張勇兵， 董愛學(xué)， 周春曉， 袁久剛， 王 強， 范雪榮， 王 平， 崔 莉

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

黃麻纖維是一種可再生又可降解的天然纖維，有著優(yōu)良的吸放濕性和透氣性，同時，還具有抗靜電、抑菌和抗紫外線等保健功能[1， 2]。但是，黃麻纖維中木質(zhì)素含量高達16%左右，這導(dǎo)致黃麻纖維粗硬，可紡性差，長期以來，黃麻纖維主要用于加工麻袋、麻布等低檔產(chǎn)品。為了提高黃麻纖維的可紡性，增加其產(chǎn)品的附加值，必須對其進行脫膠處理。

傳統(tǒng)的化學(xué)法脫膠使用大量的化學(xué)藥品，污染嚴重，同時還存在纖維損傷等缺點。為了解決這些問題，環(huán)境友好的酶法脫膠得到了廣泛的研究和發(fā)展[3, 4]。漆酶是一種木質(zhì)素降解酶，在氧氣存在的條件下能夠氧化降解木質(zhì)素的酚型結(jié)構(gòu)單元[5]。同時，在某些具有傳遞電子能力的介體的作用下，漆酶對木質(zhì)素的非酚型結(jié)構(gòu)單元也有較好的降解效果[6]。由于漆酶的這種特性，使其用于麻類纖維的脫膠成為可能。何曉紅等人[7]分別使用漆酶、纖維素酶、木聚糖酶及果膠酶對黃麻進行脫膠處理，結(jié)果表明漆酶處理是最有效的脫膠方式。顏婷婷[8]研究了漆酶/介體用于紅麻纖維的脫膠，結(jié)果顯示，經(jīng)漆酶/介體處理6 h后，紅麻纖維木質(zhì)素含量由17.82%下降到7.63%，同時，纖維的斷裂強度、結(jié)晶度等性能也有不同程度的改善。

目前，漆酶用于黃麻纖維脫膠的研究主要集中在木質(zhì)素的脫除效果上，關(guān)于漆酶脫膠過程中，木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)變化鮮見報道。為了闡明漆酶脫除黃麻纖維木質(zhì)素的機理，我們從黃麻纖維中提取出木質(zhì)素，然后用漆酶/介體進行處理，通過GPC、元素分析、酚羥基的測定、紅外光譜以及核磁共振氫譜對漆酶/介體處理過程中黃麻纖維木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)變化進行了分析，為漆酶/介體用于黃麻纖維的脫膠提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

黃麻織物(常熟市奧村龍?zhí)┛椩煊邢薰?；漆酶(酶活5.43 U/mg，Sigma公司)；2, 2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)(Sigma公司)；二氧六環(huán)、吡啶、三氯甲烷、乙醚、乙醇、苯、濃鹽酸、冰醋酸、乙酸鈉、乙酸酐等(均為國藥集團化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品，分析純)。

UV-2802S型紫外/可見分光光度計(美國Unico公司)，Nicolet is10傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司)，Wasters 1515型高效液相色譜儀(美國Wasters公司)，元素分析儀Vario ELⅢ(德國Elementar公司)，全數(shù)字化核磁共振儀Bruker Aduance Ⅲ 400MHz(德國Bruker公司)。

1.2 黃麻纖維木質(zhì)素的提取

黃麻纖維木質(zhì)素的提取參考Evtuguin等人的方法[9， 10]，并根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備作適當修改。稱取30 g黃麻，粉碎至40目后用苯/乙醇(體積比2∶1)溶液抽提7 h，然后風(fēng)干。將風(fēng)干后的黃麻置于500 mL的圓底燒瓶中，加入350 mL含0.2 mol/L HCl的二氧六環(huán)/水溶液(體積比9∶1)，在90℃下抽提60 min。取出燒瓶冷卻至室溫，然后抽濾。將抽濾之后的殘渣再以上面的條件抽提1次，合并2次的濾液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在40℃下濃縮至60 mL左右。將濃縮后的濾液加入攪動著的800 mL的冰水中使木質(zhì)素沉淀出來，沉淀出的木質(zhì)素再用蒸餾水洗滌2次，然后冷凍干燥，得到粗制的黃麻纖維木質(zhì)素。

