香蕉假茎化学成分含量分析及生物酶脱胶工艺探讨与实践

梁 冬，吴舒红，张培珊，沈思婷

（广东职业技术学院，广东 佛山 528041）

我国南方是香蕉的主要产地，香蕉假茎茎皮中纤维较长，可用于纺织或纸张加工，但可惜的是，每年有约3×106t 的香蕉假茎作为废弃物被浪费[1]。香蕉假茎茎皮化学组成定量分析是纤维提取的基础,可以确定其最适合用于纺织纤维加工的部位[2]。茎皮中纤维素含量的高低直接影响其在纺织领域的开发利用价值，纤维素含量高可减少纤维提取中化学品的使用，降低成本及减少环境污染，且得到各项性能指标优良的香蕉假茎纤维，还对脱胶工艺起指导的作用[3]。香蕉假茎茎皮纤维的脱胶方法主要有机械法、传统浸渍法和化学法：机械法制取的纤维含杂量高，对纤维的损伤大；传统浸渍法时间长，纤维质量不稳定；化学法需用到大量的化学试剂，不利于环境生态保护。经实验证明，生物酶脱胶法既能较好地去除胶体，不损伤纤维，使纤维保持良好的物理机械性能，又不会对环境造成污染[4-5]。

1 实验部分

1.1 原料

初晾香蕉假茎（产地为广东省高州市泗水镇）。

1.2 实验仪器与试剂药品

仪器：BSA224S 型电子天平[赛多利斯科学仪器（北京）有限公司]；索氏提取器（250mL 球型）；圆底烧瓶（500mL）；球型冷凝管（250mL）；抽滤瓶（1000mL）；N03-3 型玻璃砂芯滤器（天长市东晟实验设备有限公司）。

试剂药品：果胶酶（KDN-T01F，上海康地恩生物有限公司）；氢氧化钠（化学纯）、硫酸（化学纯）、草酸铵（化学纯）、苯（化学纯）、无水乙醇（化学纯）、氯化钡（化学纯，广州市海珠化学试剂有限公司）。

1.3 香蕉假茎化学成分的定量分析方法

参照GB5889-86《苎麻化学成分定量分析方法》，对香蕉假茎化学成分进行定量分析。

2 结果与讨论

2.1 香蕉假茎成分分析

2.1.1 香蕉假茎含水率的测定

初晾后的香蕉假茎外层、中间层、里层茎皮分别剪成小块，混合均匀，用电子分析天平称取5g 试样，放入105～110℃的电热干燥箱中，烘至恒重，冷却后称重。

含水率计算如式（1）所示。

式中：m——试样的含水率，%；

G——试样湿重，g；

G0——试样干重，g。

初晾香蕉假茎含水率见表1，由表1 可知，在相同条件下，香蕉假茎里层茎皮的含水率比外层的高，表明越往假茎中心的茎皮，其水份含量越高，可利用率越低。

表1 初晾香蕉假茎含水率

2.1.2 脂蜡质含量

含水率测定后的试样放入索氏提取器内，比溢流口低约8～12mm。在圆底烧瓶内加入苯与乙醇混合溶液150mL（体积比2∶1）[6]，加热恒温，控制在4～6 次/h 的回流速度。从有液滴在出液管口滴落开始计时，共3h。取出试样，在通风橱风干，再在102～108℃的烘箱中烘至恒重[7]。冷却后称量。按下式（2）计算∶

式中∶W1——脂蜡质的含量，%；

G0——测定脂蜡质前的干重,g；

G1——测定脂蜡质后的干重，g。

由表2 可知，香蕉假茎里层茎皮的脂蜡质含量比外层的低。

表2 香蕉假茎脂蜡质含量

2.1.3 水溶物含量

脂蜡质提取后,试样放入装有200mL 去离子水的圆底烧瓶中，装上球型冷凝管，煮沸1.5h 后,更换离子水，再煮沸2.5h，将试样取出洗涤干净。干燥至恒重，冷却后称量。按下式（3）计算：

