乌拉草纤维的漆酶处理工艺优化

王春红，岳鑫敏，白肃跃，王 莹，冉 俊

(天津工业大学纺织学部，天津300387)

乌拉草(Carex meyeriana)，莎草科(Cyperaceae)苔草属(Carex)多年生草本植物。作为一种湿地资源，能够起到调节气候、均化洪水、净化水质、保持物种基因多样化的功能［1-2］。乌拉草昔有“东北三宝”之一的称号，乌拉草的空腔结构使其具有防寒保暖的功效，含有的黄酮类物质及挥发油抑菌物质使其具有除臭抑菌的功效［3-5］。开发乌拉草天然植物纤维，不仅响应“绿色环保，可持续发展”的号召［6］，也有利于提高人们对于湿地资源的保护及合理利用。

目前，提取乌拉草纤维的方法均是化学方法［7-10］，作用较剧烈，易于损伤纤维，探索发现，化学脱胶后乌拉草纤维较脆硬，与其较多的木质素含量(木质素含量19．70%)有关［11］。生物酶脱胶具有专一性强、催化效率高、作用温和、绿色环保等优点［12］。本研究采用漆酶对化学脱胶后的乌拉草纤维进一步处理，力图提取出性能更加优异的乌拉草纤维，有利于其在纺织加工中的应用。

为探索漆酶处理的最佳工艺，本研究采用响应曲面法进行分析，采用多元二次回归方程在自变量与因变量之间建立一定的函数关系，且运用图形技术将这种函数关系显示出来，以供凭借直觉的观察来选择试验设计中的最优化条件。

1 材料与方法

1．1 原料与试剂

乌拉草纤维，为经过2 h 水煮+3 次碱煮(每次碱煮时间为1 h)得到，天津工业大学提供;磷酸氢二钠(含量99%)、柠檬酸(含量99．5%)，分析纯，天津市赢达稀贵化学试剂厂生产;漆酶(酶活10 000 U·g－1)，黄色液体，夏盛纺织有限公司生产;柔软剂(乳白色液体)，上海印染水洗日化助剂。

1．2 试验方法

试验采用Box-Behnken 设计方法［13-15］，根据漆酶使用条件及前期预试验效果，以漆酶用量、溶液pH、温度为因素。设计三因素三水平的响应曲面试验。

其中浴比为1 ∶ 20，漆酶的用量范围为12% ～18%(相对于纤维质量的百分比);溶液的pH 范围为5 ～6，缓冲溶液的配比如表1 所示，采用蒸馏水进行配制，并使用酸碱滴定管对pH 进行微调。设计因素水平编码如表2 所示，表中－1、0、1 代表自变量水平，以纤维木质素含量Y1、纤维直径Y2、断裂强度Y3为评价指标。

表1 缓冲溶液的配比Table 1 The ratio of buffer solution

表2 乌拉草纤维提取的因素水平及编码Table 2 The factor levels and coding of the Carex meyeriana fibers extraction

1．3 测试方法

参照标准《GB 5889 －86 苎麻化学成分定量分析方法》［16］测试纤维的木质素含量。参考标准《SN/T 2672 －2010．纺织原料细度试验方法(直径)显微镜投影仪法》［17］，使用4．0 版生物图像电脑分析系统(北京泰克仪器有限公司)测试纤维的直径，试样个数为30根。参考标准《ASTM D3822 Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers》［18］，使用Instron 万能强力机(美国Instron)测试纤维的断裂强度，试样个数为20 根。

采用Z16APOA 型超景深三维显微系统(徕卡微系统有限公司)对漆酶最优处理前后纤维的整体状态进行观察，观察之前先将约0．5 g 的纤维团置于5 cm的圆筒内，使用200 g 的砝码压2 min，再用镊子轻轻拿出于200 倍的放大倍数下观察，以便于观察纤维的柔软曲折状态。

采用TM-1000 型扫描电子显微镜(日本日立公司)观察纤维的横截面及纵向结构，横截面观察之前使用哈氏切片器和火棉胶制备纤维横截面样品。

采用Nicolet iS50 型傅里叶变换红外光谱仪(Thermo Scientific 有限公司)测试纤维的红外光谱图，测试样品为一团纤维。

采用DB DISCOVER with GADDS 型X 射线衍射仪(美国BRUKERAXS 公司)测试纤维的结晶度，根据Segal 公式计算纤维结晶度:

式中，CrI 为结晶度，I002为主结晶峰002 的最大衍射强度，Iam为2θ=18 °时无定形区衍射峰的强度。

1．4 数据处理及分析

采用Design-Expert 8．0 中的Box-Behnken 方法对响应曲面试验结果进行模型的建立和显著性分析。用Origin 软件对响应曲面试验结果、FTIR 结果及XRD 结果进行画图处理。

2 结果与分析

2．1 响应曲面试验结果与分析

响应曲面法试验结果如表3 所示。其中试验组合是按照表2 的因素水平及编码，通过Box-Behnken 方法设计的，木质素含量、直径、断裂强度是评价指标。

采用Design Expert 软件对试验结果进行回归模型建立，以Y1、Y2、Y3为响应值，以X1、X2、X3为因变量，拟合得到模型1、2 和3(表4)。这3 个模型的R2值分别为0．987 0、0．992 7 和0．985 5，都非常接近1，说明拟合模型可靠性高，Y1、Y2、Y3建立的回归整体模型均为极显著(P ＜0．000 1)。

纤维木质素含量拟合模型方差分析如下:X1、X2、X1X3均为显著影响项(P ＜0．05)(表5)，X3项为极显著项(P ＜0．000 1)。由F 值可得，三因素对乌拉草纤维木质素含量的影响大小为X3＞X2＞X1。

纤维直径拟合模型方差分析如下:X1、X2、X1X3、X2X3均为显著影响项(P ＜0．05)(表5)，且X3、X1X3项为极显著项(P ＜0．000 1)。由F 值可得，三因素对乌拉草纤维直径的影响大小为X3＞X2＞X1。

表3 响应曲面实验结果Table 3 The response surface test results

表4 拟合得到的数学模型Table 4 The mathematical model fitting

表5 方差分析结果Table 5 The result of variance analysis

纤维断裂强度拟合模型方差分析如下:X1、X2均为显著影响项(P ＜0．05)，X3项为极显著项(P ＜0．000 1)。由F 值可得，三因素对乌拉草纤维断裂强度的影响大小为X3＞X2＞X1。

根据方差分析结果，选择其中漆酶用量与温度交互作用于纤维木质素含量、漆酶用量与温度交互作用于纤维直径、pH 与温度交互作用于纤维直径几个显著的因素进行分析。

由漆酶用量和温度对纤维木质素含量的响应面及等高线图看出，在固定的较低温度时，纤维木质素的含量随着漆酶用量的增加呈现缓慢增加的趋势，变化趋势较小，在固定的较高温度下，纤维木质素的含量随着漆酶用量的增加呈先减小后基本不变的趋势。在固定的每一个漆酶用量下，纤维木质素含量随着温度的升高呈先减小后增大的趋势(图1)。

由漆酶用量和温度对纤维直径的响应面及等高线图看出，在固定的较低温度时，纤维直径随着漆酶用量的增加呈现缓慢增加的趋势，变化较小，在固定的较高温度下，纤维直径随着漆酶用量的增加呈先减小后增大的趋势。在固定的每一个漆酶用量下，纤维直径随着温度的升高呈先减小后增大的趋势。因素对纤维直径的影响与对纤维木质素含量的影响呈现相似的变化趋势，是因为木质素去除的越多，纤维脱胶越好，分散程度越好，间接影响纤维直径的变化(图2)。

图1 AC 因素对纤维木质素含量的响应面及等高线图Fig．1 Lignin response surface and contour plot of AC

图2 AC 因素对纤维直径的响应面及等高线图Fig．2 Diameter response surface and contour plot of AC

图3 BC 因素对纤维直径的响应面及等高线图Fig．3 Diameter response surface and contour plot of BC

由pH 和温度对纤维直径的响应面及等高线图看出，在其中一个因素固定(pH 或温度)，纤维直径随着另外一个因素(温度或pH)的增加均是呈现先较小后增大的趋势(图3)。

由Design Expert 软件分析得到乌拉草纤维在漆酶用量14．44%，pH 为5．46，温度为46．69 ℃时的综合性能最优，预测得到的纤维木质素含量为7．38%，直径为41．65 μm，断裂强度为201．92 MPa。受试验条件限制，验证试验的参数设置为:漆酶用量14%，pH 为5．5，温度为47 ℃，得到的纤维木质素含量为7．71%，纤维直径为40．06 μm，断裂强度为203．46 MPa。试验值与预测值非常接近，证明了预测的可靠性。