將上述得到的粗黃麻纖維木質(zhì)素溶于100 mL的吡啶/乙酸/水(體積比9∶1∶4)溶液中，加入120 mL CHCl3萃取，待分層后搖振，再次分層后分離其下層溶有木質(zhì)素的有機層，剩下的水層再加入70 mL CHCl3萃取，分離有機層后，合并2次萃取的有機層，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中40℃下濃縮至80 mL左右。將濃縮液加入500 mL攪動著的乙醚中使木質(zhì)素沉淀出來，沉淀出的木質(zhì)素再用乙醚洗滌至無吡啶氣味，真空干燥后得到提純的黃麻纖維木質(zhì)素。

1.3 漆酶/介體體系(LMS)處理黃麻纖維木質(zhì)素

稱取0.45 g提純后的黃麻纖維木質(zhì)素于250 mL的燒杯中，加入50 mL、pH值6的醋酸/醋酸鈉緩沖液，再加入50 U/g漆酶和0.5%(相對于木質(zhì)素)ABTS，在25℃下反應(yīng)6 h。反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)液離心，沉淀經(jīng)多次水洗離心后，冷凍干燥，得到LMS處理后的黃麻纖維木質(zhì)素。

1.4 黃麻纖維木質(zhì)素的乙?；?/h3>

參考相關(guān)文獻對黃麻纖維木質(zhì)素進行乙?；幚韀10]。分別稱取黃麻纖維木質(zhì)素對照樣(未處理樣)和LMS處理樣100 mg于2個棕色試劑瓶中，各加入10 mL吡啶/乙酸酐(體積比1∶2)混合液，蓋緊瓶蓋，置于暗處72 h，其間經(jīng)常搖動以利于反應(yīng)均勻。待反應(yīng)完成后，將瓶中溶液慢慢滴入攪動著的200 mL乙醚中，沉淀出乙?；哪举|(zhì)素，用乙醚洗滌至無吡啶氣味，真空干燥后得到乙?；狞S麻纖維木質(zhì)素。

經(jīng)乙?；幚淼狞S麻纖維木質(zhì)素，分子結(jié)構(gòu)中的羥基會轉(zhuǎn)變成為乙?；|(zhì)子數(shù)增加，以增強1H-NMR的信號強度。

1.5 黃麻纖維木質(zhì)素分子量的測定

將一定量黃麻纖維木質(zhì)素溶于N, N-二甲基甲酰胺(DMF)中，用Waters 1515型凝膠滲透色譜儀測定其分子量及分布，色譜柱為Shodex KD-802柱，檢測器為Waters 2414示差折光檢測器，柱溫35℃，流動相為DMF，流速1.5 mL/min，以聚苯乙烯為標準樣。

1.6 元素分析

黃麻纖維木質(zhì)素中C、H、N元素的含量用德國Vario ZLⅢ Elementar元素分析儀測定，O元素含量根據(jù)C、H、N元素的含量計算差值得到。

1.7 酚羥基含量的測定

采用紫外差示光譜法測定酚羥基含量[11]。取2.5 mg黃麻纖維木質(zhì)素于50 mL容量瓶中，以乙二醇單甲醚為溶劑，使其全部溶解，測定溶液在300 nm的吸光度，酚羥基含量按下式計算：

酚羥基(%)=黃麻纖維木質(zhì)素單位濃度的吸光度(L/g)×0.414(g/L)

1.8 紅外光譜分析

將2 mg黃麻纖維木質(zhì)素和200 mg KBr在干燥條件下混合均勻后研磨、壓片，在Nicolet is10傅里葉變換紅外光譜儀上進行測試。

1.9 核磁共振氫譜分析

將一定量乙?；狞S麻纖維木質(zhì)素溶于氘代氯仿(CDCl3)中，用Bruker Aduance Ⅲ 400 MHz核磁共振儀進行1H-NMR測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 漆酶/介體處理后黃麻纖維木質(zhì)素分子量的變化