式中∶W2——水溶物的含量，%；

G1——测定脂蜡质后的干重，g；

G2——测定水溶物后的干重，g；

G0——测定脂蜡质前的干重,g。

由表3 香蕉假茎水溶物含量可知，香蕉假茎里层茎皮的水溶物含量比外层的高。

表3 香蕉假茎水溶物含量

2.1.4 果胶物质含量

经水溶物测定后的试样放入装有200mL、质量浓度为6g/L 的（NH4)2C2O4溶液的圆底烧瓶中，装上球型冷凝管，煮沸3.5h。将试样取出洗涤干净，干燥至恒重，冷却后称量。按下式（4）计算：

式中∶W3——果胶物质的含量，%；

G2——测定水溶物后的干重，g；

G3——测定果胶物质后的干重，g；

G0——测定脂蜡质前的干重,g。

由表4 可知，香蕉假茎里层茎皮的果胶物质含量比外层的高。

表4 香蕉假茎果胶物质含量

2.1.5 半纤维素含量

将测定果胶后的试样，放进加有200mL 质量浓度为20g/L 的NaOH 溶液的圆底烧瓶中，用球型冷凝管回流，煮沸3.5h，取出洗涤干净，烘至恒重，冷却后称量。按下式（5）计算∶

式中∶W4——半纤维素的含量，%；

G3——测定果胶物质后的干重，g；

G4——测定半纤维素后的于重，g；

G0——测定脂蜡质前的干重，g。

由表5 中的香蕉假茎半纤维素含量可知，香蕉假茎里层茎皮的半纤维素含量比外层的高。

表5 香蕉假茎半纤维素含量

2.1.6 木质素含量

称取经脱脂蜡质风干后试样1g，放入带塞三角烧瓶内，烘干至恒重，冷却后称量。在三角烧瓶中缓慢加入30mL 质量浓度为72%的H2SO4溶液，在10～15℃条件下静置24h，转移至圆底烧瓶内，用去离子水稀释至300mL，用球型冷凝管回流，煮沸1h。冷却后用玻璃砂芯过滤器多次抽滤、洗涤，至滤液中不含SO42-。将玻璃砂芯滤器干燥至恒重，冷却后称量。

按式（6）计算∶

式中∶W5——样品中木质素含量，%；

G′′——木质素与玻璃砂芯滤器总干重，g；

G′——玻璃砂芯滤器干重，g；

G0′′——试样与带塞三角烧瓶总干重，g；

G0′——带塞三角烧瓶干重，g。

由表6 的香蕉假茎木质素含量可知，香蕉假茎里层茎皮的木质素含量比外层的低。

表6 香蕉假茎木质素含量

2.1.7 纤维素含量

根据上面各化学组成含量的测定值，按式（7）计算∶

式中∶W6——香蕉茎纤维素含量，%；

W1——试样的脂蜡质含量，%；

W2——试样的水溶物含量，%；

W3——试样的果胶物质含量，%；

W4——试样的半纤维素含量，%；

W5——试样的木质素含量，%。

由表7 的香蕉假茎纤维素含量可知，香蕉假茎外层的纤维素含量最高，有利于加工成纺织纤维,可利用率高。

表7 香蕉假茎纤维素含量

2.1.8 灰分含量

在白瓷坩埚中放入2g 的试样，烘至恒重，冷却后称量。含试样的白瓷坩埚放进575℃的高温电炉中灼烧。当灰烬为白色或浅灰色时停止灼烧。炉温下降至250℃以下时取出，在隔热垫上冷却3～5min 后放入干燥器，冷却后称量。按式（8）计算∶