2．2 乌拉草纤维的超景深测试结果与分析

超景深三维显微系统测试可以解决相机拍摄的放大倍数、清晰度不够的问题;解决扫描电镜观察立体物时，不能使整个物体清晰地呈现在同一张图片的不足。

从漆酶处理前后乌拉草纤维的超景深三维图(图4)可以看出，处理前的乌拉草纤维的细度均匀度差，纤维粘连在一起形成粗的纤维束，而处理后的乌拉草纤维细度均匀度好，纤维较细，且纤维脱胶更好，更加分散。在相同时间、相同压力作用下，处理前的乌拉草纤维产生较明显的折痕，而处理后的乌拉草纤维弯曲较自然，因此，处理后的乌拉草纤维较漆酶处理前的乌拉草纤维更加柔软。

2．3 乌拉草纤维的扫描电镜测试结果与分析

图4 乌拉草纤维的超景深图片Fig．4 The image of the Carex meyeriana fibers

图5 乌拉草纤维的横截面图Fig．5 The cross section diagram of the Carex meyeriana fibers

图5a 为漆酶处理后乌拉草纤维放大2 000 倍的横截面图，图5b为放大4 000倍的横截面图。可以看到，处理后乌拉草的单纤维细胞状态，纤维横截面为不规则的多边形，内部有中腔结构，这种结构可以使纤维内含静止空气，在寒冷的天气中，起到隔热保暖的效果。中腔结构还有益于发挥纤维的毛细作用，使织物具有优异的吸湿散湿性。图6 为乌拉草纤维漆酶处理前后的纵向图，可以看到，漆酶处理前，纤维已经产生分丝效果，但是纤维之间还有很多点状胶质将其粘结在一起形成束纤维，难于分离;而经过漆酶处理后束纤维逐渐得到分离，呈现明显的单纤维状态，表面的胶质也得到去除，说明乌拉草内的木质素得到了有效的去除。单纤维之间呈现出大量较明显的缝隙及孔隙，这种结构使得纤维内富含氧气，起到透湿吸湿的效果，同时可以使在潮湿环境下生存繁殖的霉菌类代谢及生理活性受到抑制难以生存。

2．4 乌拉草纤维的FTIR 测试结果与分析

观察漆酶处理前后乌拉草纤维的红外光谱图(图7)，其中在3 315 cm－1处的特征吸收峰为OH 的伸缩振动、2 915 cm－1处带有肩峰的吸收峰为CH 的伸缩振动，1 265 cm－1处为CH 的弯曲振动，1 030 cm－1处为环状C － O － C 的C － O 伸 缩 振 动，808 cm－1处 为CH2(CH2OH)非平面摇摆振动，均归属于纤维素的特征吸收峰。在1 737 cm－1处为非共轭羰基振动，归属于半纤维素。1 616、1 515 cm－1处的吸收峰为芳香环的骨架振动，归属于木质素。

漆酶处理前后乌拉草纤维在3 315、2 915、1 265、1 030 和808 cm－1处的吸收峰强弱变化微小，说明乌拉草纤维中的纤维素含量基本没有变化;漆酶处理后的乌拉草纤维在1 737、1 616、1 515 cm－1处，吸收峰强度明显减弱，且在漆酶处理后，这些基团的吸收峰相较于漆酶处理前更加平滑，说明经过漆酶脱胶处理后，乌拉草内的非纤维素物质得到了有效的去除。

图6 漆酶处理前(a)、后(b)乌拉草纤维的纵向图Fig．6 Longitudinal figure before(a)and after (b)the laccase treatment

图7 乌拉草纤维的FTIR 图Fig．7 The FTIR figure of the Carex meyeriana fibers

2．5 乌拉草纤维的XRD 测试结果与分析

从漆酶处理前后乌拉草纤维的XRD 图(图8)可以看出，乌拉草纤维的X 射线衍射曲线未发生明显的偏移现象，表现为典型的纤维素Ⅰ结构。

由Segal 公式计算后得到漆酶处理前的乌拉草纤维结晶度为57．09%，漆酶处理后的乌拉草纤维的结晶度为64．53%。漆酶处理后的乌拉草纤维的结晶度有明显增加，主要是因为漆酶处理去掉了纤维内大量的木质素，导致纤维内的非结晶区减少，纤维内部的分子有序程度提高，结构更加规整，分子排列比较有序。

