漆酶去除桑皮木质素工艺探索
2015-12-02崔运花
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