張青海，曾飛虎，汪揚(yáng)濤，林松柏

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

化學(xué)-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(yáng)濤1,2，林松柏1,2

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

采用化學(xué)-生物酶聯(lián)合處理一次性竹筷制備竹纖維，經(jīng)化學(xué)處理過的一次性竹筷，再采用生物酶處理進(jìn)行脫膠實(shí)驗(yàn)，有效地將竹纖維進(jìn)一步細(xì)化，優(yōu)化纖維結(jié)構(gòu)，提高竹纖維性能。通過正交設(shè)計(jì)對影響酶脫膠的主要因素如酶處理溫度、處理時間、酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浴比及pH進(jìn)行試驗(yàn)，以竹纖維的失重率和聚合度為考察指標(biāo)，結(jié)果表明在pH值為5.0、溫度為40℃、果膠酶質(zhì)量分?jǐn)?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(dá)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(qiáng)的耐磨性、負(fù)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(yīng)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(fèi)。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(jī)械法［6］，化學(xué)脫膠法［7］，生物酶脫膠［8］和微生物脫膠［9］等方法。物理機(jī)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(xué)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(qiáng)，作用條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。本研究利用化學(xué)方法對一次性竹筷進(jìn)行前期的適度處理后，再利用脫膠酶對處理后的竹筷進(jìn)行處理。即提高了處理竹材得效率，又一定程度上彌補(bǔ)了化學(xué)法對竹纖維的破壞。利用正交實(shí)驗(yàn)法考察了相關(guān)工藝參數(shù)對竹纖維脫膠程度的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料與儀器

實(shí)驗(yàn)試樣：一次性竹筷子（回收）。

實(shí)驗(yàn)藥品：果膠酶（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、檸檬酸（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、磷酸氫二鈉 （AR，國藥集團(tuán)化學(xué)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(yàn)儀器：電子天平（型號：BSA，生產(chǎn)商：賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司）、臺式恒溫振蕩器（型號：THZ-D，生產(chǎn)商：太倉市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠）、恒溫水浴鍋（型號：HH-4單，生產(chǎn)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(jī)（型號：JP-350B，生產(chǎn)商：上海久品工貿(mào)有限公司）、pH計(jì)（型號：PHS-2F，生產(chǎn)商：上海精科實(shí)業(yè)有限公司）、循環(huán)水式多用真空泵（型號：SHB-IIIS，生產(chǎn)商：鄭州長城科工貿(mào)有限公司）、電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)（型號：JY-30L，生產(chǎn)商：上海南榮實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司）、烏氏粘度計(jì)、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(jì)、SYP-Ⅱ玻璃恒溫水浴、銅片、天平、秒表等。

1.2工藝流程

將化學(xué)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(yù)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(chǎn)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(jì)算竹纖維的失重率，測量聚合度。

1.3工藝過程

（1）酸預(yù)水解：將竹子浸泡在1%稀硫酸溶液中，然后放置在高壓鍋內(nèi)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(chǎn)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(zhì)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(jìn)一步去除膠質(zhì)部分。該階段的主要目的是去除部分木質(zhì)素，溶出蠟質(zhì)、果膠、部分半纖維素。

（5）水洗：用蒸餾水反復(fù)沖洗二次蒸煮后的粗竹纖維，去除殘留的化學(xué)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(jì)調(diào)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(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、浴比等，做5因素4水平的正交試驗(yàn)。加入所對應(yīng)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(yīng)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(yīng)為不可逆反應(yīng)，高溫可使生物酶失活，酶反應(yīng)停止。

（10）水洗：用蒸餾水反復(fù)水洗上述蒸煮產(chǎn)物。

（11）烘干：由于竹纖維吸濕性能強(qiáng)，在鼓風(fēng)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(jìn)行稱量。

1.4測定內(nèi)容

1.4.1計(jì)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(jì)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(zhǔn)確稱取0.125 g經(jīng)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(fù)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?nèi)軇┝鬟^烏氏粘度計(jì)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(guān)系圖

