香蕉假莖化學(xué)成分含量分析及生物酶脫膠工藝探討與實踐

梁 冬，吳舒紅，張培珊，沈思婷

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041）

我國南方是香蕉的主要產(chǎn)地，香蕉假莖莖皮中纖維較長，可用于紡織或紙張加工，但可惜的是，每年有約3×106t 的香蕉假莖作為廢棄物被浪費[1]。香蕉假莖莖皮化學(xué)組成定量分析是纖維提取的基礎(chǔ),可以確定其最適合用于紡織纖維加工的部位[2]。莖皮中纖維素含量的高低直接影響其在紡織領(lǐng)域的開發(fā)利用價值，纖維素含量高可減少纖維提取中化學(xué)品的使用，降低成本及減少環(huán)境污染，且得到各項性能指標優(yōu)良的香蕉假莖纖維，還對脫膠工藝起指導(dǎo)的作用[3]。香蕉假莖莖皮纖維的脫膠方法主要有機械法、傳統(tǒng)浸漬法和化學(xué)法：機械法制取的纖維含雜量高，對纖維的損傷大；傳統(tǒng)浸漬法時間長，纖維質(zhì)量不穩(wěn)定；化學(xué)法需用到大量的化學(xué)試劑，不利于環(huán)境生態(tài)保護。經(jīng)實驗證明，生物酶脫膠法既能較好地去除膠體，不損傷纖維，使纖維保持良好的物理機械性能，又不會對環(huán)境造成污染[4-5]。

1 實驗部分

1.1 原料

初晾香蕉假莖（產(chǎn)地為廣東省高州市泗水鎮(zhèn)）。

1.2 實驗儀器與試劑藥品

儀器：BSA224S 型電子天平[賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司]；索氏提取器（250mL 球型）；圓底燒瓶（500mL）；球型冷凝管（250mL）；抽濾瓶（1000mL）；N03-3 型玻璃砂芯濾器（天長市東晟實驗設(shè)備有限公司）。

試劑藥品：果膠酶（KDN-T01F，上海康地恩生物有限公司）；氫氧化鈉（化學(xué)純）、硫酸（化學(xué)純）、草酸銨（化學(xué)純）、苯（化學(xué)純）、無水乙醇（化學(xué)純）、氯化鋇（化學(xué)純，廣州市海珠化學(xué)試劑有限公司）。

1.3 香蕉假莖化學(xué)成分的定量分析方法

參照GB5889-86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，對香蕉假莖化學(xué)成分進行定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 香蕉假莖成分分析

2.1.1 香蕉假莖含水率的測定

初晾后的香蕉假莖外層、中間層、里層莖皮分別剪成小塊，混合均勻，用電子分析天平稱取5g 試樣，放入105～110℃的電熱干燥箱中，烘至恒重，冷卻后稱重。

含水率計算如式（1）所示。

式中：m——試樣的含水率，%；

G——試樣濕重，g；

G0——試樣干重，g。

初晾香蕉假莖含水率見表1，由表1 可知，在相同條件下，香蕉假莖里層莖皮的含水率比外層的高，表明越往假莖中心的莖皮，其水份含量越高，可利用率越低。

表1 初晾香蕉假莖含水率

2.1.2 脂蠟質(zhì)含量

含水率測定后的試樣放入索氏提取器內(nèi)，比溢流口低約8～12mm。在圓底燒瓶內(nèi)加入苯與乙醇混合溶液150mL（體積比2∶1）[6]，加熱恒溫，控制在4～6 次/h 的回流速度。從有液滴在出液管口滴落開始計時，共3h。取出試樣，在通風(fēng)櫥風(fēng)干，再在102～108℃的烘箱中烘至恒重[7]。冷卻后稱量。按下式（2）計算∶

式中∶W1——脂蠟質(zhì)的含量，%；

G0——測定脂蠟質(zhì)前的干重,g；

G1——測定脂蠟質(zhì)后的干重，g。

由表2 可知，香蕉假莖里層莖皮的脂蠟質(zhì)含量比外層的低。

表2 香蕉假莖脂蠟質(zhì)含量

2.1.3 水溶物含量

脂蠟質(zhì)提取后,試樣放入裝有200mL 去離子水的圓底燒瓶中，裝上球型冷凝管，煮沸1.5h 后,更換離子水，再煮沸2.5h，將試樣取出洗滌干凈。干燥至恒重，冷卻后稱量。按下式（3）計算：