式中∶Wh——灰分含量，%；

G0′——白瓷坩埚干重，g；

G′——试样与白瓷坩埚总干重，g；

G′′——试样灰份与白瓷坩埚总干重，g。

由表8 的香蕉假茎灰份含量可知，香蕉假茎里层茎皮的灰份含量比外层的低。

表8 香蕉假茎灰份含量

实验数据表明，香蕉假茎茎皮中外层的纤维素含量高，达到70%左右，中层纤维素含量为60%左右，可提取纤维作为纺织原料。而里层的纤维素含量仅为48%，其他非纤维物质含量较高（又称为“胶质”，含半纤维素、木质素、果胶质、脂肪蜡质等），可利用率低。由于胶质与纤维伴生在一起，需将纤维与胶质剥离，称为脱胶。

2.2 生物酶脱胶工艺

2.2.1 预处理

香蕉假茎外层茎皮经预处理，处理工艺为∶3g/L 硫酸溶液、2h、50℃、浴比1∶20。

2.2.2 单因子分析

2.2.2.1 脱胶酶质量浓度对脱胶效果的影响

生物脱胶酶在不同质量浓度条件下对香蕉茎外层茎皮进行处理。

工艺条件∶浴比1∶30，pH=9，时间10h,温度50℃。测定处理后香蕉茎的残胶率[8]。

从表9 的不同浓度生物脱胶酶处理后香蕉假茎外层茎皮的残胶率可知，随着生物脱胶酶浓度的增加，残胶率下降，当浓度达到15g/L 后，残胶率不再下降。

表9 不同浓度生物脱胶酶处理后香蕉假茎外层茎皮的残胶率

2.2.2.2 脱胶时间对脱胶效果的影响

脱胶时间不同条件下对香蕉茎外层茎皮进行处理,工艺条件∶脱胶酶浓度15g/L，浴比1∶30，pH=9,温度50℃。测定处理后香蕉茎的残胶率[8]。

表10 不同脱胶时间处理后香蕉假茎外层茎皮的残胶率

从表10 的不同脱胶时间处理后香蕉假茎外层茎皮的残胶率可知，随着脱胶时间的增加，残胶率下降，当10h 后，残胶率不再明显下降。

2.2.2.3 脱胶溶液温度对脱胶效果的影响

脱胶溶液温度不同条件下,工艺条件∶脱胶酶溶液质量浓度15g/L，浴比1∶30，pH=9,时间10h，测定处理后香蕉茎的残胶率[8]。

从表11 的不同脱胶温度处理后香蕉假茎外层茎皮的残胶率可知，随着生物脱胶酶溶液温度的增加，残胶率下降，当温度达到50℃后，残胶率不再明显下降。

表11 不同脱胶温度处理后香蕉假茎外层茎皮的残胶率

2.2.2.4 溶液pH 值对脱胶效果的影响

将试样放到不同pH 溶液中进行脱胶，工艺条件∶脱胶酶溶液质量浓度15g/L，浴比1∶30，时间10h，温度50℃[8]。

从表12 的不同pH 脱胶酶溶液处理后香蕉假茎外层茎皮的残胶率可知，随着生物脱胶酶溶液pH 的增加，残胶率下降，当pH=9 后，残胶率不再明显下降。

表12 不同pH 脱胶酶溶液处理后香蕉假茎外层茎皮的残胶率

3 结语

香蕉假茎茎皮中由外到里胶质含量（木质素、半纤维素、果胶物质、脂蜡质、水溶物）增高，纤维素降低；香蕉假茎中、外层茎皮纤维素含量达61%～71%，有开发利用价值，可用于提取纺织纤维；生物酶脱胶最佳工艺为：脱胶酶溶液浓度15g/L，时间10h，温度50℃，pH=9。综上所述，香蕉茎皮中的化学组成与麻相近，中、外层茎皮的纤维素含量高，采用生物酶脱胶的方法可制得残胶率低的天然植物纤维。香蕉假茎茎皮纤维的制取，既可使废弃农产品得以有效利用，又拓展了天然纺织原料的来源。