摘  要：为了高效提取罗布麻韧皮组织中的罗布麻纤维，利用化学－生物酶联合脱胶工艺除去罗布麻韧皮中的果胶和其他杂质。分析预酸、碱煮、酶处理在不同温度、浓度、时间条件下对罗布麻脱胶效果的影响；通过场发射高倍扫描电镜观察罗布麻脱胶前后的表面形貌特征，借助傅里叶红外光谱仪分析了罗布麻纤维的化学结构。正交试验分析结果表明，最优脱胶条件为：在对织物质量1.75%的硫酸溶液，温度65℃,时间55min的条件下预酸，在对织物重4.5%氢氧化钠、4%硅酸钠、2.5%亚硫酸钠、3.5%Z-16、温度70℃、时间105min的条件下碱煮；在25g/LJS-369、6g/L双氧水、温度70℃、时间85min的条件下酶处理；此时纤维断裂强力为13.5cN,白度为76.5%,失重率为46.5%,果胶含量为5.13%,半纤维素含量为10.25%,木质素含量为0.98%。SEM测试结果表明，脱胶后的罗布麻纤维表面光滑平整。红外光谱图显示，罗布麻纤维的特征吸收峰有所减弱，说明化学－生物酶联合脱胶工艺可高效去除罗布麻皮中的果胶和其他杂质。

关键词：罗布麻纤维；联合脱胶；预酸；碱煮；酶处理；性能测试

 

罗布麻属于夹竹桃科多年生宿根草本植物，是我国特色植物资源。罗布麻纤维具有丝的光泽、麻的挺括和棉的柔软，其制成的纺织品透气性好，吸湿性强，同时具有柔软、抑菌、冬暖夏凉等特点^[1-9]。但与亚麻或苎麻相比，罗布麻纤维存在以下缺点：一是罗布麻纤维属单纤维而不是束纤维，纤维细长且长度差异大；二是罗布麻韧皮组织中的果胶含量较高，导致木质素与表皮纤维粘连度较强；三是纤维素含量相对较低，仅占原麻质量的45%~55%^[10],除杂负担较重。因此，罗布麻纤维脱胶难度较大，相应地脱胶工艺会对纤维性能产生更直接的影响^[11]。

目前罗布麻脱胶的方法有化学脱胶物理脱胶和生物法脱胶等。化学脱胶通过强碱作用对罗布麻进行脱胶获得精干麻，但其对纤维的损伤程度大，且存在环境污染大、能源消耗高和废水难以处理等问题^[12-13]。

物理脱胶主要包括高温高压、超声和微波等方法^[14],对罗布麻脱胶有着较好的辅助作用^[15],对环境污染较小，但是脱胶效率较低。生物法脱胶分为微生物脱胶和生物酶脱胶两种。在微生物脱胶方面，邬金云等^[16]利用好氧微生物枯草芽孢杆菌对罗布麻进行脱胶，脱胶率低，仅为45%,且脱胶时间长达24h。生物酶脱胶对纤维损伤较小，但对脱胶条件要求较高且脱胶率受限。例如，ShengwenDuan等^[17]对罗布麻进行生物酶脱胶，残胶含量比化学脱胶高22.56%,断裂强度高18.14%。生物化学联合脱胶法^[18-19]可以在减轻对环境污染的前提下，得到质量较好的精干麻。胡延素^[20]采用混合菌对苎麻进行微生物化学联合脱胶，纤维残胶率仅为2.04%。因此，本文通过筛选优化酶种，采用化学－生物酶联合脱胶的方法，得到强力高、去杂效果好的精干罗布麻。

 

1试验部分

1.1试验原料、试剂与仪器

原料：手剥罗布麻麻皮（新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县）。

试剂：氢氧化钠（质量分数96%,分析纯，天津市百世化工有限公司），硅酸钠（天津市百世化工有限公司），过氧化氢（质量分数30%,分析纯，天津永晟精细化工有限公司），无水硫酸钠（质量分数99%,分析纯，天津永晟精细化工有限公司），生物酶(Z-16、JS369、YA592、HS120、HJ061,清远瑞华助剂有限公司），硫酸（质量分数98%,分析纯，南京盛庆和化工公司）。

仪器：YG008E型电子单纤维强力机（泉州市美邦仪器有限公司），JY10002型电子天平（上海良平仪器表有限公司），WSB-3A型智能式数字白度针（温州大荣纺织仪器有限公司），HH-S8型数显恒温水浴锅（江苏金怡仪器科技有限公司），KG85型染浴锅（佛山市顺德区容桂芸宝印染机械厂），SU8010型场发射高倍扫描电子电镜（日本日立公司），傅里叶红外光谱仪等。

