果胶酶预处理对工业大麻秆纤维分离影响初探*

吴宁，杜官本，李晓平

(云南省木材胶黏剂及胶合制品重点实验室，西南林业大学，云南 昆明650224)

纤维分离是纤维板制造、制浆造纸和纺织生产中的关键技术，目前纤维分离多采用机械法、物理法和化学法，这些传统的分离方法存在纤维产量低、纤维质量差、能耗高、污染严重等不足，利用生物酶法分离纤维则是一种绿色、环保的生产工艺。利用生物酶对原料进行预处理后再进行纤维分离可以降低纤维分离能耗，降低纤维分离对环境造成的污染［1］等，受到了国内外科研工作者的广泛关注。这些生物酶包括果胶酶、木质素酶、纤维素酶和木聚糖酶等。

工业大麻秆纤维是一种长度中等、壁腔比小的优质纤维原料［2］，具有许多其他纤维无法比拟的优良特性，被广泛用于造纸和人造板制造等工业领域［3～7］。工业大麻秆的主要化学成分为纤维素、半纤维素和木质素等碳水化合物及少量的果胶;果胶广泛存在于植物的细胞初生壁和胞间层中，在纤维细胞胞间层中，果胶质与纤维素、半纤维素、木质素等相互交联［8～9］，形成复杂的化学键，使细胞壁紧密地结合在一起，所以利用果胶酶对原料进行预处理，降解胞间层中的果胶质，能达到纤维分离的目的 (图1和图2)。项目组研究了果胶酶预处理对工业大麻秆重量损失率和化学成分的影响，结果表明，经过果胶酶预处理后，工业大麻秆的重量损失率比同条件下水处理的重量损失率要高;随着果胶酶处理时间和处理浓度的增加，工业大麻秆中的果胶质含量降低，纤维素、半纤维素和木质素含量先增加后减小;经果胶酶溶液处理后，处理液中主要含有半乳糖醛酸以及一些可溶于水的碳水化合物。可见，经果胶酶预处理后，工业大麻秆中主要是果胶质被溶解，随着果胶质的溶解，和果胶质结合在一起的木质素、纤维素和半纤维素也有一部分会脱落，因此出现了纤维素、半纤维素和木质素含量先增加后减小的现象。

图1 未经处理的工业大麻秆结构(扩大500倍)Fig．1 The structure of industrial hemp stalk untreated by pectinase

图2 工业大麻秆样品果胶酶预处理 (扩大500倍)Fig．2 The structure of industrial hemp stalk treated by pectinase

果胶酶对分解果胶有催化作用，主要用于果汁加工和葡萄酒的制备［10］;近年来，随着亚麻、苎麻和大麻等被用于纺织，果胶酶也被用于亚麻或苎麻脱胶以及纤维素纤维品处理［11］;果胶酶只作用于果胶质，不会造成纤维的损伤［12］，是一种理想的果胶质去除试剂。本项目利用单因素法，研究不同处理温度、不同浓度果胶酶溶液、不同处理时间对工业大麻秆处理效果，并与对照组相比较，分析果胶酶溶液对分离后的纤维形态的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

工业大麻取自云南省农科院，品种为云麻1号，在实验室自制成长度2～3 cm、宽度1～1．5 cm、厚度0．5～0．8 cm的碎料。果胶酶购自上海蓝季生物有限公司，活性为20 000 u/g，可用pH范围为 3．5 ～6．0。

1.2 试验方法

未处理工业大麻秆1．5 kg(绝干)，增湿至50%后置于30 kg的水中或不同浓度的果胶酶溶液 (pH为5．5～5．8)中，由于木材加工工厂纤维板进行纤维分离的温度通常为150～160℃的高温，实验室中无法满足，故在110℃条件下通过延长蒸煮时间来实现纤维分离的目的;纤维分离的原理是利用高温来软化纤维细胞胞间层中的木质素和半纤维素以达到纤维分离的目的，降低温度延长加热时间和提高温度缩短加热时间的效果是相同的。将工业大麻秆碎料进行蒸煮后，利用高浓度盘磨机进行纤维分离，磨盘间距为1．0 mm;试验中工业大麻秆果胶酶溶液的预处理方案见表1(CK为对照组)。

