生物酶预处理对稻秸秆脱胶的影响

张 蓓,李培光,孙卫国

(西安工程大学 纺织与材料学院,陕西 西安 710048)

在纺织工业急需寻找新的突破口的背景下,生物酶处理技术得到越来越多的重视,已经由过去主要用于棉织物退浆逐渐向纤维改性、脱胶、精练、净洗后整理等应用领域转移[1].文献[2-4]分别将生物酶应用于棉秆皮、桑皮及稻秸杆的脱胶处理中，均取得一定的成效，且在降低纤维残胶率的同时有效提高了纤维的细度和柔软性.

稻秸秆和麻类等韧皮类纤维原材料具有相同的成分,都是由纤维素、半纤维素、果胶、木质素、脂质蜡及灰分等组成,对稻秸秆进行脱胶处理,目的就是去除非纤维素成分[5].目前,已有化学脱胶、生物酶-化学联合脱胶的方法对稻秸秆进行脱胶[4-6].但化学脱胶耗水多,耗碱多,污染严重.生物酶预处理使用单一生物酶,只能去除特定物质.本文将复配生物酶应用于稻秸秆脱胶的预处理工艺中,降低化学脱胶所产生的污染,提高脱胶率,且复配生物酶对纤维作用温和,为研究高效、环保的脱胶方法提供参考.

1 实 验

1.1 仪器与材料

(1) 仪器 HH-S4型电热恒温水浴锅、HX203T型电子天平、Y802A型八篮恒温烘箱.

(2) 药品 半纤维素酶、木质素酶、浓硫酸(分析纯)、表面活性剂SP-2.

(3) 原料 稻秸秆(产于西安户县).

1.2 生物酶脱胶工艺

(1) 工艺流程 试样准备 → 机械处理→浸酸→水洗→生物酶处理→热水失活→水洗(50℃)→打纤→酸洗→水洗→脱水→烘干.

(2) 工艺参数 浸酸:浓H2SO4体积分数2mL/L,浴比1∶30;温度:50℃;处理时间:1.5h;酸洗:浓H2SO4体积分数2mL/L,浴比1∶50;温度:常温;处理时间:4min;水洗:浴比1∶50；温度:常温;表面活性剂SP-2为2mL/L；生物酶处理浴比均为1∶30,溶液pH值为4.8;热水失活:升温至90℃,时间15min.

1.3 残胶率的测试

残胶率的测试参照GB5889—86《苎麻化学成分定量分析方法》中苎麻残胶率的测试方法,根据公式(1)计算,测量3次取平均值.

Wc=(G0-G1)/G0×100%

(1)

式中Wc为试样的残胶率,%;G0为处理前试样干重,g;G1为处理后试样干重,g.

2 结果与分析

2.1 半纤维素酶、木质素酶脱胶的单因素实验结果

(1) 选择酶浓度(o.w.f)为变量,在时间8h,温度50℃,pH值4.8的条件下按生物酶处理工艺(以下酶处理工艺相同)对稻秸秆进行前处理,处理后稻秸秆纤维残胶率如图1(a),图2(a)所示.由图可知,随着半纤维素酶浓度的增加残胶率呈下降趋势,且在酶浓度(o.w.f)为12%时曲线趋于平缓,确定两种酶脱胶浓度优水平范围均为6%,8%,10%,12%.

(2) 以时间为变量,在酶浓度8%(o.w.f),温度50℃,pH值4.8的条件下处理稻秸秆，处理后稻秸秆纤维残胶率如图1(b),图2(b)所示.由图可知,纤维的残胶率随着处理时间的增加逐渐减小,并在12h的时候逐渐趋于平缓,即酶脱胶时间优水平范围为6h，8h，10h，12h.

(3) 以温度为变量,在酶浓度8%(o.w.f),时间8h,pH值4.8的条件下处理稻秸秆.处理后稻秸秆纤维残胶率如图1(c),图2(c)所示.由图可知,随着温度的升高，残胶率呈现先减少后增加的趋势,在55℃附近出现残胶率最低点,因此酶脱胶温度优水平范围为45℃，50℃，55℃，60℃.

