摘 要：为推进亚麻纤维的绿色化生产，将漆酶介体系统应用于亚麻机落的脱胶，并引入EDTA增强系统的脱胶效果。文章通过对漆酶/TEMPO脱胶系统中温度、pH值、浴比、时间、漆酶质量浓度、TEMPO质量浓度进行探究，确定了在温度55℃、pH值4．0、浴比1︰20、脱胶时间4h、漆酶质量浓度1．5U/mL，TEMPO质量浓度为0．2g/L的条件下，漆酶/TEMPO体系对木质素的去除效果最好。并在此条件下，辅助添加20mmol/L的EDTA，脱胶后亚麻表面非纤维素物质明显减少，可观察到单根纤维状态，木质素去除率可达56．74%，且纤维无明显损伤，强力基本保留。
关键词：亚麻；脱胶；漆酶；TEMPO；工艺；亚麻纤维
近年来，亚麻纤维以吸湿排汗、抗虫害霉腐、耐磨抗静电等一系列优良特性和它的多领域适用性引起了广泛关注，它是一种高强高模的优秀纺织材料，但亚麻机落中除纤维素外还含有25%～36%的非纤维素类物质(即“胶质”)，导致纤维粗硬［1］，阻碍了亚麻纤维的进一步开发利用。木质素作为胶质的主要成分，其含量的多少严重影响亚麻纤维的手感和颜色，木质素含量越高，亚麻纤维的颜色越深，手感越粗硬。木质素作为纤维间及微原纤间的“黏合剂”，与纤维素和半纤维素之间存在化学键合作用，所以去除难度较大，成为亚麻脱胶中的重难点。
漆酶是一类含铜的多酚氧化酶，是有效的木质素降解酶，可以高效专一地催化木质素氧化分解，最终将分子氧化成水并且无其他副产物，有“绿色催化剂”的美称［2］。根据氧化还原电位的大小，漆酶可以分为低氧化还原电位(对标准氢电极～430mv)、中氧化还原电位(470～710mv)和高氧化还原电位(780mv)漆酶［3］。其中，漆酶的氧化还原电位越高，单电子传递就越多，对木质素的氧化作用也就越强。但对于木质素中较为复杂的非酚型结构(氧化还原电位大于1300mV)，漆酶整体的氧化还原电位较低，氧化能力有限，且漆酶的铜离子活性中心深埋于分子内部，阻碍了底物分子将电子传递到漆酶，因此就需要小分子介体的帮助以构成漆酶介体系统(Laccase mediator system，LMS))［4］。
1990年Bourbonnais和Paice首次提出了漆酶介体系统(LMS)，这大幅提高了漆酶的功能并增强了其催化氧化的性能［5］。现如今，常用的介体大致分为三大类，分别为天然介体［6-11］、合成介体［12-14］和其他介体［15］，他们被广泛应用于造纸领域，以去除纸浆中的木质素成分，从而提高纸张的使用性能。陆新宗等［16］使用LMS系统对杨木CTMP浆进行生物酶处理，在一定条件下，纸浆中的残余木素可被氧化降解。仲伟海［17］发现使用LMS系统处理纸浆，使得残余木素的数均分子量降低，其多分散性由2．35减小到1．98，表明LMS使得纸浆中分离出的木素发生降解。
LMS系统对木质素降解有显著作用，并且应用于麻类脱胶的报道较少。本文将漆酶应用于亚麻的脱胶研究，采用TEMPO作为小分子介体［14］，它可与漆酶构成LMS系统针对性去除亚麻纤维中的木质素成分，并系统探究了LMS系统应用于亚麻脱胶的工艺条件及效果。
1 实验
1．1 材料与仪器
亚麻落麻纤维(常州美源亚麻纺织有限公司)，漆酶Pycnoporus sp［18］(生物试剂，Activity 40U/mL)、氢氧化钠、草酸铵、乙二胺四乙酸二钠(EDTA)(AR，上海泰坦科技股份有限公司)，乙酸钠、乙酸、氯化钡、二水、硫酸(AR，国药集团化学试剂有限公司)，2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEM-PO)(阿拉丁控股集团)，98% 2，2'-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)(AR，北京伊诺凯科技有限公司)。
