生物酶前处理在稻秸秆纤维提取中的应用

花兆辉，杨 丹，孙卫国

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西 西安 710048)

稻秸秆成份包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶及灰分等[1]。目前在纺织上对稻秸秆的研究主要有东华大学的俞镇慌教授[2-3]对秸秆纤维成网工艺和秸秆纤维非织布用作无土栽培基质的研究，刘冰和程士润等[4-5]采用碱煮法对稻秸秆纤维提取工艺的探讨。

目前化学脱胶工艺主要以碱液煮炼为主，但化学脱胶工艺普遍存在成本高、污染重，损伤纤维等问题[6]。本文采用生物酶(木聚糖酶、果胶酶)对稻秸秆脱胶进行预处理，这样可以提高脱胶的效率，减少环境污染，同时还可以有效提高纤维的性能。实验分析了生物酶的用量、温度、时间及pH值对稻秸秆脱胶的影响，并得出优化工艺。

1 实验部分

1.1 实验材料

原料：产于西安户县的稻秸秆。

药品：木聚糖酶，果胶酶。H2SO4，氢氧化钠(NaOH)，双氧水(H2O2)，无水亚硫酸钠(Na2SO3)，硅酸钠(Na2SiO3)，焦磷酸钠，草酸铵等(以上均为分析纯)。

1.2 仪器与设备

JA1203N 型电子天平；JA-N 型精密扭力天平；Y171-1 型纤维切断器；Y802A 型八篮恒温烘箱；Y321B型手摇捻度仪；DZKW-4 电子恒温水浴锅；JJ-1 型定时电动搅拌器；YG004 型电子单纤维强力仪。

1.3 工艺流程

1.3.1 单独化学碱煮工艺

(1)工艺流程

试样→浸酸→水洗→碱煮→水洗→酸洗→水洗→抖松→脱水→烘干

(2)工艺参数

浸酸：H2SO4质量浓度2 g/L，浴比1∶30；温度 50 ℃；时间 120 min。

碱煮：NaOH用量 40%，H2O28 mL/L，温度 90 ℃，时间 2 h，浴比1 ∶30。

酸洗：H2SO4质量浓度2 g/L，浴比1 ∶50；温度为常温；时间 2 min。

助剂：渗透剂JFC 2 mL/L；Na2SiO33%(owf)；Na2SO35%(owf)；草酸铵5 g/L；焦磷酸钠 5%(owf)。

注：(owf)为相对稻秸秆重量所用的试剂用量。

1.3.2 生物酶/化学脱胶工艺

(1)工艺流程

试样→浸酸→水洗→生物酶前处理→热水失活→水洗→碱煮→水洗→酸洗→水洗→抖松→脱水→烘干

(2)工艺参数

浸酸：H2SO4质量浓度2 g/L，浴比1 ∶30；温度50 ℃；时间120 min。

生物酶：木聚糖酶(温度45～55 ℃，pH值6.5～9.5)；果胶酶(温度40～50 ℃，pH值4.5～5.5)。

碱煮：NaOH用量 40%，H2O28 mL/L，温度90 ℃，时间2 h，浴比 1 ∶30。

酸洗：H2SO4质量浓度2 g/L，浴比1 ∶50；温度为常温；时间2 min。

助剂：渗透剂JFC2 mL/L；Na2SiO33%(owf)；Na2SO35%(owf)；草酸铵5 g/L；焦磷酸钠5%(owf)。

注：(owf)为相对稻秸秆重量所用的试剂用量。

1.4 测试

1.4.1 残胶率的测试

残胶率指标主要反映脱胶工艺的效果，残胶率越小则脱胶效果越好。如果残胶残留过多，纤维的强度和细度下降，柔软性也随之下降，纱线密度受到影响。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，根据下面公式计算，测量3次取平均值。

残胶率(%)=(W1-W0)/W1×100%

式中：W1—处理前试样干重；

W0—处理后试样干重。

1.4.2 细度的测试

实验方法：中断切断称重法。将梳理平直的纤维束利用切断器切取20 mm。由于稻秸秆纤维为工艺纤维，读取数值时，每根工艺纤维如有分支且超过1/2按两根记，低于此值记一根。