式中∶W2——水溶物的含量，%；

G1——測定脂蠟質(zhì)后的干重，g；

G2——測定水溶物后的干重，g；

G0——測定脂蠟質(zhì)前的干重,g。

由表3 香蕉假莖水溶物含量可知，香蕉假莖里層莖皮的水溶物含量比外層的高。

表3 香蕉假莖水溶物含量

2.1.4 果膠物質(zhì)含量

經(jīng)水溶物測定后的試樣放入裝有200mL、質(zhì)量濃度為6g/L 的（NH4)2C2O4溶液的圓底燒瓶中，裝上球型冷凝管，煮沸3.5h。將試樣取出洗滌干凈，干燥至恒重，冷卻后稱量。按下式（4）計算：

式中∶W3——果膠物質(zhì)的含量，%；

G2——測定水溶物后的干重，g；

G3——測定果膠物質(zhì)后的干重，g；

G0——測定脂蠟質(zhì)前的干重,g。

由表4 可知，香蕉假莖里層莖皮的果膠物質(zhì)含量比外層的高。

表4 香蕉假莖果膠物質(zhì)含量

2.1.5 半纖維素含量

將測定果膠后的試樣，放進加有200mL 質(zhì)量濃度為20g/L 的NaOH 溶液的圓底燒瓶中，用球型冷凝管回流，煮沸3.5h，取出洗滌干凈，烘至恒重，冷卻后稱量。按下式（5）計算∶

式中∶W4——半纖維素的含量，%；

G3——測定果膠物質(zhì)后的干重，g；

G4——測定半纖維素后的于重，g；

G0——測定脂蠟質(zhì)前的干重，g。

由表5 中的香蕉假莖半纖維素含量可知，香蕉假莖里層莖皮的半纖維素含量比外層的高。

表5 香蕉假莖半纖維素含量

2.1.6 木質(zhì)素含量

稱取經(jīng)脫脂蠟質(zhì)風(fēng)干后試樣1g，放入帶塞三角燒瓶內(nèi)，烘干至恒重，冷卻后稱量。在三角燒瓶中緩慢加入30mL 質(zhì)量濃度為72%的H2SO4溶液，在10～15℃條件下靜置24h，轉(zhuǎn)移至圓底燒瓶內(nèi)，用去離子水稀釋至300mL，用球型冷凝管回流，煮沸1h。冷卻后用玻璃砂芯過濾器多次抽濾、洗滌，至濾液中不含SO42-。將玻璃砂芯濾器干燥至恒重，冷卻后稱量。

按式（6）計算∶

式中∶W5——樣品中木質(zhì)素含量，%；

G′′——木質(zhì)素與玻璃砂芯濾器總干重，g；

G′——玻璃砂芯濾器干重，g；

G0′′——試樣與帶塞三角燒瓶總干重，g；

G0′——帶塞三角燒瓶干重，g。

由表6 的香蕉假莖木質(zhì)素含量可知，香蕉假莖里層莖皮的木質(zhì)素含量比外層的低。

表6 香蕉假莖木質(zhì)素含量

2.1.7 纖維素含量

根據(jù)上面各化學(xué)組成含量的測定值，按式（7）計算∶

式中∶W6——香蕉莖纖維素含量，%；

W1——試樣的脂蠟質(zhì)含量，%；

W2——試樣的水溶物含量，%；

W3——試樣的果膠物質(zhì)含量，%；

W4——試樣的半纖維素含量，%；

W5——試樣的木質(zhì)素含量，%。

由表7 的香蕉假莖纖維素含量可知，香蕉假莖外層的纖維素含量最高，有利于加工成紡織纖維,可利用率高。

表7 香蕉假莖纖維素含量

2.1.8 灰分含量

在白瓷坩堝中放入2g 的試樣，烘至恒重，冷卻后稱量。含試樣的白瓷坩堝放進575℃的高溫電爐中灼燒。當灰燼為白色或淺灰色時停止灼燒。爐溫下降至250℃以下時取出，在隔熱墊上冷卻3～5min 后放入干燥器，冷卻后稱量。按式（8）計算∶