YG011N型束纤维强力仪(意大利MESDAN)，JN-B型精密扭力天平(常州市中纤检测仪器设备有限公司)，紫外分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)，Nicolet is10型傅里叶变换红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技(中国)有限公司)，D2 PHASE RX射线衍射仪(德国布鲁克AXS有限公司)，SU1510型扫描电子显微镜(日本日立株式会社)，pH值测试笔(希玛仪表)，索氏提取器(上海申迪玻璃仪器有限公司)，GZX-9030MBE电热鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司)，HH-4数显恒温水浴锅(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)。
1．2 方法
1．2．1 漆酶/TEMPO脱胶工艺
将亚麻纤维在105℃烘干至恒重。将一定量的漆酶、TEMPO提前放入0．1mol/L乙酸—乙酸钠缓冲液中预热溶解。然后将恒重的亚麻纤维浸入配制好的溶液中，在适宜的温度和pH值条件下进行处理，其间每一个小时搅拌一次，使得纤维与酶液之间充分接触反应，并增加溶液中的氧气含量，处理后将亚麻纤维在分样筛中洗净，放置于105℃烘箱中烘至恒重。
1．2．2 EDTA辅助漆酶/TEMPO体系脱胶
将亚麻纤维在105℃烘干至恒重。将一定量的漆酶、TEMPO、EDTA提前放入0．1mol/L乙酸—乙酸钠缓冲液中预热溶解。然后将烘干的亚麻纤维浸入配制好的溶液中，在1．2．1中的最适工艺条件下，研究EDTA添加量对亚麻脱胶效果的影响。
1．3 测试方法
1．3．1 失重率
将处理前的亚麻灰抖落，105℃烘至恒重，用称量瓶放置于干燥皿中，冷却平衡30min。处理后的亚麻纤维在分样筛中洗净，溶液也过筛后，置于烘箱中105℃烘至恒重，用称量瓶放置于干燥皿中，冷却平衡30min。
式中：N为失重率，%；m为亚麻处理前质量，g； m'为亚麻处理后质量，g
1．3．2 木质素含量检测
采用硫酸水解法(Klason法)［19］：取约重1g提取脂蜡质后的样品，105℃烘至恒重后迅速放到干燥皿中冷却称重，后加入15mL72%的硫酸，置于磁力搅拌器上，25℃，180r/min搅拌2h，搅拌结束后将悬浮液漂洗入圆底烧瓶，加蒸馏水稀释至150mL，连接冷凝管并蒸煮回流4h。用已知质量的砂芯滤器趁热抽滤混合液，加热水洗涤过滤残渣至最后滤出的洗液滴加10%的氯化钡溶液不再产生白色沉淀，再用pH值试纸检查滤液不再显酸性为止。取下砂芯滤器烘至恒重，迅速取出放到干燥皿中冷却称重，每个样品设置3组平行实验。
式中：L为木质素含量，%；M″为处理后砂芯滤器和木质素的总质量，g； M'为砂芯滤器的质量，g； M为处理前的亚麻质量，g。
1．3．3 残胶率、化学成分检测
按照GB5889-1986《苎麻化学成分定量分析放法》测定其化学成分含量和残胶率，每个样品设置3组平行实验。
1．3．4 漆酶酶活力检测
先配制好0．5mmol/L的ABTS溶液，将配制好的溶液在待测温度下进行预热，再将酶液用乙酸—乙酸钠缓冲液稀释500倍。测定酶活时，取2．9mL的已预热ABTS溶液和0．1mL稀释酶液置于比色皿中，上下翻转2次使漆酶溶液和底物充分混合。用紫外分光光度计记录在420nm处每隔15s吸光度增加的值，吸光度值在0．1～1．0为有效值，每个温度下测3次，取平均值。