1.2试验过程

工艺流程：剥麻→称麻→预酸处理→水洗→碱煮→水洗→酶处理→冷热水交叉清洗→烘干→精干麻。

1.2.1生物酶的选择

分别用4种生物酶对罗布麻韧皮进行初步脱胶，浴比为1∶50。预酸工艺为：1.5%硫酸，50℃,30min。碱煮工艺为：2%氢氧化钠，2.5%硅酸钠，1%亚硫酸钠，0.5%Z-16,85℃,60min。酶处理工艺为:10g/L生物酶,2L双氧水,85℃,30min。

1.2.2预酸处理

罗布麻的前处理采用酸处理。采用正交试验方法,预酸浴比为1:50,硫酸质量分数分别为1.25%、1.75%、2.25%,染浴温度分别为55、65、75℃,加热时间分别为55、65、75min。预酸为试验A组,共进行A1~A99组试验。

1.2.3碱煮处理

对预酸处理后的罗布麻纤维进行碱煮。用清水冲洗预酸后的罗布麻纤维,随后依次加入适量氢氧化钠硅酸钠、亚硫酸钠以及2-16,将其放入染浴锅中加热。在碱煮过程中,以碱煮工艺作为单一变量,预酸和酶处理作为定量。碱煮条件分别为:氢氧化钠4.5%5.5%、6.5%,硅酸钠3%、4%、5%,亚硫酸钠2.5%3.5%、4.5%,Z-161.5%、2.5%、3.5%,染浴温度50、6070℃、时间85、95、105min。碱煮为试验B组,进行B1~B18共18组试验。

1.2.4生物酶处理

对碱煮处理后的罗布麻纤维进行生物酶处理。用清水冲洗碱煮后的罗布麻纤维,随后加入适量的生物酶和双氧水,将其置于染缸中加热。最后,将处理后的罗布麻纤维交替使用温水和凉水冲洗,于温度60℃下干燥。在酶处理过程中以预酸处理、碱煮为定量,酶处理为单一变量。酶处理条件分别为:生物酶15、20、25g/L,双氧水4、6、8L,温度70、85、100℃,时间45、65、85min,生物酶处理为试验C组,共进行C1~C99组试验

1.2.5中试试验

根据单因素试验测得脱胶后罗布麻的性能,对脱胶性能较好的罗布麻纤维进行工艺组合,得到最优组合工艺,将最优组合工艺等比例放大20倍,经企业设备进行中试试验。中试地点在新疆天毛纺织股份有限公司。

1.3性能测试

失重率测定以质量百分数W(%)表示,按式(1)进行计算:

  

式中:M。--脱胶前麻皮质量，g；

M₁脱胶后麻纤维质量，g

残胶率通过精干麻的失重率进行测定，按式(2)进行计算：

  

式中：W1—完全脱胶后罗布麻的失重率，g；

W2—待测脱胶后罗布麻的失重率，g。

果胶含量的测定参考GB5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》，按式(3)进行计算：

  

式中：M1—试样未提取前的干重，g；

M2—滤纸的质量，g；

M3—提取果胶物质后试样与滤纸的总质量，g。木质素含量的测定参考GB5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》，按式(4)进行计算：

  

式中：M1—纤维素粉末，g；

M2—滤纸重，g；

M3—滤纸与木质素恒重，g。

半纤维素含量的测定参考GB5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》，按式(5)进行计算：

  

式中：M1—试样提取果胶后的干重，g；

M2—滤纸的质量，g；

M3—提取半纤维素后试样与滤纸的总质量，g。

白度使用WSB-3A型智能式数字白度计，参考GB5881—1986《苎麻纤维白度试验方法》进行测试。强力、断裂强度使用YG008E型电子单纤维强力仪，参考GB5881—1986《苎麻单纤维断裂强度试验方法》进行测试。长度使用YG008E型电子单纤维强力仪，参考GB5881—1986《苎麻纤维长度试验方法》进行测试。使用扫描电子显微镜观察脱胶前后的表面形貌。使用红外光谱分析仪表征脱胶前后的罗布麻麻纤维结构，扫描范围为4000~500cm-1,分辨率为4cm-1。

 

2结果与讨论

2.1不同生物酶对罗布麻纤维脱胶效果的影响

罗布麻韧皮经过预酸碱煮后，分别用4种不同的生物酶对罗布麻进行酶处理工序，测试脱胶后罗布麻纤维的性能，以失重率、白度、单纤维强力为主要评价指标，测试结果见表1。

表1不同生物酶脱胶性能测试

  