1.4.3 强度的测试

试验方法：试样夹持长度20 mm，预加张力0.1 cN,拉伸速度10 mm/min。将纤维放到实验室条件下平衡24 h后放在仪器上测定，测定10次取平均值。

1.4.4 可挠度的测试

试验方法：采用切断器将纤维切成等长(30 mm)。取一定量的纤维，用捻度计对纤维试样进行加捻，直至断裂，得出断裂时的捻回数，并将捻断的纤维在扭力天平上称重，根据下面公式计算，求得稻秸秆纤维的可挠度，测定3次取平均值。

式中：μ—捻回数，捻回；

L—纤维夹持长度，mm；

m—纤维重量，mg。

2 结果与分析

2.1 作用机理

2.1.1 化学脱胶机理

稻秸秆的化学脱胶就是利用其各成分对化学试剂不同的稳定性，对胶质部分进行溶解、析出。如半纤维素、果胶物质成分易被高温碱液作用而溶解，而纤维素对碱液的作用则表现出较高的稳定性。

2.1.2 生物酶前处理机理

生物酶前处理就是用生物酶对稻秸秆进行预处理，从而更有效地脱胶，改善所提取纤维的物理性能。利用生物酶催化的高效性，降低反应物反应的活化能，使反应物中的分子更容易克服活化能进行化学反应，从而使反应更加速进行。针对酶催化的专业性，本文采用木聚糖酶和果胶酶对脱胶进行前处理，进一步去除稻秸秆中所含的木质素和果胶等杂质。同时利用生物酶处理，还可以使纤维的空隙变大，提高纤维的柔软性，吸水性等。

2.2 化学脱胶工艺

表1为NaOH用量40%，处理时间2 h，温度90 ℃的条件下处理后稻秸秆纤维的性能比较。

表1 单一化学处理后稻秸秆纤维的性能

注: 其它处理条件如1.3.1所示。

表1表明经过单一化学处理后稻秸秆纤维的残胶率、细度及可挠度等性能都有待提高，这些性能直接影响了纤维的柔软吸湿性能。因此在化学脱胶处理之前，用生物酶对稻秸秆进行预处理，这样可以提高纤维的细度、可挠性等性能。

2.3 生物酶前处理工艺

2.3.1 木聚糖酶前处理工艺

根据木聚糖酶的适用条件，选取处理温度为50 ℃，其它处理条件采用以下单因素分析来确定。

2.3.1.1 酶制剂用量的确定

选取木聚糖酶处理温度50 ℃，时间10 h，pH值为9，浴比1 ∶30的条件下对稻秸秆前处理，然后再按1.3.2中碱煮工艺进行化学碱煮(以下化学碱煮工艺一样)，处理后稻秸秆纤维的性能比较如表2所示。

表2 不同用量木聚糖酶处理的稻秸秆纤维的性能

由表2可知，随着木聚糖酶用量的增加，稻秸秆纤维的残胶率呈下降趋势。这是因为随着木聚糖酶用量的增加，纤维中更多的木质素被分解，因而纤维残胶率下降。纤维的断裂强度随酶用量的增加呈先增大后减小的趋势，当酶用量为10%(owf)时纤维断裂强力最大。纤维的细度随着酶用量的增加先减小后增大，当酶用量为10%(owf)时纤维细度达到最小值。稻秸秆纤维的可挠度随着木聚糖酶用量的增加呈增大趋势。综合考虑纤维残胶率、细度、断裂强度和可挠度四因素，对表2结果进行分析，得出木聚糖酶用量为10%(owf)时，稻秸秆纤维的各项性能最优。

2.3.1.2 酶制剂处理时间的确定

表3为木聚糖酶用量为10%(owf)，处理温度50 ℃，pH值为9，浴比1 ∶30的条件下处理后稻秸秆纤维的性能比较。

表3 不同处理时间的木聚糖酶处理后稻秸秆纤维的性能

由表3可知，稻秸秆纤维的残胶率和细度随着酶处理时间的增长，呈逐渐下降趋势。这是因为处理时间增长，纤维中被分解的木聚糖越多，因而残胶率和细度下降。纤维的断裂强力和可挠度随着酶处理时间的增长先增大后减小，当处理时间为10 h时，纤维断裂强度和可挠度分别达到最大值。综合考虑四因素，对表3结果进行分析，得出处理时间为10 h时纤维综合性能最佳。

