半纤维素酶处理丝瓜络纤维结构分析

王 迎, 李 红

( 1.东华大学 材料科学与工程学院, 上海 201620; 2.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

目前,丝瓜络纤维已广泛应用于中医药领域和日常生活中。天然丝瓜络中,含有60%纤维素及部分半纤维素、木质素。纤维素、半纤维素、木质素伴生在一起,形成天然三维网状纤维结构[1]。要充分利用纤维素资源,必须实现丝瓜络纤维素中半纤维素及木质素的有效分离,使其呈单纤维分离状态,以达到纤维素资源再利用的要求。传统的去除木质素方法是化学方法和机械预处理,存在环境污染严重、生产效率低、水资源消耗等不足[2]。工业生产中常使用大量的氢氧化钠处理纸浆,造成了严重的环境污染,为此,许多学者转而尝试生物法去除木质素。目前国内外已有关于生物技术处理天然纤维素纤维应用研究的报道[3-4]。酶具有高效、专一、无污染、环保的特点[5]。本研究采用生物酶代替传统的化学方法,利用半纤维素酶对丝瓜络纤维中的半纤维素进行充分溶解,同时使缠绕在半纤维素上的木质素随之降解,最终达到去除木质素的目的。

1 实 验

1.1 实验原料

丝瓜络纤维(粉体),HHLG-00140-60目,漯河市华辉日用品有限公司；半纤维素酶,Cat.No.C8270,日本Trichoderma。

1.2 半纤维素酶处理丝瓜络纤维

称取丝瓜络纤维1.000 g,按浴比为20∶1加入水,加入半纤维素酶0.4～2.4 g,在电热恒温水浴锅蒸煮180 min后,在磁力搅拌器上均匀搅拌30 min,然后在循环水式多用真空泵上进行抽滤[6],最后在105 ℃的烘箱内烘干5 h,称重。比较处理前后纤维质量的变化,用丝瓜络纤维质量损失率进行表征。

1.3 实验仪器

Spectrum One-B型傅里叶变换红外光谱仪,美国铂金埃尔默公司,采用KBr压片方式制备试样,扫描范围4 000～400 cm-1；JEOL JSM-6460 LV型扫描电子显微镜,日本电子株式会社；H.H.S21.4 电热恒温水浴锅,上海医疗器械三厂；磁力加热搅拌器；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵,郑州长城科工贸有限公司；索氏抽提器；回流冷凝器。

2 结果分析与讨论

2.1 酶用量、pH、温度对丝瓜络纤维质量损失率的影响

2.1.1 酶用量对丝瓜络纤维质量损失率的影响

半纤维素酶的浓度对丝瓜络纤维质量损失率的影响如图1所示。当用半纤维素酶处理时,丝瓜络纤维质量损失率随着酶浓度的增加而增大,随着酶浓度的进一步提高,丝瓜络纤维质量损失率没有明显的变化。因此最佳酶处理用量为0.10 g/mL。

图1 质量损失率随酶质量浓度的变化

2.1.2 pH对丝瓜络纤维质量损失率的影响

pH对丝瓜络纤维质量损失率的影响如图2所示。当pH为6～7时,丝瓜络的质量损失率达到最大值,故用半纤维素酶处理丝瓜络时的最佳pH为6～7。这是因为半纤维素酶预处理丝瓜络纤维的反应是酶促反应,大多数酶的反应速度随pH的变化呈钟罩形曲线[7]。

图2 质量损失率随pH的变化

2.1.3 酶处理温度对丝瓜络纤维质量损失率的影响

酶处理温度对丝瓜络纤维质量损失率的影响如图3所示。丝瓜络的质量损失率在60 ℃时达到11%后,质量损失率反而随温度的升高有下降的趋势。但酶是蛋白质,温度升高可使酶变性失活,故用半纤维素酶处理丝瓜络时,最佳温度应控制在60 ℃附近。

所以最佳处理条件为:酶用量0.10 g/mL,pH为6～7,温度为60 ℃。

图3 质量损失率随酶处理温度的变化

2.2 红外谱图分析

图4 处理前后丝瓜络纤维红外光谱图

2.3 SEM分析

由图5(a)可知,未处理丝瓜络纤维在放大2 000 倍后,表面仍有大量灰分及胶质,看不到单纤维。由图5(b)可知,处理后的纤维表面可见纤维状条痕。这些条痕为去除表面灰分、蜡质及木质素后暴露于表面的纤维素单纤维。这些单纤维在未经过酶处理的丝瓜络表面是看不到的。因此,半纤维素酶处理效果明显,纤维表面的半纤维素和木质素部分被去除,内部单纤维暴露在表面。

(a)

(b)

3 结 论

(1)丝瓜络纤维采用半纤维素酶预处理,作用条件温和,对纤维损伤小,有利于提高纤维素的溶解率,在技术上是可行的。通过改变半纤维素酶浓度、pH和温度,建立溶解工艺参数,得到最佳酶处理条件:溶解质量浓度为0.10 g/mL,pH为6～7,温度为60 ℃；

(2)采用红外光谱和扫面电镜等测试手段,对半纤维素酶处理前后的丝瓜络纤维进行测试,结果表明,酶处理去除天然丝瓜络纤维表面的木质素,丝瓜络纤维表面产生了大量的条痕,可以明显地看出单纤维,纤维素单纤维暴露于天然丝瓜络束纤维表面。

(3)生物酶法去除木质素与化学方法相比,耗水少,不使用强碱,污染轻,有利于操作人员的身体健康和环境保护。

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