式中：U为漆酶酶活，U/mL； ΔOD为吸光度变化值；V为酶液和ABTS溶液总体积，mL； A为酶液稀释倍数；X为比色皿光径，cm； t为时间，min； ζ为0．036；V'为酶液体积，mL。
1．3．5 束纤维强度测试
束纤维测量法具有测试方法简便、结果离散性小等优点，对于亚麻这种由于“半脱胶”工艺而难以定义单根工艺纤维，且工艺纤维之间强度离散较大的材料来说，束纤维强力测量法相较于单根纤维强力测试法更具有说服性和代表性。具体操作为：将待测样品手扯4～6次，再用9针/cm的钢梳梳理4～6次，将整理好的麻束样品使用束纤维强力仪测试，其中夹持距离为0．1mm(近似零隔距)。
式中：F为束纤维强度，cN/tex； P为束纤维断裂强力，cN； L为切断纤维的长度，mm； G为切断纤维的质量，mg。
1．3．6 表观形貌测试
将待测样品用导电胶黏在铜板上(尽量保证不上下重叠)，经过喷金处理后，采用扫描电子显微镜在加速电压为5kV的条件下观察亚麻纵向形貌特征。
1．3．7 傅里叶红外光谱测试
使用傅里叶变换红外光谱仪检测处理后纤维的红外光谱。在4000～600cm－1内进行总共30次扫描，分辨率为0．4cm－1。
1．3．8 X射线衍射测试
X射线衍射分析的扫描范围2θ为5°～55°，扫描速率为5°/min
2 结果与分析
2．1 漆酶/TEMPO脱胶体系工艺
2．1．1 脱胶最适温度的确定
按照1．3．4的方法，测定漆酶在pH值为5．0的缓冲液中，温度分别在45、50、55、60、65℃时的酶活，结果如图1所示。
由于酶是蛋白质，有特殊的空间构型，通过活性中心与底物结合并将其分解，因此漆酶活力越高，则它对木质素的去除效果越明显。由图1可知，酶的活性先随着温度的升高而增大，达到55℃时酶的活性最大，再继续升高温度则酶的活性迅速下降，说明本实验所用漆酶的最适温度为55℃。因此，后续实验温度控制在55℃。
2．1．2 脱胶最适pH值的确定
由厂家提供的信息可知，该漆酶的最适pH值为3．0～6.0，在该范围内测得的漆酶酶活如图2所示。图3是亚麻纤维在温度55℃、浴比1︰30、时间6h、TEMPO质量浓度0．15g/L、漆酶质量浓度0．2U/mL的条件下，pH值对亚麻木质素含量和失重率的影响。
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图2中，当pH值为3．5和4．0时，酶的活力值最大，随着pH值的增大，酶活力不断降低，因此该漆酶属于酸性酶。由图3可知，不同pH值下的样品木质素含量与酶活力的趋势基本吻合，酶的活力值越大，去除木质素的效果越好。因此，在pH值3．5的条件下，漆酶/TEMPO体系去除木质素的效果最好，在pH值4．0时次之。失重率的变化也与木质素含量变化相吻合，木质素含量越低，则其去除量越大，对应失重率越大，同时在偏酸性时，失重率维持在一个较高的水平，可能是由于在酸性条件下，对纤维素的损伤较大，导致其失重率较大。考虑纤维素对酸的耐受较小，酸性越强会对纤维素造成越大的损伤，失重率偏高，进而使纤维强力降低，影响成纱质量。所以，综合考虑选择pH值4．0作为实验条件。
2．1．3 脱胶最适浴比的确定
在亚麻纤维被完全浸没的前提下，探索在温度55℃、pH值4．0、时间6h、TEMPO0．15g/L、漆酶0．2U/mL时，浴比大小对木质素去除量的影响，设置五个浴比梯度(图4)，分别为1︰20、1︰25、1︰30、1︰35、1︰40。