表1 工业大麻秆果胶酶溶液的预处理方案Tab．1 Industrial hemp stalk pretreated by pectin enzyme

1．2．1 纤维形态的测定

利用盘磨机分离纤维，将磨制好的纤维样品分别放置于干净的试管中，加入干净的水至试管的3/4处，用玻璃棒轻微搅拌，使样品充分分散，直至些许纤维漂浮于上层水面，试管出现浑浊;之后用胶头吸管吸取些许样品，用10 g/L的番红溶液进行染色，制成临时载玻片［13～17］，利用Motic Images Plus 2．0图像处理系统测量纤维的尺寸，先在40倍显微镜下量取纤维的长度，后在100倍的显微镜下找到对应纤维量取其宽度，每个样品取100根纤维进行观察和测量。

1．2．2 纤维根数的观测

在电镜下面随机选取100根纤维束，观察每一束纤维中的纤维根数，并做统计。在电镜下观察未用果胶酶预处理的工业大麻秆纤维束中纤维根数和用果胶酶在不同预处理条件下处理的工业大麻秆纤维束中纤维根数 (图3)。

2 结果与分析

2.1 果胶酶预处理对工业大麻秆纤维形态的影响

果胶酶预处理对工业大麻纤维形态的影响见图3。经果胶酶预处理的工业大麻秆纤维形态发生了变化，单根纤维比例增加。可见果胶酶可以有效降解细胞胞间层中的果胶质含量，降低纤维分离的难度，提高纤维分离的效果。

图3 未用果胶酶处理 (a)和用果胶酶预处理 (b)的工业大麻秆纤维束形态 (扩大40倍)Fig．3 The effect of pectin enzyme pretreatment/no pretreatment on fiber morphology of industrial hemp stalk

2.2 果胶酶处理温度对工业大麻秆纤维形态的影响

果胶酶处理温度对工业大麻秆纤维形态的影响见图4。

图4 果胶酶处理温度对工业大麻秆纤维形态的影响Fig．4 The effect of pectin enzyme temperature on fiber morphology of industrial hemp stalk

由图4可以看出，经果胶酶预处理的工业大麻秆与未处理的工业大麻秆相比，纤维长度在0～500 μm时，经果胶酶预处理的纤维长度比未处理的纤维长度要长;纤维长度在500～1 000 μm时，经果胶酶预处理的纤维长度比未处理的纤维长度要短;纤维长度＞1 000 μm时，经果胶酶在40℃和50℃条件下预处理的纤维长度比未处理的纤维长度要短。纤维宽度在0～50 μm时，经果胶酶在40℃和60℃条件下预处理的纤维宽度比未处理的纤维宽度要小;纤维宽度在50～100 μm时，经果胶酶在50℃条件下预处理的纤维宽度比未处理的纤维宽度要小;纤维宽度＞100 μm时，经果胶酶预处理的纤维宽度比未处理的纤维宽度要小。经果胶酶预处理的工业大麻秆纤维束中纤维根数与未处理的相比，样品中含有1根纤维时，经果胶酶在50℃预处理的纤维根数比未处理的多;样品中含有2根和3根纤维时，经果胶酶在40℃和60℃预处理的纤维根数比未处理的多;样品中含有4根纤维及以上时，经果胶酶预处理的纤维根数比未处理的少。可见，工业大麻秆经果胶酶预处理后利用盘磨机分离的纤维与未经果胶酶处理分离的纤维相比具有纤维形态好、1～3根纤维的比例增加的趋势。