圖1 黃麻纖維木質(zhì)素凝膠色譜圖Fig 1 GPC of jute fiber lignins

由表1中的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)LMS處理后，黃麻纖維木質(zhì)素的重均分子量從39105降低到31270，數(shù)均分子量從25059降低到23407，這表明黃麻纖維木質(zhì)素在LMS處理過程中發(fā)生了降解反應(yīng)。同時，黃麻纖維木質(zhì)素的多分散系數(shù)也從1.561降低到1.336，這說明經(jīng)LMS處理后，黃麻纖維木質(zhì)素中分子質(zhì)量大的部分所占比例減少，分子量分布更均一。

2.2 元素分析

表2列出了黃麻纖維木質(zhì)素對照樣和LMS處理樣的C、H、O元素含量、甲氧基含量和C9單元經(jīng)驗式，其中甲氧基的含量通過1H-NMR推算得到，C9單元經(jīng)驗式根據(jù)C、H、O元素含量及甲氧基含量計算得到[12]。

表2 黃麻纖維木質(zhì)素元素含量、甲氧基含量及C9經(jīng)驗式

由表2可知，與對照樣相比，LMS處理樣中H元素百分含量降低，而氧元素百分含量升高，這可能是黃麻纖維木質(zhì)素在LMS處理過程中，發(fā)生了氧化反應(yīng)所致。甲氧基是木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的一個重要特征，經(jīng)LMS處理后，黃麻纖維木質(zhì)素中的甲氧基含量由18.05%降低至16.83%，說明在LMS處理過程中，黃麻纖維木質(zhì)素發(fā)生了脫甲氧基反應(yīng)。

2.3 漆酶/介體處理后黃麻纖維木質(zhì)素酚羥基含量的變化

根據(jù)黃麻纖維木質(zhì)素在300 nm處的吸光度，計算出木質(zhì)素中酚羥基的含量，結(jié)果見表3。由結(jié)果可知，經(jīng)LMS處理后，黃麻纖維木質(zhì)素中酚羥基含量降低，這表明在LMS氧化降解黃麻纖維木質(zhì)素過程中，酚羥基參與了反應(yīng)。

表3 黃麻纖維木質(zhì)素酚羥基含量

2.4 黃麻纖維木質(zhì)素的紅外光譜分析

黃麻纖維木質(zhì)素對照樣、LMS處理樣的紅外光譜圖見圖2。紅外光譜用于定量分析木質(zhì)素的某些官能團時，通常采用基線法。由于1506 cm-1附近苯環(huán)骨架的伸縮振動吸收峰比較穩(wěn)定，是木質(zhì)素紅外光譜的特征吸收，通常以此峰作為基準數(shù)，其他峰的透過率與之對比，即得出該吸收峰的相對透過率。黃麻纖維木質(zhì)素經(jīng)LMS處理前后主要吸收峰及相對透過率見表4。

圖2 黃麻纖維木質(zhì)素紅外光譜圖

/cm-1LMS3443171715061423O-HC=O,C-H0.541.501.001.030.601.371.001.10

從表4中可看出，3443 cm-1處為木質(zhì)素中羥基伸縮振動吸收峰，經(jīng)LMS處理后，該吸收峰相對透過率增大，表明LMS處理后木質(zhì)素中羥基含量有所減少。1717 cm-1處的吸收峰來自木質(zhì)素中非共軛羰基伸縮振動，經(jīng)LMS處理后，其相對透過率降低，說明在LMS處理過程中，黃麻纖維木質(zhì)素發(fā)生了氧化反應(yīng)，生成了新的羰基。1423 cm-1處吸收峰是由木質(zhì)素中甲氧基C-H振動引起的，經(jīng)LMS處理后，其相對透過率增大，說明LMS處理引起了黃麻纖維木質(zhì)素中甲氧基的脫除，這與前面元素分析的結(jié)果一致。

2.5 黃麻纖維木質(zhì)素的核磁共振氫譜分析

經(jīng)乙酰化處理的黃麻纖維木質(zhì)素對照樣和LMS處理樣的1H-NMR譜圖如圖3所示。參考相關(guān)文獻[13， 14]，將譜圖進行了范圍區(qū)分，并確定了每個區(qū)域?qū)?yīng)的質(zhì)子歸屬。通過計算各區(qū)段信號積分面積與總積分面積的比例，可以得到木質(zhì)素各官能團的相對質(zhì)子百分比，再根據(jù)元素分析結(jié)果計算出每C9單元的總質(zhì)子數(shù)，從而求出各特定區(qū)段的質(zhì)子數(shù)，計算結(jié)果見表5。

