是降低半纖維素的含量。

（2）浸泡洗滌：取出初次蒸煮產物，并洗滌竹子上的殘留酸性液體。

（3）捶打梳理：用錘子將蒸煮過的竹子捶扁，迫使竹纖維分離成為絲狀，部分膠質將被分離。

（4）硫酸鹽蒸煮：將得到的粗竹纖維浸泡到含有Na2S、NaOH、綠氧溶液等的三角燒瓶中，在140℃的溫度下蒸煮90 min，以便中和粗竹纖維上的剩余化合物，進一步去除膠質部分。該階段的主要目的是去除部分木質素，溶出蠟質、果膠、部分半纖維素。

（5）水洗：用蒸餾水反復沖洗二次蒸煮后的粗竹纖維，去除殘留的化學藥品，洗至中性并烘干。

（6）粉碎竹纖維：烘干之后的竹纖維成片狀，粉碎竹纖維后能夠變蓬松，有利于生物酶充分降解。

（7）配制緩沖溶液：用pH計調配不同pH值的緩沖溶液以備后用。

（8）生物酶處理竹纖維：對竹纖維脫膠的影響因素，如溫度、時間、酶質量分數(shù)、pH、浴比等，做5因素4水平的正交試驗。加入所對應pH的酶液和竹纖維，用保鮮膜密封錐形瓶瓶口，放入恒溫氣浴振蕩器中，在所需溫度下反應一定的時間。

（9）100℃加熱15 min：在恒溫水浴鍋100℃的溫度下加熱15 min，酶催化反應為不可逆反應，高溫可使生物酶失活，酶反應停止。

（10）水洗：用蒸餾水反復水洗上述蒸煮產物。

（11）烘干：由于竹纖維吸濕性能強，在鼓風干燥箱的105℃條件下干燥2h至恒重后，然后放置到干燥器冷卻，冷卻至室溫后進行稱量。

1.4測定內容

1.4.1計算竹纖維的失重率

失重率在一定程度上能反映生物酶對竹纖維的脫膠能力，其失重率的計算公式為：

式中w0為酶處理前竹纖維的干重，w為酶處理后竹纖維的干重。

1.4.2測定竹纖維的聚合度

聚合度的大小能夠體現(xiàn)出纖維素鏈的長短，纖維素的分子式為（C6H10O5）n，n表示為葡萄糖基的數(shù)目，稱作聚合度，采用銅乙二胺溶液作為竹纖維的溶劑。

測定步驟：準確稱取0.125 g經酶處理后的竹纖維試樣，放置在聚乙烯瓶中，加入12.5 mL的蒸餾水和2至3塊的銅片，劇烈震蕩使竹纖維分散開，竹纖維吸水膨脹，再加入12.5 mL的銅乙二胺溶液。再反復劇烈震蕩聚乙烯瓶5 min，試樣溶解。接著用抽濾裝置將溶液抽濾。將聚乙烯瓶中的樣品在溫度為（25±0.1）℃的超級水浴中靜置5 min。在（25±0.1）℃的溫度下，用秒表測定不同濃度溶液及純溶劑流過烏氏粘度計的時間，平均測定3次，3次的時間相距不超過0.2 s，取平均值t。

圖1　溶液粘度與纖維素濃度關系圖

根據(jù)文獻［11］在25℃時，對于纖維素-CED溶液體系中，k2（比例常數(shù)）為1.7g/mL，α（與分子形狀有關經驗常數(shù)）為0.8，DP為平均聚合度。帶入公式［η］=k2DPα，即可算出竹纖維的平均聚合度。

2　實驗方案與結果分析

本實驗采用的是化學-酶聯(lián)合脫膠實驗，結合了兩者的優(yōu)點，主要研究的是生物酶脫膠部分。該工藝過程中，影響果膠酶脫膠的因素及各個因素的最適合范圍，經過查閱相關資料，分析研究，果膠酶對竹纖維的細化效果主要取決于反應溫度、時間、酶質量分數(shù)、浴比、pH值等，選定各因素參數(shù)范圍如下。本次試驗選擇正交表L9（45），如表1所示，以確定酶反應溫度、酶反應時間、酶的質量分數(shù)、pH值、浴比等因素的工藝參數(shù)，各因素的水平選取如表所示。

