漆酶去除桑皮木质素工艺探索

刘 杨，崔运花,2

(1.东华大学，上海 201620；2.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

漆酶去除桑皮木质素工艺探索

刘 杨1，崔运花1,2

(1.东华大学，上海 201620；2.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

文章以漆酶用量、反应温度、反应时间和pH值作为变量，进行生物酶-化学联合法去除木质素的工艺探索。

漆酶；桑皮纤维；残余木质素；工艺；正交实验

木质素是一种广泛存在于植物中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，其结构性能稳定。目前，纺织加工中木质素主要在高温、碱性条件下，加入适当的煮练剂长时间煮练或采用高温磺化法和低温氯化法，分别生成磺化木质素和氯化木质素，最终达到去除木质素的目的。但是无论哪一种方法，木质素的去除效果都达不到60%，并且木质素还会发生光解产生颜色变化，影响原料使用性能。本文从绿色纺织加工角度出发，使用专一、高效和环保的木质素降解酶，利用漆酶探索较优的木质素去除工艺，提高木质素去除效率。

1 试验

1.1 试验原料

试验原料：漆酶,苏柯汉(潍坊)生物工程有限公司。桑皮纤维,新疆和田墨玉县普恰克其乡。

试验药品：氢氧化钠、硫酸、草酸铵、苯、无水乙醇、氯化钡、多聚磷酸钠、硅酸钠、醋酸、醋酸铵、冰醋酸。

1.2 实验仪器

FA2004A型精密型电子天平，Y801A型电热恒温水浴锅，SHB-ⅢA型循环水式多用真空泵，DK-S16型电热恒温水浴锅，Y802A型电热恒温干燥箱。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

首先进行漆酶单独处理桑皮纤维的试验探索，在此基础上进行桑皮纤维木质素去除的正交试验。漆酶处理的试验流程为：原料-酶处理-水洗-烘干，酶处理过程中每隔15 min进行一次搅拌。正交试验流程为：原料-预酸处理-水洗-漆酶处理-水洗-碱处理-水洗-脱水-烘干。试验中浴比均为1∶30。碱处理时表面活性剂和稳定剂多聚磷酸钠和硅酸钠的用量分别为3%、2%。

1.3.2 测试方法

试验中原料化学成分分析、木质素含量、残胶率和残余木质素均按照GB 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》来测定。

2 实验结果与分析

2.1 原料成分分析

将原料整理，混合均匀，取每个原料试样重约5 g，根据GB 5889—86《苎麻化学成分定量分析方法》，按照实验要求与步骤，测得桑皮纤维的回潮率为12.10%，含水率为10.80%，化学成分含量见表1。

表1 勾拉强力随压力增大的变化情况

从以上数据可以看出，桑皮纤维回潮率属于天然纤维中的中等水平，和苎麻、亚麻相当，略高于棉纤维，低于毛纤维。果胶、半纤维素和木质素是桑皮纤维的主要伴生物，含量在天然纤维伴生物中都属于较高水平。

2.2 漆酶处理工艺探索

试验中利用冰醋酸和醋酸铵配置成供不同pH环境使用的缓冲溶液，确保试验过程中PH的稳定性。

2.2.1 酶处理用量的影响

实验条件:温度45℃，时间1.5 h，pH值4.5。

试验结果如图1、图2所示。

由图1和图2可以看出，随着漆酶用量的升高，残余木质素含量呈现下降趋势，而在酶用量达到20%后下降速度缓慢并且趋于平衡，这是因为漆酶是具有专一性的生物酶，而原料中还有以果胶和半纤维素为主的杂质，影响了漆酶的渗透性，原料并未进行前处理，纤维的蓬润性不理想，这些因素影响了漆酶的处理效果。残胶率的趋势和残余木质素下降趋势相似。

图1 酶用量对木质素去除效率的影响

图2 酶用量对除胶效率的影响

2.2.2 酶处理pH值的影响

实验条件:温度45℃，时间1.5 h，酶用量15%。

实验结果见表2。

表2 pH值对胶质去除效率的影响

从表2可以看出：在其它条件相同的情况下，当pH值为4.5时，漆酶处理效果最好，无论是残余木质素还是残胶率含量都是相对比较低的，漆酶的活性范围在pH为4.5～6.5之间，所以两项指标在活性pH范围内的变化差异都不是很大。