圖3 黃麻纖維木質(zhì)素的1H-NMR譜圖Fig 3 1H NMR spectra of jute fiber lignins

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)推算出黃麻纖維木質(zhì)素每C9結(jié)構(gòu)單元中醇羥基、酚羥基及總羥基的個數(shù)，結(jié)果如表6所示。

表6 黃麻纖維木質(zhì)素功能基團含量

由表6可以看出，經(jīng)LMS處理后，黃麻纖維木質(zhì)素每C9單元中酚羥基個數(shù)、醇羥基個數(shù)及總羥基個數(shù)均減少。酚羥基含量減少，這與紫外光譜測定的結(jié)果一致；醇羥基含量減少，這可能是因為漆酶在介體的作用下能夠氧化木質(zhì)素中的醇羥基；總羥基含量減少，這和前面紅外光譜分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

1)黃麻纖維木質(zhì)素經(jīng)LMS處理后，其重均分子量、數(shù)均分子量以及多分散系數(shù)均降低，表明黃麻纖維木質(zhì)素經(jīng)LMS處理后發(fā)生降解反應(yīng)，分子量的分布更均一。

2)黃麻纖維木質(zhì)素經(jīng)LMS處理后，酚羥基、醇羥基以及甲氧基含量減少，羰基含量增加。甲氧基含量減少表明在LMS作用下，部分甲氧基發(fā)生了脫甲氧基反應(yīng)，而羰基含量增加可能是LMS處理使黃麻纖維木質(zhì)素發(fā)生氧化所致。

參考文獻：

[1]徐旭峰, 陳 鵬, 陳創(chuàng)鑫, 等. 微波強化堿處理黃麻快速脫膠工藝研究[J]. 上海紡織科技, 2010, 38(12):26-28, 31.

[2]付書玉, 俞建勇, 吳麗莉, 等. 黃麻纖維高溫脫膠工藝初探[J]. 紡織科技進展, 2008, 30(1):73-75.

[3]杜兆芳, 曹建飛, 方木勝. 黃麻酶脫膠工藝研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2005, 32(1):98-100.

[4]馬洪雨, 王占奎, 俞 闐, 等. 黃麻生物脫膠研究進展[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2009(11):11-14.

[5]Eggert C, Temp U, Dean J F D, et al. A fungal metabolite mediates degradation of non-phenolic lignin structures and synthetic lignin by laccase[J]. FEBS Letters, 1996, 391(1-2):144-148.

[6]Bourbonnais R, Paice M G. Demethylation and delignification of kraft pulp byTrametesversicolorlaccase in the presence of 2, 2′-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate)[J]. Applied Microbiology Biotechnology, 1992, 36(6):823-827.

[7]何曉紅, 俞建勇, 劉麗芳. 不同生物酶處理對黃麻纖維的影響[J]. 紡織科技進展, 2008, 30(6):73-75.

[8]顏婷婷. 黃、紅麻纖維的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)及其脫膠研究[D]. 上海:東華大學(xué), 2011.

[9]Evtuguin D V, Neto C P, Silva A M S, et al. Comprehensive study on the chemical structure of dioxane lignin from plantation eucalyptus globulus wood[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2001, 49(9):4252-4261.

[10]高 慧, 詹懷宇, 付時雨, 等. 馬尾松正常木與應(yīng)壓木木素結(jié)構(gòu)的比較[J]. 林業(yè)科學(xué), 2010, 46(5):141-146.

[11]徐清華, 秦夢華, 傅英娟, 等. 舊報紙漆酶/介體脫墨過程中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的研究[J]. 中國造紙學(xué)報, 2006, 21(2):26-30.

[12]李友明, 陳中豪. 木素苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元經(jīng)典式的表達與計算[J]. 中國造紙學(xué)報, 1999, 14(1):98-100.

[13]Sarwar J M, Mun S P. Isolation and characterization of lignin from tropical and temperate hardwood[J]. Bangladesh Journal of Scientific and Industrial Research, 2009, 44(3):271-280.

[14]Yan T T, Xu Y Q, Yu C W. The isolation and characterization of lignin of kenaf fiber[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 114(3):1896-1901.