图8 乌拉草纤维的XRD 图Fig．8 The XRD figure of the Carex meyeriana fibers

3 讨论与结论

在响应曲面法优化乌拉草纤维的漆酶脱胶工艺中，生物酶的催化效率与生物酶用量有很大关系，当生物酶用量过低时，达不到较好的催化效果，生物酶用量过高时，将会使分子碰撞的几率减小，也会达不到较好的脱胶效果，且浪费试剂。pH 对酶的催化反应速度有很大的影响，不同的酶都有各自不同的pH 适用范围，只有在特定的pH 条件下，酶和底物才会发生反应并发生催化作用，当pH 高于或低于适用的特定值时，反应速度则会下降，达不到最佳的效果。温度对酶的催化反应效率也有很大影响，酶属于蛋白质物质，随温度升高容易变性，而温度过低，又达不到较好的催化效果，因此，酶的催化作用需要适宜的温度条件［19］。因此，会出现图1、2、3 所示的变化趋势。单独的漆酶用量、pH、温度对乌拉草纤维的木质素含量、直径、断裂强度均影响显著(P ＜0．05)，而只有漆酶用量与温度交互作用于纤维木质素含量、漆酶用量与温度交互作用于纤维直径、pH 与温度交互作用于纤维直径时表现为显著(P ＜0．05)。

生物酶脱胶相比于化学脱胶来说更加环保、高效，且生物酶作用温和，不易损伤纤维。而目前乌拉草纤维的脱胶方法主要都是以化学脱胶为主，王均有［7］采用高温高压、加入氢氧化钠蒸煮2 ～4 h，并采用次氯酸钠进行两次漂白得到乌拉草纤维丝，细度为26 支左右;于丽红等［8］采用碱氧－浴法提取乌拉草纤维，由于过程中不添加任何化学助剂，存在试剂作用不充分，会氧化纤维素从而对纤维产生破坏作用;王春红等［9］采用超声波+碱氧－浴进行乌拉草纤维的提取，超声波处理前进行水煮+浸泡12 h 以上，超声波及碱氧－浴均采用大浴比(1∶ 75)，碱氧－浴过程加入多种助剂，得到的乌拉草纤维直径47．19 μm;孙颖等［10］采用双氧水预处理+二煮提取乌拉草纤维，碱煮的时间分别为2、3 h，得到的乌拉草纤维的细度为2．83 tex，断裂强度为3．40 cN·dtex－1，残胶率为9．57%。以上化学脱胶均存在脱胶时间较长，不环保，成本高的缺点。本研究采用漆酶对化学脱胶后的乌拉草纤维进行处理，化学脱胶采用2 h 水煮+3 次碱煮(碱煮时间均为1 h)，且3 次碱用量分别为12、6、4 g·L－1，在缩短了化学处理时间及用量的基础上，加入漆酶进行脱胶，进一步去除乌拉草内的木质素。漆酶是一类可降解木质素的含铜多酚氧化酶［20］，研究证明，漆酶最优工艺处理后乌拉草纤维的木质素含量由19． 7% 降低到7．71%，降低了60．86%;直径由77．40 μm 减小到40．06 μm(2．23 tex)，减小了48．24%;断裂强度由132．37 MPa 升高到203．46 MPa，提升了53．71%，从数据上直观地表征了漆酶最优处理前后乌拉草纤维的性能。说明漆酶处理有利于去除乌拉草纤维内的木质素，且相比于单独地使用大量化学试剂处理，本研究在缩短化学处理时间及用量的基础上，采用漆酶处理作用缓和均匀，更有利于得到性能优异的乌拉草纤维，利于环境保护。同时采用超景深三维测试、扫描电镜、FTIR、XRD 技术间接地表征乌拉草纤维的性能。证明漆酶处理后纤维的胶质得到进一步去除，非纤维素物质得到有效的去除，使得漆酶处理后的乌拉草纤维细度更细，柔软度得到改善，纤维分散程度好，纤维的结晶度明显改善，断裂强度得到大幅度提升，说明漆酶的作用效果较明显。

乌拉草在纺织方面的应用早有研究，乌拉草鞋垫、床垫、坐垫、护膝、护腰、凉席等目前都有市售，但是其产品大多较粗硬、应用范围较窄。本研究提取的细度较细、柔软性能较好的乌拉草纤维，更加有利于乌拉草纤维在纺织加工中的应用。

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