式中∶Wh——灰分含量，%；

G0′——白瓷坩堝干重，g；

G′——試樣與白瓷坩堝總干重，g；

G′′——試樣灰份與白瓷坩堝總干重，g。

由表8 的香蕉假莖灰份含量可知，香蕉假莖里層莖皮的灰份含量比外層的低。

表8 香蕉假莖灰份含量

實驗數(shù)據(jù)表明，香蕉假莖莖皮中外層的纖維素含量高，達到70%左右，中層纖維素含量為60%左右，可提取纖維作為紡織原料。而里層的纖維素含量僅為48%，其他非纖維物質(zhì)含量較高（又稱為“膠質(zhì)”，含半纖維素、木質(zhì)素、果膠質(zhì)、脂肪蠟質(zhì)等），可利用率低。由于膠質(zhì)與纖維伴生在一起，需將纖維與膠質(zhì)剝離，稱為脫膠。

2.2 生物酶脫膠工藝

2.2.1 預(yù)處理

香蕉假莖外層莖皮經(jīng)預(yù)處理，處理工藝為∶3g/L 硫酸溶液、2h、50℃、浴比1∶20。

2.2.2 單因子分析

2.2.2.1 脫膠酶質(zhì)量濃度對脫膠效果的影響

生物脫膠酶在不同質(zhì)量濃度條件下對香蕉莖外層莖皮進行處理。

工藝條件∶浴比1∶30，pH=9，時間10h,溫度50℃。測定處理后香蕉莖的殘膠率[8]。

從表9 的不同濃度生物脫膠酶處理后香蕉假莖外層莖皮的殘膠率可知，隨著生物脫膠酶濃度的增加，殘膠率下降，當濃度達到15g/L 后，殘膠率不再下降。

表9 不同濃度生物脫膠酶處理后香蕉假莖外層莖皮的殘膠率

2.2.2.2 脫膠時間對脫膠效果的影響

脫膠時間不同條件下對香蕉莖外層莖皮進行處理,工藝條件∶脫膠酶濃度15g/L，浴比1∶30，pH=9,溫度50℃。測定處理后香蕉莖的殘膠率[8]。

表10 不同脫膠時間處理后香蕉假莖外層莖皮的殘膠率

從表10 的不同脫膠時間處理后香蕉假莖外層莖皮的殘膠率可知，隨著脫膠時間的增加，殘膠率下降，當10h 后，殘膠率不再明顯下降。

2.2.2.3 脫膠溶液溫度對脫膠效果的影響

脫膠溶液溫度不同條件下,工藝條件∶脫膠酶溶液質(zhì)量濃度15g/L，浴比1∶30，pH=9,時間10h，測定處理后香蕉莖的殘膠率[8]。

從表11 的不同脫膠溫度處理后香蕉假莖外層莖皮的殘膠率可知，隨著生物脫膠酶溶液溫度的增加，殘膠率下降，當溫度達到50℃后，殘膠率不再明顯下降。

表11 不同脫膠溫度處理后香蕉假莖外層莖皮的殘膠率

2.2.2.4 溶液pH 值對脫膠效果的影響

將試樣放到不同pH 溶液中進行脫膠，工藝條件∶脫膠酶溶液質(zhì)量濃度15g/L，浴比1∶30，時間10h，溫度50℃[8]。

從表12 的不同pH 脫膠酶溶液處理后香蕉假莖外層莖皮的殘膠率可知，隨著生物脫膠酶溶液pH 的增加，殘膠率下降，當pH=9 后，殘膠率不再明顯下降。

表12 不同pH 脫膠酶溶液處理后香蕉假莖外層莖皮的殘膠率

3 結(jié)語

香蕉假莖莖皮中由外到里膠質(zhì)含量（木質(zhì)素、半纖維素、果膠物質(zhì)、脂蠟質(zhì)、水溶物）增高，纖維素降低；香蕉假莖中、外層莖皮纖維素含量達61%～71%，有開發(fā)利用價值，可用于提取紡織纖維；生物酶脫膠最佳工藝為：脫膠酶溶液濃度15g/L，時間10h，溫度50℃，pH=9。綜上所述，香蕉莖皮中的化學(xué)組成與麻相近，中、外層莖皮的纖維素含量高，采用生物酶脫膠的方法可制得殘膠率低的天然植物纖維。香蕉假莖莖皮纖維的制取，既可使廢棄農(nóng)產(chǎn)品得以有效利用，又拓展了天然紡織原料的來源。