从表1可以看出：生物酶YA592脱胶所得罗布麻纤维的失重率最大，生物酶HJ061处理后罗布麻纤维失重率最小；罗布麻韧皮经生物酶JS-369处理后白度最好，生物酶HJ061所制得的精干麻白度最差；生物酶YA592处理后罗布麻单纤维的强力最大，生物酶JS-369脱胶所得精干麻强力最小。

通过数据综合分析可以得出：在相同预酸、碱煮、酶处理条件下，生物酶JS-369白度最高，失重率较大，脱胶效果最好；生物酶HJ061所得精干麻失重率和白度最低，脱胶效果最差。综上，选用生物酶JS-369对罗布麻纤维进行脱胶效果最好。

2.2不同预酸条件对罗布麻纤维脱胶效果的影响

正交试验后测试罗布麻纤维的性能，A1~A9组的白度分别为72.7%、76.36%、70.02%、73.40%、70.20%、75.16%、68.38%、75.50%、69.90%。可以看出，预酸后罗布麻纤维的最低白度为68.38%,最高白度为76.36%。从白度测试结果中选取5组白度最好的罗布麻纤维，测试其强力、伸长和断裂强度，见表2。

表 2 A组纤维强伸性测试结果

  

如表2所示：A组最低平均断裂强力为8.60cN,最高平均断裂强力为13.00cN;最小伸长为0.21mm,最大伸长为0.45mm;最小平均断裂强度为4.29cN/dtex,最大平均断裂强度为6.53cN/dtex。通过数据综合分析得出，A1、A2、A4、A6、A8这5组罗布麻中，其白度由好到差的排序为A2>A8>A6>A4>A1,其断裂强力由强到弱的排序为A2>A1>A4>A8>A6,断裂强度由强到弱的排序为A2>A1>A4>A6>A8,其伸长由长到短的排序为A4>A1>A2>A6>A8。综上得出，A组罗布麻中A2组脱胶效果最好，其预酸条件为：对织物质量1.75%的硫酸溶液，温度65℃,时间55min。

2.3不同碱煮条件对罗布麻纤维脱胶效果的影响

经18组正交试验后测试罗布麻纤维的性能，B1~B18的白度分别为66.80%、67.02%、74.66%、72.16%、72.88%、68.50%、67.72%、70.34%、71.22%、69.84%、70.22%、65.34%、66.20%、72.48%、71.76%、73.10%、73.34%、75.90%。可以看出，碱煮后罗布麻纤维的最低白度为65.34%,最高白度为75.90%。从碱煮白度测试结果中选取10组白度最好的罗布麻纤维，测试其断裂强力、伸长和断裂强度，结果见表3。

表3 B组纤维强伸性测试结果

  

如表3所示，B组最低平均断裂强力为6.1cN,最高平均断裂强力为10.46cN,最小伸长为0.18mm,最大伸长为0.49mm,最小断裂强度为3.04cN/dtex,最大断裂强度为5.23cN/dtex。

在B组B3~B5、B8~B9、B14~B18这10组罗布麻中，其白度由好到差的排序为B18>B3>B17>B16>B5>B14>B4>B15>B9>B8,其断裂强力由强到弱的排序为B3>B18>B9=B8>B14>B4>B15>B17>B5>B16,断裂强度由强到弱的排序为B3>B18>B9>B8>B14>B4>B15>B17>B5>B16,伸长由长到短的排序为B5>B14>B8>B18>B9>B15>B4>B16>B3>B17。

综合考虑得出，B组罗布麻中B3脱胶效果最好，其碱煮条件为：对织物质量4.5%氢氧化钠，4%硅酸钠，2.5%亚硫酸钠，3.5%Z-16,温度70℃,时间105min。

2.4不同酶处理条件对罗布麻纤维脱胶效果的影响

经9组正交试验后测试罗布麻纤维的性能，C1~C9的白度分别为70.20%、75.06%、69.30%、69.94%、68.34%、73.76%、70.98%、71.10%、68.88%。可以看出，酶处理后罗布麻纤维的最低白度为68.34%,最高白度为75.06%。从酶处理白度测试结果中选取5组白度最好的罗布麻纤维，测试其断裂强力、伸长和断裂强度，结果见表4。

表4 C组纤维强伸性测试结果

  

