構(gòu)樹(shù)纖維生物酶脫膠過(guò)程及影響因素研究

包振華

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430074）

構(gòu)樹(shù)為?？茦?gòu)樹(shù)屬落葉喬木，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(gòu)樹(shù)皮的韌皮部含有大量的優(yōu)質(zhì)纖維，纖維素、半纖維含量高[2]。構(gòu)樹(shù)纖維只溶于濃度較高的強(qiáng)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(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性好[3]。

構(gòu)樹(shù)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(zhì)對(duì)其用做紡織、造紙等行業(yè)非常重要。

本文從觀測(cè)研究構(gòu)樹(shù)纖維的微觀形態(tài)及化學(xué)組成出發(fā)，通過(guò)分析構(gòu)樹(shù)纖維的排列結(jié)構(gòu)和果膠酶的含量，制備出能對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維有效脫膠的生物酶，研究利用該生物酶對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維進(jìn)行脫膠及其相應(yīng)的工藝路線，并分析影響脫膠效果的相關(guān)因素。

1 構(gòu)樹(shù)纖維的微觀形態(tài)和化學(xué)組成

研究構(gòu)樹(shù)纖維微觀形態(tài)和化學(xué)組成的目的主要有兩點(diǎn)：一是通過(guò)觀測(cè)構(gòu)樹(shù)纖維的長(zhǎng)度和其截面形態(tài)，計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比，看其是否滿足作為紡織纖維的要求；二是通過(guò)分析構(gòu)樹(shù)纖維化學(xué)組成中的果膠質(zhì)含量大小，以此為依據(jù)研究制備生物酶脫膠，并探討相應(yīng)的技術(shù)工藝。

1.1 構(gòu)樹(shù)纖維的微觀形態(tài)

纖維是一種細(xì)而長(zhǎng)的物質(zhì)，其直徑從幾微米到幾十微米，長(zhǎng)度則從幾毫米到幾十毫米甚至上千米，長(zhǎng)細(xì)比很大。一般地，作為紡織纖維，纖維直徑≤100μm，長(zhǎng)度在幾毫米到幾十毫米甚至更長(zhǎng)，長(zhǎng)度/直徑＞500。

構(gòu)樹(shù)纖維的長(zhǎng)度一般在4～20 mm，少量纖維的長(zhǎng)度大于20 mm或小于4 mm，平均長(zhǎng)度約在12 mm。構(gòu)樹(shù)纖維平均細(xì)度約為0.208 tex，平均強(qiáng)度約為11.515 cN，平均伸長(zhǎng)約為6%[3-4]。構(gòu)樹(shù)纖維的這種形態(tài)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的物理性能指標(biāo)適合于作為紡織纖維。

構(gòu)樹(shù)纖維作為紡織原料，纖維直徑和長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)能滿足要求。在電子顯微鏡下觀察，構(gòu)樹(shù)纖維無(wú)明顯的轉(zhuǎn)曲，表面較為平滑，局部附有少量微細(xì)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(nèi)腔空隙較大，兩端封閉，兩頭細(xì)，中部粗細(xì)較為均勻（圖1、2）。構(gòu)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(gòu)樹(shù)纖維縱截面

圖2 構(gòu)樹(shù)纖維內(nèi)腔及瘤

圖3 構(gòu)樹(shù)皮的纖維排列分布

選取10根左右形態(tài)較完整的、具有一定代表性的構(gòu)樹(shù)纖維，選取20測(cè)量點(diǎn)，從構(gòu)樹(shù)纖維長(zhǎng)度的1/3、1/2、2/3等處測(cè)量其直徑（圖4、5、6）。如表1所示，平均直徑約為17.42 μm。

構(gòu)樹(shù)纖維直徑按20μm計(jì)算，纖維長(zhǎng)度按10～20 mm計(jì)算，則構(gòu)樹(shù)纖維長(zhǎng)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(gòu)樹(shù)纖維的化學(xué)組成

研究構(gòu)樹(shù)纖維的化學(xué)組成，主要是看構(gòu)樹(shù)纖維中果膠質(zhì)含量大小對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維生物酶脫膠的影響。

與其他韌皮纖維一樣，構(gòu)樹(shù)纖維的主要化學(xué)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(gòu)樹(shù)纖維的化學(xué)比較成分齊全，溶液抽出物的整體比例高，果膠質(zhì)含量也較高。幾種韌皮纖維原料的化學(xué)組成比較如表2所示。

表1 構(gòu)樹(shù)纖維的直徑測(cè)量值（單位：μm）

同是構(gòu)樹(shù)纖維，但不同產(chǎn)地的構(gòu)樹(shù)皮原料的化學(xué)組成略有不同，而且構(gòu)樹(shù)全皮與白構(gòu)皮的化學(xué)組成也有一定的差異[6]，如表3所示。