图4中，随浴比的增大，残余木质素含量呈现先上升后下降的趋势。浴比越小，底物浓度大。可以看出，浴比较小(底物浓度较大)时，单位体积内的亚麻纤维数量较大，与反应液充分接触，去木质素的效果较好；浴比较大(底物浓度较小)时，虽然单位体积内纤维数量少，但是纤维之间的空隙较大，亚麻纤维很大程度地暴露在反应液中，有充分接触的空间，去木质素的效果也比较好；浴比处于中间值时，既不能保证单位体积内的纤维数量，又不能保证纤维之间的空隙，所以去木质素效果较差。因此，从经济成本和环境保护方面考虑，最终选择的脱胶浴比为1︰20。失重率的变化基本与木质素含量的变化吻合，木质素含量越高，失重率越小，反之则越大。
2．1．4 脱胶最适加酶量的确定
在设置本漆酶质量浓度梯度实验之前，对漆酶质量浓度进行了预探索，发现漆酶质量浓度设置在0．5～2．5U/mL对木质素的去除效果较好。在温度55℃、pH值4．0、浴比1︰20、时间6h、TEMPO0．15g/L时，探究不同质量浓度漆酶对亚麻木质素的去除效果，结果如图5所示。
图5中，对比没有添加漆酶的实验组，添加漆酶的实验组木质素含量有大幅下降的趋势，且木质素残余率随漆酶质量浓度的增加呈现出先减小后增加的趋势，漆酶质量浓度并不是越高越好。可以看出在加入小质量浓度漆酶阶段，随着漆酶质量浓度的增加，木质素残余率越来越低，在1．5U/mL时达到最低，这是由于漆酶的质量浓度越高，参与反应的漆酶分子就越多，氧化还原反应剧烈发生，木质素降解的程度比较大［20］。但随着漆酶质量浓度的继续增加，木质素的去除效果反而不好。一种解释认为漆酶在降解木质素时以氧气作为氧化剂，该反应是气、液、固都参与的非均相反应体系［3］，漆酶质量浓度的增加会使溶液中溶质浓度增大，从而使溶液中的氧气含量减少，氧化剂不足，因此酶过量会导致去除木质素的效果下降。另一解释认为过量的漆酶使木质素发生再聚合［21］，因此，最终选择的脱胶漆酶质量浓度为1．5U/mL。
2．1．5脱胶最适TEMPO质量浓度的确定
在温度55℃、pH值4．0、浴比1︰20、时间6h、漆酶质量浓度为1．5U/mL时，探究TEMPO质量浓度分别为0、0．5、1.0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5g/L时对亚麻木质素的去除效果。
木质素去除率随TEMPO质量浓度的变化如图6所示。不加TEMPO时，去除木质素的效果不理想。加入微量TEMPO后，增强效果不是很明显，继续增大TEMPO的质量浓度时，会使木质素的含量进一步降低。这是由于酶分子较难靠近木质素大分子，而TEMPO作为一种具有高电子传输效率的小分子介体，易发生氧化还原反应，可以很快将电子传递给木质素分子，增强反应效果［22］。但当TEMPO的质量浓度超过0．25g/L时，木质素去除效果开始变差。原因有以下几点：一是TEMPO本身是一种微毒物质，大量以氧化态的自由基形式存在时会对本质是蛋白质的漆酶造成影响，导致蛋白质变性失活［3］。二是由于TEMPO质量浓度的增加会导致溶液中氧气含量降低，影响反应的进行。
TEMPO质量浓度梯度实验下的失重率变化没有很好地和木质素含量变化吻合上。从图6可以看出，TEMPO质量浓度在0．2g/L之前，失重率随TEMPO添加量增大而增大，在超过0．2g/L时，失重率开始随TEMPO的增多而急剧下降。这是由于TEMPO对纤维素具有选择性氧化的特点，它可以在反应过程中高度选择氧化纤维素大分子中特定位置的羟基，有效减少了氧化反应过程中纤维素的降解，从而提高纤维的物理性能［22］，所以在TEMPO的质量浓度超过0．2g/L时，其对纤维的保护作用大于其传递电子的作用，导致其失重率不升反降。
综上所述，考虑到TEMPO的成本较高等问题，且TEMPO质量浓度在0．25g/L和0．2g/L时木质素含量变化并不大，所以最终选择TEMPO质量浓度为0．2g/L。