2.2.3 酶处理时间的影响

实验条件:温度45℃，pH值4.5，酶用量15%。

实验结果如图3、图4所示。

图3 酶处理时间对木质素去除效率的影响

图4 酶处理时间对除胶效率的影响

由图3、图4可以看出，残余木质素和残胶率都随着时间的增加而减小，说明增加酶处理时间，确实可以增加酶与纤维中木质素的反应，更加有利于木质素的去除，胶质的去除效果也一样。当反应只有0.5 h时，由于时间过短，原料蓬松度差，酶与原料接触时间有限，木质素和胶质的处理都不理想。但是处理超过2 h后，虽然去除木质素的趋势还是有利的，但是效果已不明显，继续增加处理时间也不会有很大的效果。

由于酶的高效性，可以看出，在处理达到一定时间后，在很短的时间内就可以达到反应条件所对应的效果，反应时间不够或者增加时间也都不会对结果产生大的影响。

2.2.4 酶处理温度的影响

实验条件:时间1.5 h，pH值4.5，酶用量15%。

实验结果见表3。

从表3可以看出，温度不同时，残余木质素数值会上下浮动，但是波动的范围很小，残胶率小幅度上升。对于木质素和胶质的去除，在酶的最适温度范围内，温度的变化不会对最终的结果产生很大的影响，只有当温度低于或者高于酶的最适温度范围时，才会干扰或者抑制酶的活性。

表3 温度对胶质去除效率的影响

2.3 正交试验

由于单独利用漆酶处理原料，木质素去除效果不好，残余胶质也较多，故采用工艺流程：原料-预酸处理—水洗-漆酶处理-水洗-碱处理—水洗-脱水-烘干，影响木质素去除效果的四个主要因素为预酸浓度、漆酶处理用量、漆酶处理时间和碱处理浓度，进行正交试验，正交表选用L9(43)，水平设计因子见表4，正交试验结果见表5。

表4 正交因子水平表

表5 正交试验结果与分析

从表5的结果可以看出，各因素对木质素的去除效果影响程度依次为酶处理用量>碱处理浓度>预酸浓度>酶处理时间，以残余木质素作为指标，得出木质素去除效果最好的工艺为A1B3C3D3，即预酸浓度1 g/L，酶处理时间3 h，酶处理用量20%，碱处理浓度9 g/L。

对于正交最优工艺参数A1B3C3D3进行验证，实验结果见表6。

表6 正交试验的验证

由表6结果可知，工艺A1B3C3D3可以将残胶率降至9.36%，残余木质素为2.31%，木质素的总去除效果达到76.97%。

3 结语

3.1 漆酶在桑皮纤维的木质素去除过程中具有较好效果，在影响漆酶活性的因素中，酶用量和酶处理的时间影响相对较大，酶用量和处理时间的增大均能提高木质素的去除效果。

3.2 由于原料中还存在果胶和半纤维素等杂质，影响了漆酶与纤维和接触和反应，故单独使用漆酶对木质素的去除效果不理想，残胶率较高。

3.3 生物酶-化学联合法对木质素的去除效果比较理想，预酸处理能很好地去除一定胶质，提高纤维蓬润性。经过酶处理后的碱处理时间和碱的用量也大大降低，避免了耗时长、废料残余多的碱煮和由于长时间碱煮造成的纤维损伤和原料浪费。利用正交试验，得到较优的工艺参数如下：

原料准备-预酸处理(硫酸浓度1 g/L，时间2 h，温度50℃)-水洗-漆酶处理(漆酶用量20%，时间3 h，温度45℃，PH值4.5)-水洗-碱处理(碱液浓度9 g/L，多聚磷酸钠3%，硅酸钠2%，时间2 h，温度99℃)-水洗-脱水-抖松-烘干。

采用优化工艺可以将残余木质素降至为2.31%，残胶率降至9.36%，木质素的总去除效果达到76.97%左右。

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Research on Laccase Catalytic Lignin Processes of Mulberry Fiber

LiuYang1，CuiYunhua1,2

〔1.Donghua University,Shanghai 201620，China; 2.Key Laboratory of Textile Science &Technology(Ministry of Education),Shanghai 201620,China〕

Several factors,such as laccase dosage,reaction temperature,reaction duration and pH value were taken as variables. An enzymatic-chemical combined method was used to explore the technology of removing lignin in mulberry fibers.

lactase; mulberry fiber; residual lignin; process; orthogonal test

2014-10-20

刘 杨(1989—)，男,江苏连云港人,硕士研究生。

TS102

A

1009-3028(2015)01-0053-04