根據(jù)文獻(xiàn)［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(guān)經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)采用的是化學(xué)-酶聯(lián)合脫膠實(shí)驗(yàn)，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，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(jīng)過查閱相關(guān)資料，分析研究，果膠酶對竹纖維的細(xì)化效果主要取決于反應(yīng)溫度、時間、酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浴比、pH值等，選定各因素參數(shù)范圍如下。本次試驗(yàn)選擇正交表L9（45），如表1所示，以確定酶反應(yīng)溫度、酶反應(yīng)時間、酶的質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)因素與水平表

根據(jù)上述因素與水平表，對各因素水平進(jìn)行脫膠實(shí)驗(yàn)，用失重率和聚合度來說明脫膠效果，其結(jié)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(jié)果

實(shí)驗(yàn)選用竹纖維的失重率、聚合度為指標(biāo)，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?yàn)闃O差分析計(jì)算較為方便，在數(shù)據(jù)處理是經(jīng)常被采用。極差大的為主要影響因素，下面就正交試驗(yàn)進(jìn)行極差分析，如表3所示。

表3　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果極差分析

表3中，Ki、Li為對應(yīng)指標(biāo)列和水平i對應(yīng)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?yàn)椋簻囟龋痉磻?yīng)時間＞酶質(zhì)量分?jǐn)?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?yàn)椋悍磻?yīng)時間＞浴比＞酶質(zhì)量分?jǐn)?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(bǔ)做實(shí)驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。采用試驗(yàn)優(yōu)化的因素水平組合脫膠綜合效果最佳，因此，可以認(rèn)為本次試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可靠。將各指標(biāo)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(jīng)化學(xué)處理過的竹纖維表面形貌的生物顯微鏡照片，圖4為經(jīng)化學(xué)-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(yīng)時間為4 h，pH值為5.0，浴比為1∶100，果膠酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的條件下所處理的竹纖維，即正交驗(yàn)證結(jié)果的最優(yōu)組合。圖3的竹纖維表面較平整。竹纖維內(nèi)部的空隙較小，呈多條較淺的溝槽，說明還有膠質(zhì)部分附著在上面。圖4的竹纖維透光性較好，可看出結(jié)構(gòu)和膠質(zhì)部分受到破壞，竹纖維內(nèi)部之間產(chǎn)生的空隙較大，可能是內(nèi)部的膠質(zhì)部分被果膠酶分解，導(dǎo)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(xué)處理竹纖維表面形貌　

圖4　化學(xué)-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(zhì)及其他共生雜質(zhì)。其作用原理為（1）果膠酶分子從水溶液向竹纖維擴(kuò)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(nèi)聚力減弱而變軟，表面的可溶性物質(zhì)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(xì)胞壁中的果膠結(jié)合，成為果膠質(zhì)；接著果膠質(zhì)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(chǎn)生的水溶性產(chǎn)物游離初生細(xì)胞壁基質(zhì)，釋放出果膠酶。（4）果膠酶再與其他果膠質(zhì)吸附，不停重復(fù)這個過程。水溶性產(chǎn)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(chǎn)生影響。而果膠是纖維細(xì)胞壁之間的粘合劑，將脂蠟質(zhì)、木質(zhì)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(zhì)及木質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，果膠酶分子與竹纖維的膠質(zhì)部分接觸機(jī)會越大，脫膠反應(yīng)加快，竹纖維失重率提高，但酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定數(shù)值，單位體積果膠酶的活性也將達(dá)到一個頂峰，再加大酶的質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)，隨著溫度增加，酶擴(kuò)散速度加快，反應(yīng)速率也加快，但超過酶的最適合溫度，酶活性會降低，反應(yīng)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(jī)物、酶的濃度。

3　結(jié)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(jìn)行脫膠，經(jīng)果膠酶處理后去除部分非纖維雜質(zhì)，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(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)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(zhì)素等其他的非纖維素物質(zhì)，影響了果膠質(zhì)的去除效果。

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（責(zé)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(diǎn)專項(xiàng)（2014Z107）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J01386）；福建省教育廳項(xiàng)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。