用果胶酶预处理工业大麻秆，随着蒸煮温度的升高，工业大麻秆纤维长度在0～500 μm范围内呈降低的趋势，在500～1 000 μm范围内呈先升高后降低的趋势;纤维宽度在0～50 μm范围内呈先升高后降低的趋势，在50～100 μm、＞100 μm范围内呈先降低后升高的趋势;样品中含有1根纤维的根数呈先升高后降低的趋势，样品中含有2根、3根纤维的根数呈先降低后升高的趋势。由此可见，当果胶酶处理温度为50℃时，纤维长度在500～1 000 μm范围内呈减小的趋势，纤维宽度在50～100 μm范围内呈减小的趋势，1～3根纤维比例增加，该处理温度对工业大麻秆纤维分离的效果较好。

2.3 果胶酶浓度对工业大麻秆纤维形态的影响

果胶酶浓度对工业大麻秆纤维形态的影响见图5。

图5 果胶酶浓度对工业大麻秆纤维形态的影响Fig．5 The effect of pectin enzyme concentration on fiber morphology of industrial hemp stalk

由图5可以看出，经不同浓度的果胶酶预处理的工业大麻秆与未处理的工业大麻秆相比，纤维长度在0～500 μm时，经果胶酶在浓度为0．50%和1．00%条件下预处理的工业大麻秆的纤维长度比未处理的纤维长度要长;纤维长度在500～1 000 μm时，经果胶酶在不同浓度条件下预处理的工业大麻秆的纤维长度均比未处理的纤维长度要短;纤维长度在＞1 000 μm时，经果胶酶在浓度为1．00%和1．50%条件下预处理的工业大麻秆的纤维长度比未处理的纤维长度要长。工业大麻秆纤维宽度在0～50 μm时，经果胶酶在浓度为1．00%、1．50%条件下预处理的纤维宽度比未处理的纤维宽度要小;纤维宽度在50～100 μm时，经果胶酶在不同浓度条件下预处理的纤维宽度均比未处理的纤维宽度要大;纤维宽度在＞100 μm时，经果胶酶在不同浓度条件下预处理的纤维宽度均比未处理的纤维宽度要小。经果胶酶预处理的工业大麻秆纤维束中纤维根数与未处理的相比，样品中含有1根纤维时，经果胶酶预处理的纤维根数比未处理的要少;样品中含有2根纤维时，经果胶酶预处理的纤维根数比未处理的要多;样品中含有3根纤维时，经果胶酶在浓度为0．50%、1．00%条件下预处理的纤维根数比未处理的要多;样品中含有4根以上纤维时，经果胶酶在浓度为0．50%、1．00%条件下预处理的纤维根数比未处理的纤维根数要少。可见，工业大麻秆经果胶酶预处理后利用盘磨机分离的纤维与未经果胶酶处理分离的纤维相比具有纤维形态好、2～3根纤维的比例增加的趋势。

用果胶酶预处理工业大麻秆，随着果胶酶浓度的升高，纤维长度在0～500 μm范围内呈先升高后降低的趋势，在500～1 000 μm范围内呈先降低后升高的趋势，在＞1 000 μm范围内呈递增的趋势;纤维宽度在0～50 μm范围内呈先降低后升高的趋势，在50～100 μm和＞100 μm范围内呈先升高后降低的趋势;样品中含有1根和4根以上纤维的根数呈递增的趋势，样品中含有2根纤维的根数呈先降低后升高的趋势，样品中含有3根纤维的根数呈先升高后降低的趋势。由此可见，当果胶酶预处理浓度为1．0%时，纤维长度在500～1 000 μm范围内呈减小的趋势，纤维宽度在0～50 μm范围内呈减小的趋势，2～3根纤维比例增加，该处理浓度对工业大麻秆纤维分离的效果较好。

2.4 果胶酶处理时间对工业大麻秆纤维形态的影响

果胶酶处理时间对工业大麻纤维形态的影响见图6。

图6 果胶酶处理时间对工业大麻秆纤维形态的影响Fig．6 The effect of pectin enzyme time on fiber morphology of industrial hemp stalk