從上述兩表的構(gòu)樹(shù)纖維化學(xué)組成中可以看出，構(gòu)樹(shù)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(diǎn)對(duì)研究構(gòu)樹(shù)纖維生物酶脫膠非常重要。

2 構(gòu)樹(shù)纖維生物酶脫膠技術(shù)研究

生物酶是從生物體中產(chǎn)生的，它具有特殊的催化功能。利用生物酶對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維進(jìn)行脫膠不同于傳統(tǒng)的化學(xué)方法脫膠，這是由于生物酶具有高效性、專(zhuān)一性、低反應(yīng)條件以及易變性失活等特點(diǎn)。為使生物酶能對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維進(jìn)行脫膠，首先是制備能對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維進(jìn)行脫膠的生物酶。

2.1 生物酶制備

為研究能對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維進(jìn)行脫膠的生物酶，先查找生物酶生產(chǎn)技術(shù)資料，再進(jìn)行酶菌種篩選。從相關(guān)植物中提取酶菌種，用碎玉米粒等做培養(yǎng)基，自然狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)10天左右培育，得到固體顆粒狀生物酶初級(jí)產(chǎn)品（圖7）。再對(duì)固體狀的初級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行細(xì)胞壁破碎處理，用鹽析法進(jìn)行簡(jiǎn)單的分離純化[7]，得到液體生物酶次級(jí)產(chǎn)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(gòu)樹(shù)纖維生物酶脫膠基本過(guò)程

一般地，構(gòu)樹(shù)皮纖維的纖維直徑在18～20 μm，以構(gòu)樹(shù)白皮厚度1 mm，單纖維直徑18 μm來(lái)計(jì)算，在1 mm厚的構(gòu)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(xué)組成

表3 構(gòu)樹(shù)皮全皮和白構(gòu)皮的化學(xué)組成

圖7 固態(tài)生物酶圖

圖8 液態(tài)生物酶圖

圖9 構(gòu)樹(shù)纖維置于生物酶溶液

通過(guò)顯微觀察和分析相關(guān)技術(shù)參數(shù)可以看出，影響構(gòu)樹(shù)纖維脫膠質(zhì)量的主要因素：（1）構(gòu)樹(shù)皮中纖維排列過(guò)于緊密，脫膠溶液難以快速有效地滲透其中；（2）構(gòu)樹(shù)皮中果膠質(zhì)較高，且成網(wǎng)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(duì)構(gòu)樹(shù)纖維進(jìn)行脫膠，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，總體上看脫膠效果良好。

2.2.1 構(gòu)樹(shù)皮吸水溶脹

為使生物酶脫膠具有普適性，采用常溫條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。常溫下，取刮青后的構(gòu)樹(shù)白皮若干，置于容器中，加一定量的自來(lái)水，讓構(gòu)樹(shù)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(jīng)過(guò)刮青后的構(gòu)樹(shù)皮都會(huì)存放一段時(shí)間。在含酶溶液中，最初是水從構(gòu)樹(shù)皮的表層向里層逐漸溶脹，這就需要的一段時(shí)間。水溫在26 ℃時(shí)，溶脹時(shí)間為10～12 h；28℃時(shí)，溶脹時(shí)間為8～10 h；30 ℃時(shí)，溶脹時(shí)間在6～8 h；32 ℃時(shí)，時(shí)間可縮短在6 h左右。

2.2.2 生物酶對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維表層脫膠

構(gòu)樹(shù)皮經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的吸水后逐漸開(kāi)始溶脹。構(gòu)樹(shù)皮在溶脹的同時(shí)，生物酶也在不同程度地進(jìn)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(jìn)行脫膠作用，水溶液中開(kāi)始出現(xiàn)白色漂浮物，脫膠效果比較明顯（圖10-1）。這說(shuō)明生物酶已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行脫膠了。

2.2.3 生物酶對(duì)里層纖維進(jìn)行脫膠

當(dāng)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(lái)越多，說(shuō)明脫膠進(jìn)程越來(lái)越快（圖10-2）。當(dāng)構(gòu)樹(shù)皮呈完全溶脹狀態(tài)時(shí)，生物酶的脫膠作用越來(lái)越明顯，纖維間分離速度更快。在自然條件下，水溫在26 ℃時(shí)，脫膠時(shí)間為3～4 d；28 ℃時(shí)，脫膠時(shí)間2～3 d；30 ℃時(shí)，脫膠時(shí)間在2～2.5 d；32 ℃時(shí)，脫膠時(shí)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(xué)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(gòu)樹(shù)皮中纖維排列非常緊密，水溶液不容易滲透其中。為使構(gòu)樹(shù)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(gòu)樹(shù)纖維生物酶脫膠過(guò)程

2.3.1 一次脫膠

為使脫膠效果良好，在脫膠過(guò)程中需要不斷翻動(dòng)構(gòu)樹(shù)皮，讓其盡可能均勻吸濕膨脹。采取一次脫膠的最大缺點(diǎn)就是脫膠時(shí)間較長(zhǎng)。