2．1．6 脱胶时间的确定
在温度55℃、pH值4．0、浴比1︰20、漆酶质量浓度1．5U/mL、TEMPO质量浓度0．2g/L时，探究处理时间分别为4、6、8、10、12h时亚麻木质素的去除效果，如图7所示
从图7可以看出，脱胶时间越长，木质素去除的效果反而并不好。选用较短的时间如4h和6h就已经达到了较好的脱胶效果，选用更长的脱胶时间，木质素残余率并没有显著下降，反而有所升高。但目前其他一些脱胶体系中，随着脱胶时间的延长，脱胶效果会变好。考虑本实验有以下几点原因：1)随着反应时间的不断进行，溶液中的氧气含量会越来越少，每隔一小时搅拌一次不能提供足够的氧气，因此反应体系中由于氧气供应不足，氧化不充分导致去木质素效果差。2)漆酶既能解聚木质素大分子，又能使木质素分子发生再聚合［21］。在4～6h的时间内，漆酶/TEMPO已将可以接触到的木质素去除掉，再延长反应时间反会增强漆酶对木质素的再聚合作用，使已经解聚的木质素重新聚合到一起。3)随着反应的进行，部分纤维素被氧化成羧基/醛基纤维素从而带有RCOO—基团，该基团会吸引木质素的沉积，导致木质素含量升高［22］。失重率的变化也与木质素含量变化相吻合。所以，在此体系中最终选择的脱胶时间为4h。
2．2 EDTA辅助漆酶/TEMPO脱胶
漆酶/TEMPO主要去除亚麻纤维中的木质素成分，其对果胶的去除效果微乎其微。亚麻纤维上的果胶被覆在表面，木质素与半纤维素缠结在其中，形成了一个“三明治”式夹心结构，若不能去除果胶，则木质素的去除量会大幅降低。研究发现仅用漆酶/TEMPO对亚麻纤维进行脱胶处理远不能达到亚麻纺纱的要求，因此，本文使用EDTA对果胶中的钙离子进行螯合［23-24］，破坏果胶的网状结构，从而帮助漆酶进入到纤维内部以更高效地氧化木质素。
先将EDTA加入稀释后的酶液，在常温下测试添加EDTA后的漆酶酶活，然后在温度55℃，pH值4．0，浴比1︰20，漆酶质量浓度1．5U/mL，TEMPO质量浓度为0．2g/L，脱胶时间4h，EDTA添加量分别为0、5、10、15、20、25mmol/L的条件下，探究EDTA的摩尔浓度对亚麻纤维脱胶效果的影响，如图8、图9所示。
由图8可知，随着EDTA摩尔浓度的增加，亚麻纤维的残胶率逐渐下降。当EDTA摩尔浓度从15mmol/L增加到20mmol/L时，残胶率下降幅度较大，这是由于EDTA有效螯合了果胶分子中的金属离子，破坏了果胶的网状结构，使得果胶含量下降［23］。
由图9可以看出，木质素含量随EDTA的摩尔浓度升高而降低，在EDTA添加量为20mmol/L时，木质素含量到达最低值，此后继续增加EDTA时，木质素含量开始有小幅度的提升。有以下两个原因：首先由于添加EDTA对果胶有了一个很好的去除作用，使得纤维表面被覆的果胶层被打开，漆酶得以进入到纤维内部，与木质素充分接触从而使其含量下降。其次添加小摩尔浓度的EDTA时，它可以稳定溶液中少量有害的重金属离子，从而提高漆酶活性，增强木质素去除效果；但当EDTA摩尔浓度过大时，会与漆酶的铜离子形成配位复合物，从而使酶失去金属辅因子而失活，导致EDTA添加量为25mmol/L时，木质素含量上升［25］。失重率一直随EDTA添加量的上升而上升，当添加量从20mmol/L增加到25mmol/L时，虽然木质素含量在下降，但失重率还在上升，这是由于果胶的去除量较大。综上所述，最终选择的EDTA摩尔浓度为20mmol/L。
因此，最终确定的工艺参数为：温度55℃，pH值4．0，浴比1︰20，脱胶时间4h，漆酶质量浓度1．5U/mL，TEMPO质量浓度0．2g/L，EDTA摩尔浓度20mmol/L。
3 脱胶效果比较
