生物酶預處理對稻秸稈脫膠的影響

張 蓓,李培光,孫衛國

(西安工程大學 紡織與材料學院,陜西 西安 710048)

在紡織工業急需尋找新的突破口的背景下,生物酶處理技術得到越來越多的重視,已經由過去主要用于棉織物退漿逐漸向纖維改性、脫膠、精練、凈洗后整理等應用領域轉移[1].文獻[2-4]分別將生物酶應用于棉稈皮、桑皮及稻秸桿的脫膠處理中，均取得一定的成效，且在降低纖維殘膠率的同時有效提高了纖維的細度和柔軟性.

稻秸稈和麻類等韌皮類纖維原材料具有相同的成分,都是由纖維素、半纖維素、果膠、木質素、脂質蠟及灰分等組成,對稻秸稈進行脫膠處理,目的就是去除非纖維素成分[5].目前,已有化學脫膠、生物酶-化學聯合脫膠的方法對稻秸稈進行脫膠[4-6].但化學脫膠耗水多,耗堿多,污染嚴重.生物酶預處理使用單一生物酶,只能去除特定物質.本文將復配生物酶應用于稻秸稈脫膠的預處理工藝中,降低化學脫膠所產生的污染,提高脫膠率,且復配生物酶對纖維作用溫和,為研究高效、環保的脫膠方法提供參考.

1 實 驗

1.1 儀器與材料

(1) 儀器 HH-S4型電熱恒溫水浴鍋、HX203T型電子天平、Y802A型八籃恒溫烘箱.

(2) 藥品 半纖維素酶、木質素酶、濃硫酸(分析純)、表面活性劑SP-2.

(3) 原料 稻秸稈(產于西安戶縣).

1.2 生物酶脫膠工藝

(1) 工藝流程 試樣準備 → 機械處理→浸酸→水洗→生物酶處理→熱水失活→水洗(50℃)→打纖→酸洗→水洗→脫水→烘干.

(2) 工藝參數 浸酸:濃H2SO4體積分數2mL/L,浴比1∶30;溫度:50℃;處理時間:1.5h;酸洗:濃H2SO4體積分數2mL/L,浴比1∶50;溫度:常溫;處理時間:4min;水洗:浴比1∶50；溫度:常溫;表面活性劑SP-2為2mL/L；生物酶處理浴比均為1∶30,溶液pH值為4.8;熱水失活:升溫至90℃,時間15min.

1.3 殘膠率的測試

殘膠率的測試參照GB5889—86《苧麻化學成分定量分析方法》中苧麻殘膠率的測試方法,根據公式(1)計算,測量3次取平均值.

Wc=(G0-G1)/G0×100%

(1)

式中Wc為試樣的殘膠率,%;G0為處理前試樣干重,g;G1為處理后試樣干重,g.

2 結果與分析

2.1 半纖維素酶、木質素酶脫膠的單因素實驗結果

(1) 選擇酶濃度(o.w.f)為變量,在時間8h,溫度50℃,pH值4.8的條件下按生物酶處理工藝(以下酶處理工藝相同)對稻秸稈進行前處理,處理后稻秸稈纖維殘膠率如圖1(a),圖2(a)所示.由圖可知,隨著半纖維素酶濃度的增加殘膠率呈下降趨勢,且在酶濃度(o.w.f)為12%時曲線趨于平緩,確定兩種酶脫膠濃度優水平范圍均為6%,8%,10%,12%.

(2) 以時間為變量,在酶濃度8%(o.w.f),溫度50℃,pH值4.8的條件下處理稻秸稈，處理后稻秸稈纖維殘膠率如圖1(b),圖2(b)所示.由圖可知,纖維的殘膠率隨著處理時間的增加逐漸減小,并在12h的時候逐漸趨于平緩,即酶脫膠時間優水平范圍為6h，8h，10h，12h.

(3) 以溫度為變量,在酶濃度8%(o.w.f),時間8h,pH值4.8的條件下處理稻秸稈.處理后稻秸稈纖維殘膠率如圖1(c),圖2(c)所示.由圖可知,隨著溫度的升高，殘膠率呈現先減少后增加的趨勢,在55℃附近出現殘膠率最低點,因此酶脫膠溫度優水平范圍為45℃，50℃，55℃，60℃.