(4) 以pH为变量,在酶浓度8%(o.w.f),时间8h,温度50℃的条件下处理稻秸秆.处理后稻秸秆纤维残胶率图1(d),图2(d)所示.由图可知,随着pH值的增大残胶率也呈现先减小后增大的趋势,pH值优水平范围为4.0,4.5,5.0,5.5.

(a) 浓度的影响 (b) 处理时间的影响

(c) 处理温度的影响 (d) pH值的影响图1 半纤维素酶处理时各因素对残胶率的影响

(a) 浓度的影响 (b) 处理时间的影响

(c) 处理温度的影响 (d) pH值的影响图2 木质素酶处理时各因素对残胶率的影响

2.2 半纤维素酶、木质素酶复配比实验结果

综合考虑2种酶脱胶后的残胶率和稻秸秆中半纤维素和木质素的含量、生物酶脱胶的专一性等,以半纤维素酶为主做复配,不同复配比下稻秸秆纤维的残胶率如表1所示.

表1 不同复配比下稻秸秆纤维的残胶率

表2 复配生物酶正交试验表及结果

由表1知,随着半纤维素酶和木质素酶复配比的增加,稻秸秆纤维的残胶率有明显降低,并在复配比为14%∶7%附近变化较小.综合考虑确定两种酶的复配比优水平范围为8%∶4%,10%∶5%,12%∶6%,14%∶7%.

2.3 复配生物酶脱胶正交试验结果

选用以L16(45)正交表为实验方案,以确定半纤维素酶与木质素酶的复配比、处理时间、温度及pH值等因素对复配酶脱胶效果的影响.复配酶脱胶正交试验结果及分析如表2,3所示.

通过直观分析(如表3),极差A>B>C>D,也就是复配生物酶对残胶率的影响因素复配比>处理时间>温度>pH值.

对复配酶脱胶工艺来说,残胶率越低越好,由以上分析确定优化工艺为A3B3C2D3,即,半纤维素酶∶木质素酶为12%∶6%,处理时间12h,温度50℃,pH值5.0.

表3 复配生物酶脱胶正交试验直观分析结果

经过稻秸秆复配生物酶脱胶后,残胶率为20.63%,纤维大多粘连在一起,不能作为工艺纤维在纺织上进行应用,这是因为酶的活性较低,不能很彻底地脱去胶质,残留的胶质需要化学脱胶进一步去除,以期得到性能良好的纤维.

3 结 论

(1) 通过正交试验,以残胶率为评价指标确定了最优复配生物酶的优化脱胶工艺:半纤维素酶∶木质素酶为12%(o.w.f)∶6%(o.w.f),时间12h,温度50℃,pH值5.0;

(2) 稻秸秆复配生物酶脱胶后,残胶率为20.63%,纤维大多粘连在一起,不能作为工艺纤维在纺织上进行应用,残留的胶质需要化学脱胶进一步去除.

参考文献：

[1] 范学彬,王黎明,沈勇,等.生物酶在竹纤维中的应用研究[J].上海工程技术大学学报,2013，27(1):91-96.

[2] 季延,李龙.棉杆皮生化脱胶工艺研究[J].西安工程大学学报,2009,23(6):16-18.

[3] 金鹏辉,封勤华,蒋耀兴.生物酶脱胶工艺在制备桑皮纤维中的应用[J].纺织学报,2011，32(1):55-58.

[4] 花兆辉,杨丹,孙卫国.生物酶前处理在稻秸秆纤维提取中的应用[J].化纤与纺织技术,2011，40(3):9-12.

[5] 刘冰,孙卫国.稻秸秆纤维短流程脱胶工艺[J].毛纺科技,2011，39(3):60-63.

[6] 程士润,黄晨,张璐.碱煮法提取稻秸秆纤维的工艺及性能探讨[J].产业用纺织品,2010(7):16-19.