表1　正交試驗因素與水平表

根據(jù)上述因素與水平表，對各因素水平進行脫膠實驗，用失重率和聚合度來說明脫膠效果，其結果如表2所示。

表2　L16（45）正交表與竹纖維失重率和聚合度測定結果

實驗選用竹纖維的失重率、聚合度為指標，評價果膠酶脫膠效果。失重率越大越好，聚合度越大越好為優(yōu)。因為極差分析計算較為方便，在數(shù)據(jù)處理是經常被采用。極差大的為主要影響因素，下面就正交試驗進行極差分析，如表3所示。

表3　正交實驗結果結果極差分析

表3中，Ki、Li為對應指標列和水平i對應的數(shù)據(jù)之和（i=1，2，3）。

對于竹纖維的失重率，影響因素的主次順序為：溫度＞反應時間＞酶質量分數(shù)＞pH值＞浴比，較優(yōu)水平組合為A1B1C4D2E2。對于竹纖維的聚合度，影響因素的主次順序為：反應時間＞浴比＞酶質量分數(shù)＞溫度＞pH值，較優(yōu)水平組合為A1B4C1D4E1。所以 A1B4C4D4E2可能為最佳工藝條件，補做實驗A1B4C4D4E2，測得A1B4C4D4E2，測得竹纖維的失重率為9.8%，聚合度為460，即最佳工藝條件是酶處理溫度為40℃，處理時間為4 h，pH為5.0，浴比為1∶100，酶質量分數(shù)為4%。采用試驗優(yōu)化的因素水平組合脫膠綜合效果最佳，因此，可以認為本次試驗優(yōu)化設計結果可靠。將各指標的Ki、Li值作圖2。

圖2　各工藝參數(shù)對失重率及聚合度的影響

圖3為經化學處理過的竹纖維表面形貌的生物顯微鏡照片，圖4為經化學-酶處理過的竹纖維表面形貌的生物顯微鏡照片，并且是在溫度為40℃，反應時間為4 h，pH值為5.0，浴比為1∶100，果膠酶質量分數(shù)為4%的條件下所處理的竹纖維，即正交驗證結果的最優(yōu)組合。圖3的竹纖維表面較平整。竹纖維內部的空隙較小，呈多條較淺的溝槽，說明還有膠質部分附著在上面。圖4的竹纖維透光性較好，可看出結構和膠質部分受到破壞，竹纖維內部之間產生的空隙較大，可能是內部的膠質部分被果膠酶分解，導致竹纖維分離。從竹纖維的表面形貌看，果膠酶對竹纖維能起到脫膠效果。

圖3　化學處理竹纖維表面形貌　

圖4　化學-酶處理竹纖維表面形貌

果膠酶主要成分能有效分解去除果膠質及其他共生雜質。其作用原理為（1）果膠酶分子從水溶液向竹纖維擴散，緩沖溶液中的水分子使竹纖維溶脹，即纖維吸收水后，體積變大，內聚力減弱而變軟，表面的可溶性物質溶解。（2）果膠酶分子在竹纖維表面吸附，果膠酶首先與纖維細胞壁中的果膠結合，成為果膠質；接著果膠質脫甲基成為果膠酸，水解成各半乳糖醛酸單體間的1，4苷鍵，降解大分子［10］。（3）產生的水溶性產物游離初生細胞壁基質，釋放出果膠酶。（4）果膠酶再與其他果膠質吸附，不停重復這個過程。水溶性產物溶于脫膠液中，改變了溶液的pH值，對酶活性部位的活力產生影響。而果膠是纖維細胞壁之間的粘合劑，將脂蠟質、木質素、與纖維素粘合在一起。果膠酶處理纖維時起到催化水解作用，脂蠟質及木質素松動脫落較多，破壞了纖維的表面束縛層，降低了纖維束之間的粘合力，使纖維被迫分離。酶的質量分數(shù)越大，果膠酶分子與竹纖維的膠質部分接觸機會越大，脫膠反應加快，竹纖維失重率提高，但酶質量分數(shù)增加到一定數(shù)值，單位體積果膠酶的活性也將達到一個頂峰，再加大酶的質量分數(shù)，酶活性反而會下降，竹纖維的脫膠率也跟著降低。果膠酶是活性物質，隨著溫度增加，酶擴散速度加快，反應速率也加快，但超過酶的最適合溫度，酶活性會降低，反應速率也會減慢。浴比對果膠酶脫膠的影響表現(xiàn)在過改變緩沖液中的有機物、酶的濃度。