2.3.1.3 酶制剂pH值的确定

表4为木聚糖酶用量为10%(owf)，处理温度50 ℃，时间10 h，浴比1 ∶30的条件下处理后稻秸秆纤维的性能比较。

表4 不同pH值的木聚糖酶处理后稻秸秆纤维的性能

由表4可知，稻秸秆纤维的残胶率和细度随着酶处理pH值的增大而逐渐降低，这是因为随着pH值的增大，木聚糖酶的活性增强，对纤维木质素的分解能力增大，因此纤维残胶率和细度降低。纤维的断裂强度和可挠度随着酶处理pH值的增大分别呈逐渐增大的趋势。同理分析表4中的结果，得出木聚糖酶在pH值为9时经处理的稻秸秆纤维可得到最佳性能。

2.3.2 果胶酶前处理工艺

根据果胶酶的适用条件，选取处理温度为45 ℃，pH值为5，其它处理条件采用以下单因素分析来确定。

2.3.2.1 酶制剂用量的确定

选取果胶酶处理温度45 ℃，时间8 h，pH值为5，浴比1 ∶30的条件下对稻秸秆前处理，处理后稻秸秆纤维的性能比较如表5所示。

表5 不同用量果胶酶处理后稻秸秆纤维的性能

对表5进行分析可得，稻秸秆纤维残胶率和细度随着果胶酶处理用量的增大而逐渐增加。纤维的断裂强度和可挠度随着酶处理用量的增大分别呈现先降低后增大的趋势，当果胶酶处理用量为10%(owf)时，分别达到最小值。考虑纤维残胶率、细度、断裂强度和可挠度对表5结果进行综合分析，得出果胶酶用量为8%(owf)时，稻秸秆纤维的性能最优。

2.3.2.2 酶制剂处理时间的确定

表6为果胶酶用量为8%(owf)，处理温度45 ℃，pH值为5，浴比1 ∶30的条件下处理后稻秸秆纤维的性能比较。

表6 不同处理时间果胶酶处理后稻秸秆纤维的性能

由表6可知，秸秆纤维的残胶率随着果胶酶处理时间的增长而减小，这是因为随着处理时间的增长，纤维中被分解的果胶增加，因而纤维的残胶率减小。纤维的细度随着处理时间的增长先减小后增大，当处理时间为8 h时纤维细度达到最小值。纤维的断裂强度和可挠度随着处理时间的增长先增大后减小，处理时间为8 h和10 h时纤维断裂强度和可挠度分别达到最大值。同理，分析表6各项结果，得出果胶酶处理时间为8 h时，稻秸秆纤维得到最佳性能。

2.4 优化工艺对比

将稻秸秆在单一化学脱胶工艺和木聚糖酶、果胶酶的前处理优化工艺条件下处理，所得稻秸秆纤维的性能见表7。

通过表7中各优化工艺比较可知，采用生物酶前处理后所提取的稻秸秆纤维残胶率都比单一化学处理的要小，细度和可挠度都有一定的改善，这有效提高了稻秸秆纤维的柔软性。其中通过对木聚糖酶前处理提取的纤维性能和果胶酶前处理提取的纤维性能进行比较，可以得出经过木聚糖酶前处理所提取的纤维性能要优于后者。

表7 不同工艺处理稻秸秆纤维的性能

3 结 论

(1) 稻秸秆采用生物酶(木聚糖酶、果胶酶)进行脱胶前处理，其条件温和，对稻秸秆纤维损伤小，可有效提高纤维细度、可挠性等性能，改善纤维的柔软吸湿性能。

(2)与单一化学脱胶处理比较，采用生物酶(木聚糖酶、果胶酶)对稻秸秆纤维进行前处理后，纤维的各项性能都得到了一定的提高。 木聚糖酶前处理优化工艺结果为：残胶率8.73%,细度4.03 tex，断裂强度4.75 cN/dtex，可挠度1.42 捻/dtex·m；果胶酶前处理优化工艺结果为：残胶率9.38%,细度4.25 tex，断裂强度4.38 cN/dtex，可挠度1.33 捻/dtex·m。

(3)经木聚糖酶前处理后的稻秸秆纤维性能要比果胶酶前处理后的要好，其中残胶率，细度和可挠度改善了5%～8%。

[1] 邬义明．植物纤维化学[M]．北京：轻工业出版杜，1991:20-45.

[2] 俞镇慌.秸秆纤维气流成网过程中工艺参数的影响[J].东华大学学报，2002,28(3)：79-82.

[3] 刘洪凤，俞镇慌.秸秆纤维性能[J].东华大学学报,2002,28(2)：123-126.

[4] 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.

[5] 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 .

[6] 何小红，俞建勇，刘丽芳.不同生物酶处理对黄麻纤维的影响[J].纺织科技进展,2008(6)：73-75.