从表4可以看出，C组最低平均强力为7.33cN,最高平均强力为9.69cN,最小伸长为0.31mm,最大伸长为0.61mm,最小断裂强度为3.16cN/dtex,最大断裂强度为4.84cN/dtex。

在C组C1~C2、C6~C8这5组罗布麻中，其白度由好到差的排序为C2>C6>C8>C7>C1,其强力、断裂强度由强到弱的排序为C8>C1>C6>C2>C7,其伸长由长到短的排序为C7>C8>C1>C2>C6。通过数据对比，得出C组罗布麻中C8脱胶效果最好，其酶处理条件为：25g/LJS-369,6g/L双氧水，温度70℃,时间85min。

2.5中试试验结果

通过上述正交试验确定各因素的最佳范围，得出A2、B3、C8这3组罗布麻纤维的脱胶效果最好。罗布麻预酸条件为：对织物质量1.75%的硫酸溶液，温度65℃,时间55min。碱煮条件为：对织物质量4.5%氢氧化钠，4%硅酸钠，2.5%亚硫酸钠，3.5%Z-16,温度6g/L双氧水，温度70℃,时间85min时效果最好。

根据此优化试验条件测得罗布麻脱胶后白度为74.26%。参考GB5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》，测得果胶含量为4.7%,半纤维素含量为12.08%,木质素含量为1%。将此优化组合工艺下的罗布麻等比例放大20倍进行中试试验，测得脱胶后罗布麻纤维白度为76.5%,单纤维断裂强力为13.5cN,中试罗布麻脱胶后失重率为46.5%,残胶率为17.2%,果胶含量为5.13%,半纤维素含量为10.25%,木质素含量为0.98%。

2.6罗布麻纤维的表面形貌

罗布麻纤维的扫描电镜见图1,其中脱胶后的罗布麻纤维为经最优工艺处理后的纤维。

  

图1脱胶前后罗布麻的表面形貌对比图

如图1(a)所示，未脱胶的罗布麻纤维存在较多杂质，罗布麻纤维被大量胶质颗粒包裹，纤维轮廓不清晰，表面粗糙且不平整。如图1(b)所示，脱胶后罗布麻纤维表面光滑、平整，纤维轮廓清晰。

以上结果表明，罗布麻纤维表面的杂质已基本去除，由此可知化学－生物酶联合脱胶法具有较好的脱胶效果。

2.7罗布麻纤维的FTIR分析

罗布麻纤维的红外光谱图见图2,其中处理后的罗布麻纤维经化学生物酶脱胶。

  

图2 脱胶前后罗布麻纤维的红外光谱图

从图2可以看出，在3364cm-1处(?OH伸缩振动）出现的峰是纤维素及半纤维素成分的特征吸收峰，在2894cm-1处(C—H的伸缩振动）的峰是纤维素及大分子胶质的特征峰，在1725cm-1及1636cm-1处的吸收峰是木质素羰基、半纤维素乙酰基的特征吸收峰，1433、1365、1316、1067cm-1处的吸收峰为果胶中半乳糖醛酸在指纹区的特征吸收峰，在657cm-1处(C—OH面外弯曲）出现的峰是纤维素的主要特征峰。罗布麻纤维经脱胶处理后，上述基团的吸收振动峰均有所减弱，说明经脱胶处理后，罗布麻纤维中果胶、木质素、半纤维素和非纤维素等杂质的含量明显减少。

 

3结语

(1)经试验比较，本文选取了一种脱胶效果好，白度高，失重率大的生物酶JS-369进行脱胶。

(2)采用化学－生物酶联合方法对罗布麻进行脱胶，通过正交试验对脱胶工艺进行优化，得到最优脱胶条件。与单因子试验相比较，罗布麻纤维在此脱胶条件下得到的白度最好为76.5%,提高了4%~10%,单纤维断裂强力为13.5cN。

(3)SEM测试结果显示，脱胶处理后的罗布麻纤维表面更加光滑、平整、杂质少；FTIR结果显示，罗布麻纤维的个别特征吸收峰有所减弱，表明罗布麻皮中的果胶、木质素、半纤维素和非纤维素等杂质已基本去除。这说明该优化组合工艺适用于罗布麻纤维的脱胶。根据优化组合工艺试验条件进行中试试验，试验结果与实验室小样测试结果几乎一致，可知该优化组合工艺具有可行性。

 

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文章摘自：李迎澳, 桂海升, 浣光辉, 杨帆, 李仲薇, 贾丽霞, 何江. 罗布麻纤维的化学-生物酶联合脱胶工艺[J]. 上海纺织科技, 2024, 52 (03): 27-31+58.