(4) 以pH為變量,在酶濃度8%(o.w.f),時間8h,溫度50℃的條件下處理稻秸稈.處理后稻秸稈纖維殘膠率圖1(d),圖2(d)所示.由圖可知,隨著pH值的增大殘膠率也呈現先減小后增大的趨勢,pH值優水平范圍為4.0,4.5,5.0,5.5.

(a) 濃度的影響 (b) 處理時間的影響

(c) 處理溫度的影響 (d) pH值的影響圖1 半纖維素酶處理時各因素對殘膠率的影響

(a) 濃度的影響 (b) 處理時間的影響

(c) 處理溫度的影響 (d) pH值的影響圖2 木質素酶處理時各因素對殘膠率的影響

2.2 半纖維素酶、木質素酶復配比實驗結果

綜合考慮2種酶脫膠后的殘膠率和稻秸稈中半纖維素和木質素的含量、生物酶脫膠的專一性等,以半纖維素酶為主做復配,不同復配比下稻秸稈纖維的殘膠率如表1所示.

表1 不同復配比下稻秸稈纖維的殘膠率

表2 復配生物酶正交試驗表及結果

由表1知,隨著半纖維素酶和木質素酶復配比的增加,稻秸稈纖維的殘膠率有明顯降低,并在復配比為14%∶7%附近變化較小.綜合考慮確定兩種酶的復配比優水平范圍為8%∶4%,10%∶5%,12%∶6%,14%∶7%.

2.3 復配生物酶脫膠正交試驗結果

選用以L16(45)正交表為實驗方案,以確定半纖維素酶與木質素酶的復配比、處理時間、溫度及pH值等因素對復配酶脫膠效果的影響.復配酶脫膠正交試驗結果及分析如表2,3所示.

通過直觀分析(如表3),極差A>B>C>D,也就是復配生物酶對殘膠率的影響因素復配比>處理時間>溫度>pH值.

對復配酶脫膠工藝來說,殘膠率越低越好,由以上分析確定優化工藝為A3B3C2D3,即,半纖維素酶∶木質素酶為12%∶6%,處理時間12h,溫度50℃,pH值5.0.

表3 復配生物酶脫膠正交試驗直觀分析結果

經過稻秸稈復配生物酶脫膠后,殘膠率為20.63%,纖維大多粘連在一起,不能作為工藝纖維在紡織上進行應用,這是因為酶的活性較低,不能很徹底地脫去膠質,殘留的膠質需要化學脫膠進一步去除,以期得到性能良好的纖維.

3 結 論

(1) 通過正交試驗,以殘膠率為評價指標確定了最優復配生物酶的優化脫膠工藝:半纖維素酶∶木質素酶為12%(o.w.f)∶6%(o.w.f),時間12h,溫度50℃,pH值5.0;

(2) 稻秸稈復配生物酶脫膠后,殘膠率為20.63%,纖維大多粘連在一起,不能作為工藝纖維在紡織上進行應用,殘留的膠質需要化學脫膠進一步去除.

參考文獻：

[1] 范學彬,王黎明,沈勇,等.生物酶在竹纖維中的應用研究[J].上海工程技術大學學報,2013，27(1):91-96.

[2] 季延,李龍.棉桿皮生化脫膠工藝研究[J].西安工程大學學報,2009,23(6):16-18.

[3] 金鵬輝,封勤華,蔣耀興.生物酶脫膠工藝在制備桑皮纖維中的應用[J].紡織學報,2011，32(1):55-58.

[4] 花兆輝,楊丹,孫衛國.生物酶前處理在稻秸稈纖維提取中的應用[J].化纖與紡織技術,2011，40(3):9-12.

[5] 劉冰,孫衛國.稻秸稈纖維短流程脫膠工藝[J].毛紡科技,2011，39(3):60-63.

[6] 程士潤,黃晨,張璐.堿煮法提取稻秸稈纖維的工藝及性能探討[J].產業用紡織品,2010(7):16-19.