3　結語

從竹纖維的失重率和聚合度來看，果膠酶對竹纖維能有效地進行脫膠，經果膠酶處理后去除部分非纖維雜質，使纖維素的純度有所提高。在果膠酶處理竹纖維中，最佳處理工藝條件：pH=5.0，溫度為40℃，酶處理時間為4h，酶質量分數(shù)為4%，浴比為1∶100。但從處理后的竹纖維的聚合度數(shù)據(jù)來看，聚合度還偏低，竹纖維還偏粗，還需要進一步脫膠處理。主要原因可能是竹纖維中還含有大量的木質素等其他的非纖維素物質，影響了果膠質的去除效果。

［1］隋淑英，李汝勤.竹纖維的結構與性能研究［J］.紡織學報，2003，24（6）：535-537.

［2］龔玉英.竹炭纖維舒適功能針織產品的開發(fā)［J］.紡織科技，2011，39（2）：18-20.

［3］張蔚，李文彬，姚文斌.天然長竹纖維的分離機理及其制備方法初探［J］.北京林業(yè)大學報，2007，29（4）：58-61.

［4］吳葉青.竹資源的深加工產品-竹纖維與竹炭制品［J］.浙江林業(yè)科技，2002，22（4）：77-79.

［5］ABHIJIT DESHPANDE，RAO M BHASKAR，RAO C LAKSHMANA.Extraction of bamboo fibers and their use as reinforcement in polymeric composites［J］.Journal of Applied Polymer Science，2000，76（1）：83-92.

［6］王春紅，王瑞，于飛.竹原纖維的化學脫膠工藝［J］.紡織學報，2007，28（4）：26-29.

［7］CALBO C，TOLEDO F L.Surfactant activity of a naphthalene degrading bacillus pjmilus strain isolated from oil sludge［J］. Journal of Applied Polymer Science，2004，20（1）：255-262.

［8］周文龍.酶在紡織中的應用［M］.北京：中國紡織出版社，2002：72-73.

［9］哈麗丹·麗麗提，努爾買買提，吾滿江·艾力.黏度法測定植物纖維素的聚合度［J］.合成纖維工業(yè)，2006，29（1）：40-42.

［10］賈珊珊，宗亞寧，徐紅.竹纖維化學-酶聯(lián)合脫膠實驗研究［J］.紡織導報，2010（6）：118-120.

（責任編輯：朱聯(lián)九）

Study on Preparation of Bamboo Fiber with Chemically-Bioenzyme Degumming

ZHANG Qing-hai1，2，ZENG Fei-hu1，2，WANG Yang-tao1，2，LIN Song-bai1，2

（1.Center of Fujian Provenical Hight Education for Practical Chemical Material，Quanzhou 362000，China；2.College of Light-textile Engineering，Liming Vocational University，Quanzhou 362000，China）

Chopsticks were first treated chemically. After using bioenzyme， structure and performance of bamboo fiber was further improved. The impact factors were investigated in detail by the experiment of orthogonal design. The main factors of bioenzyme were studied， including enzyme treatment temperature， treatment time， enzyme concentration， bath ratio，pH， bamboo fiber weight loss rate and degree of polymerization. Results showed that， with the pH value of 5， temperature of 40℃， pectinase for mass fraction of 4%， bath ratio of 1∶100 （ M material/m solution）， and bamboo fiber degumming of 4 hours， the weight loss rate was 9.8% and the degree of polymerization was 460.

bamboo fiber； pectinase； unglued； weightlessness rate； polymerization degree

TSL02.2

A

1673-4343（2016）04-0084-07

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.014

2016-04-16

泉州市科技重點專項（2014Z107）；福建省自然科學基金項目（2014J01386）；福建省教育廳項目（JA12411）

張青海，男，福建晉江人，講師。主要研究方向：功能高分子材料及橡塑改性加工。