由图6可以看出，经果胶酶预处理的工业大麻秆与未处理的工业大麻秆相比，纤维长度在0～500 μm时，经果胶酶在2 h和3 h条件下预处理的纤维长度比未处理的纤维长度要长;纤维长度在500～1 000 μm时，经果胶酶在2 h和3 h条件下预处理的纤维长度比未处理的纤维长度要短;纤维长度在＞1 000 μm时，经果胶酶在3 h条件下预处理的纤维长度比未处理的纤维长度要长。纤维宽度在0～50 μm时，经果胶酶预处理的工业大麻秆纤维宽度比未处理的纤维宽度要小;纤维宽度在50～100 μm时，经果胶酶预处理的工业大麻秆纤维宽度比未处理的纤维宽度要大;纤维宽度在＞100 μm时，经果胶酶在3 h和4 h条件下预处理的工业大麻秆纤维宽度比未处理的纤维宽度要小。经果胶酶预处理的工业大麻秆纤维束中纤维根数与未处理的纤维根数相比，样品中含有1根纤维时，经果胶酶不同预处理时间的纤维根数比未处理的少;样品中含有2根纤维时，经果胶酶不同预处理时间的纤维根数比未处理的多;样品中含有3根纤维时，经果胶酶在4 h预处理的纤维根数比未处理的少;样品中含有4根以上纤维时，经果胶酶在3 h、4 h预处理的纤维根数比未处理的少。可见，工业大麻秆经果胶酶预处理后利用盘磨机分离的纤维与未经果胶酶处理分离的纤维相比具有纤维形态好、2～3根纤维的比例增加的趋势。

用果胶酶预处理工业大麻秆，随着处理时间的延长，工业大麻秆纤维长度在0～500 μm范围内呈降低的趋势，在＞1 000 μm范围内呈先升高后降低的趋势;纤维宽度在0～50 μm范围内呈先降低后增加的趋势，在50～100 μm范围内呈先升高后降低的趋势，在＞100 μm范围内呈递减的趋势;样品中含有2根纤维的根数呈先降低后升高的趋势，样品中含有3根纤维的根数呈先升高后降低的趋势，样品中含有4根以上纤维的根数呈递减的趋势。由此可见，当果胶酶处理时间为3 h时，纤维长度在500～1 000 μm范围内呈减小的趋势，纤维宽度在0～50 μm范围内呈减小的趋势，2～3根纤维比例增加，该处理时间对工业大麻秆纤维分离的效果较好。

总之，用果胶酶预处理工业大麻秆纤维分离与蒸煮温度、果胶酶的浓度、处理时间有关;经果胶酶溶液处理后，工业大麻秆纤维的细度得到了降低，可能是果胶酶可以有效降低纤维细胞胞间层的结合，使纤维分离的难度降低。在制做纤维板［18］时，纤维分散越好 (即纤维根数越少)，所制成的纤维板的结构越致密、质量越好。经果胶酶溶液处理后的工业大麻秆纤维束，纤维根数减少，有利于制浆造纸［19］。

3 结论

(1)用果胶酶预处理工业大麻秆进行纤维分离，作用温和，对纤维的损伤小，可降低纤维分离的难度，在技术上是可行的。

(2)当果胶酶处理温度为50℃，溶液浓度为1．0%，处理时间为3 h时，纤维长度较长，宽度较小，1～3根纤维比例高，即经果胶酶预处理的工业大麻秆能够使大麻纤维分离变得比较容易进行，单根纤维的比例增加;在本实验中该处理条件最佳。

今后将进一步研究果胶酶对工业大麻秆纤维素微纤丝角和相对结晶度的影响，并通过筛选新的微生物和优化发酵液的方法来制备出适应木材加工专用的高效果胶酶溶液来进一步提高果胶酶在工业大麻秆纤维分离产业中的应用，为实现绿色生物酶法分离纤维奠定基础。

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