将原麻与最终确定工艺参数下的亚麻样品做了表观结构、断裂强度、化学成分、化学结构、结晶度的对比。
3．1 表观结构
由图10可以看出，亚麻纤维在未经处理之前单根纤维被非纤维素物质紧密包裹，黏结在一起。而经EDTA辅助的漆酶/TEMPO处理得到的亚麻纤维明显分散开来，分裂度较好，单根纤维表面也比较光洁，说明经EDTA辅助的漆酶/TEMPO处理可以有效脱除亚麻纤维中的非纤维素成分，且纤维表面无明显损伤。
3．2 断裂强度分析
图11分别为1#亚麻机落麻样品(未处理)、2#工厂脱胶机落麻样品(氯漂工艺)、3#EDTA辅助的漆酶/TEMPO处理的亚麻机落麻样品。由图11可以看出，经工厂处理后的亚麻由于碱和氯对纤维素结构的伤害，使得纤维强度下降幅度较大，强度降低近于50%，而经生物酶处理得到的亚麻纤维强度仅略有下降。生物酶处理在脱去非纤维素类物质的同时，对纤维素的损伤较低，使得纤维性能尽可能地保留。
3．3 化学成分分析
由表1可见，处理后亚麻纤维素成分占比增加了10．55%，木质素占比下降了56．74%，半纤维素占比下降了2．12%，果胶占比下降了32．62%，水溶物占比下降了54．42%，脂蜡质占比下降了39．06%。由以上分析可知，EDTA辅助的漆酶/TEMPO处理的亚麻脱胶工艺方法对木质素的去除比较有效，处理后的亚麻纤维素成分比例明显升高，但其对于果胶和半纤维素成分的作用影响不是很大。
3．4 傅里叶红外光谱测试
对EDTA辅助的漆酶/TEMPO处理的麻纤维样品和未脱胶亚麻样品进行红外光谱测试，结果如图12所示。由图12可见，亚麻未处理和处理后样品的红外光谱图的各个特征峰的位置和变化基本相同，都呈现出典型的麻类纤维特征，且无新峰产生和旧峰消失，主要成分化学结构没有发生改变。
3．5 结晶度
采用X射线衍射对亚麻原麻及经过EDTA辅助的漆酶/TEMPO处理的亚麻纤维的结晶度进行分析。由图13可见，亚麻纤维经处理后，XRD的曲线强度差别不大，其中2θ的主要衍射带呈现在22°～23°、14．8°～16．6°，分别对应纤维素Ⅰ的(002)晶面族和纤维素Ⅱ(101)晶面族［26］，可以看出处理后的亚麻纤维的特征纤维素峰的位置没有发生改变，曲线趋势相近，表明EDTA辅助的漆酶/TEMPO处理不会引起亚麻纤维的纤维素晶体的转变。
采用分峰法［27］得出原麻的结晶度为43．4%，处理后的麻结晶度为64．7%。结晶度的增加由两点原因引起：一是由于经过处理后的亚麻纤维表面被破坏，非纤维素物质被去除，纤维素含量占比升高；二是在氧化过程引入的醛基和羧基导致了纤维素的氢键重排和重结晶［20］，纤维的非晶区被破坏，使得亚麻纤维最终的结晶度增加。
4结论
经EDTA辅助的漆酶/TEMPO体系可以有效地对亚麻机落进行脱胶处理。其最适宜的脱胶工艺条件为：温度55℃，pH值4．0，浴比1︰20，脱胶时间4h，漆酶(漆酶活力40U/mL)质量浓度1．5U/mL，TEMPO质量浓度0．2g/L，EDTA摩尔浓度20mmol/L。处理后的亚麻纤维木质素含量下降了56.74%，果胶含量下降了32．62%，半纤维素含量下降了2.12%，水溶物含量下降了54．42%，脂蜡质含量下降了39.06%。
对比未被处理过的亚麻机落原料，经EDTA辅助漆酶/TEMPO体系处理过的亚麻纤维表面胶质明显减少，纤维表面光洁，纤维分裂度和结晶度明显提高，且此处理对比传统化学脱胶对纤维素的损伤小，较大程度保留了纤维强力。
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文献摘自：[1]张越,张子娴,傅佳佳,孟超然,王鸿博.基于漆酶/TEMPO体系的亚麻脱胶探究[J].丝绸,2023,60(02)：58-67.