2.3.2 二次脫膠

采用二次脫膠可適當(dāng)縮短脫膠時(shí)間。當(dāng)纖維溶脹到一定程度、外層脫膠基本完成后，取出構(gòu)皮，并對(duì)構(gòu)皮進(jìn)行一定力度的打擊，讓構(gòu)皮裂開(kāi)，再放入容器中進(jìn)行脫膠。這樣既加快了構(gòu)樹(shù)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(gòu)樹(shù)纖維中都會(huì)殘留有少量的果膠質(zhì)。為保證脫膠后纖維干燥時(shí)不再粘結(jié)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(jìn)行一定的后處理工序。

2.4.1 打纖

當(dāng)纖維脫膠過(guò)程基本完成后，需要對(duì)纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇反?，以擠出附著在纖維周?chē)臍埩艄z。打纖過(guò)程是在構(gòu)樹(shù)纖維濕態(tài)條件下進(jìn)行的。利用機(jī)械方法對(duì)剛脫完膠的構(gòu)樹(shù)皮進(jìn)行反復(fù)打擊，直到纖維呈單纖維或工藝?yán)w維狀。

2.4.2 乳化

經(jīng)過(guò)一定的打擊后，極少量的殘余果膠還會(huì)附著在纖維間，一旦纖維干燥后，這些殘余果膠還會(huì)將纖維黏連。為此，將經(jīng)過(guò)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(huì)再將纖維黏連。

2.4.3 干燥

對(duì)構(gòu)樹(shù)纖維進(jìn)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(tài)構(gòu)樹(shù)纖維進(jìn)行烘干處理，即可得到離散的構(gòu)樹(shù)單纖維或工藝?yán)w維。

3 影響構(gòu)樹(shù)纖維生物酶脫膠效果的因素

除了構(gòu)樹(shù)纖維的排列結(jié)構(gòu)和果膠質(zhì)含量外，影響構(gòu)樹(shù)纖維生物酶脫膠效果的因素還有纖維原料；生物酶；環(huán)境條件以及后處理工藝因素等。這里僅分析幾個(gè)具有代表性的影響因素。

3.1 構(gòu)樹(shù)種類(lèi)

構(gòu)樹(shù)纖維的產(chǎn)地不同、種類(lèi)不同，構(gòu)皮纖維中的纖維素及半纖維素含量、果膠質(zhì)含量等隨構(gòu)樹(shù)種類(lèi)的不同而存在一定的差異，這對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布。溫度過(guò)低，生物酶活性會(huì)被抑制；隨著溫度升高，生物酶的活性會(huì)逐漸恢復(fù)；但溫度過(guò)高，酶活會(huì)被破壞，溫度再次降低也不會(huì)恢復(fù)。

3.3 水溶液的pH值環(huán)境

植物纖維中使用的生物酶中大多數(shù)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(duì)構(gòu)樹(shù)纖維生物脫膠很重要。不同的pH值環(huán)境對(duì)生物酶活性也有影響。

3.4 生物酶濃度

在一定范圍內(nèi)，生物酶濃度增加，可加快脫膠速度。繼續(xù)增加生物酶濃度達(dá)到一定數(shù)值后，脫膠速度將不再增加，而呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。生物酶濃度不僅影響脫膠效果，也影響脫膠時(shí)間和脫膠成本，適當(dāng)?shù)纳锩笣舛燃冉?jīng)濟(jì)又適用。

3.5 打纖質(zhì)量

韌皮纖維經(jīng)過(guò)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(fā)生黏連。為此，需要對(duì)纖維進(jìn)行一定強(qiáng)度的打擊。但強(qiáng)度過(guò)大會(huì)破壞纖維結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度過(guò)小又起不到打擊效果，這就需要適當(dāng)掌握打擊力度。

4 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)樹(shù)纖維具有很多優(yōu)點(diǎn)，可作為造紙和紡織方面的優(yōu)質(zhì)原料。由于構(gòu)樹(shù)纖維果膠質(zhì)含量相對(duì)較高，對(duì)其有效脫膠尚存在一定的難度。為保護(hù)水資源及大氣環(huán)境，構(gòu)樹(shù)纖維脫膠不宜采用化學(xué)脫膠或類(lèi)似的化學(xué)脫膠法進(jìn)行脫膠，利用生物酶技術(shù)開(kāi)發(fā)構(gòu)樹(shù)纖維非常有必要。

研究生物酶脫膠機(jī)理，探索生物酶脫膠技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保型構(gòu)樹(shù)纖維工業(yè)化生產(chǎn)，可為造紙和紡織工業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的原料資源。

開(kāi)發(fā)能用于構(gòu)樹(shù)纖維脫膠的生物酶，大力開(kāi)發(fā)構(gòu)樹(shù)纖維，不僅有助于林業(yè)資源的綜合開(kāi)發(fā)利用，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水土保持也具有非常重要的意義。