摘 要：为实现罗布麻纤维绿色高效的脱胶加工，构建了一种“微波-超声波协同预处理与生物酶处理”相结合的新型脱胶工艺。采用Box-Behnken响应面分析法对微波与超声波的协同预处理参数进行优化；随后，通过生物酶联合脱胶处理，提升罗布麻的脱胶效率并保留纤维性能。结果表明，在温度51℃、氢氧化钠2.07g/L、微波功率1000W、超声波频率40kHz、超声波功率480W的条件下预处理20min，用2.5g/L酶液在65℃处理2h，胶后罗布麻的纤维素比例可达90.43%，残胶率低至5.52%，白度为80.6%，单纤维断裂强力达到15.06cN。相较于传统的化学脱胶法，该新工艺显著减少了碱耗量和环境负担，兼具高效性与环境友好性。
关键词：罗布麻；微波；超声波；生物酶；脱胶
罗布麻属于夹竹桃科罗布麻属，是一种亚灌木植物[1]。中国作为罗布麻的主要分布国之一，其人工栽培与野生资源储量都极为丰富[2-3]。据报道，罗布麻提取物具有抗抑郁和抗焦虑的功能，可用于舒缓神经和降低血压[4]。罗布麻纤维具有棉的柔软、麻的挺括和丝的光泽，还有卓越的抗菌、抗氧化和吸湿透气等特性，被誉为“野生纤维之王”[5]。
罗布麻纤维中含有的果胶和木质素等非纤维素成分，严重影响其在后续纺织加工过程中的可纺性、可染性与可整理性。因此，脱胶处理，即去除纤维中的果胶、木质素及其他杂质组分，是实现罗布麻纤维高效利用与产业化应用的关键步骤。传统化学脱胶工艺能有效去除罗布麻纤维中的胶质，但存在纤维损伤严重、环境污染大及加工周期长等问题[6]。微波辐射、高温蒸汽爆破和声波辅助等物理方法，对环境污染较小，操作简便，但其对胶质的去除不彻底[7-8]。近年来，生物脱胶技术受到广泛关注，主要包括微生物脱胶和酶法脱胶。
尽管酶法具有专一性强、反应温和等优点，但单一生物法在脱胶效率及处理时间方面仍存在一定局限性。而微生物脱胶则存在残胶率高、纤维强度下降及二次污染等问题[9]。为此，研究者将不同脱胶方式进行有机结合，扬长避短，提升脱胶效果。如SONG等[10]将微波处理与化学脱胶相结合，在110℃条件下，将罗布麻置于氯化胆碱/尿素（1∶2）体系中微波处理60min，配合碱煮脱胶，可有效去除罗布麻韧皮层中的半纤维素和木质素，所得纤维在残胶率、纤度及断裂强度等方面表现优良，热稳定性显著提升。该类联合脱胶策略为罗布麻纤维的清洁加工提供了重要参考。
基于此，本文提出了一种“微波-超声协同预处理与复合生物酶处理”相结合的联合脱胶工艺，利用物理方法对纤维结构进行预破壁处理，提高酶对目标胶质成分的可及性，研究了该工艺对罗布麻纤维的脱胶效率，并对脱胶前后纤维的物理化学性能和形貌进行了测试与表征。
1 试验部分
1.1 原料、试剂与仪器
原料机剥罗布麻白麻韧皮（新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县）
试剂硫酸（分析纯，南京盛庆和化工公司），氢氧化钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），乙醚（分纯，天津市鑫铂特化工有限公司），硅酸钠（分析纯，天津市百世化工有限公司），过氧化氢（分析纯，成都市科隆化学有限公司），乙酸、乙酸钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），复合生物酶（果胶酶、半纤维素酶和木质素酶等复配，上海颖心实验室设备有限公司）
仪器YG008E型电子单纤维强力机（泉州市美邦仪器有限公司），SCIENTZ-IIDM微波光波超声波萃取仪（宁波新芝生物科技股份有限公司），NX-500精密电子天平（深圳市飞亚衡器有限公司），HH-8数显恒温水浴锅（常州苏瑞仪器有限公司），WSB-3A型智能式数字白度计（温州大荣纺织仪器有限公司），金相显微镜（深圳市奥斯微光学仪器有限公司）
1.2 试验方法
1.2.1 罗布麻脱胶工艺流程
微波-超声波预处理→水洗→复合生物酶处理→水洗→碱氧后处理→水洗→烘干
1.2.2 微波-超声波预处理
将罗布麻原麻置于NaOH溶液（1~3g/L，浴比1∶100）中，40~80℃下使用微波-超声波萃取15~35min，研究NaOH溶液浓度、温度和预处理时间对罗布麻脱胶效果的影响。微波功率设置为1000W，超声波处理频率为40kHz，功率为480W。
1.2.3 复合生物酶处理
预处理后的罗布麻置于2.5g/L复合酶液中，浴比1∶20，65℃处理2h。
1.2.4 碱氧后处理工艺
取生物酶处理并水洗后的罗布麻纤维，使用NaOH0.5g/L、H2O25g/L、稳定剂1g/L，浴比1∶50，95℃处理1h。
1.3 测试方法
1.3.1 残胶率测定
参照GB/T5881—2024《苎麻理化性能试验方法》，称量脱胶后罗布麻试样的质量，记为m0。将脱胶后的试样放入含150mL 20g/LNaOH溶液的圆底烧瓶中，110℃恒温油浴加热回流3h提取残胶，取出烘干称量，记为m1。按式（1）计算残胶率。
式中：m0为脱胶后罗布麻的干质量，g；m1为去除残胶后罗布麻的干质量，g。
1.3.2 化学成分测定
参照GB/T5881—2024《苎麻理化性能试验方法》测试。
1.3.3 白度测定
按照GB5881—2024《苎麻理化性能试验方法》，用WSB-3A型智能式数字白度计进行测试。
1.3.4 纤维强力测定
参考GB/T5881—2024《苎麻理化性能实验方法》，使用YG008E型电子单纤维强力机进行单纤维断裂强力测试。
1.3.5 纤维表面形貌表征
采用金相电子显微镜观察罗布麻纤维表面形貌特征和纤维分散程度。
2 结果与讨论
2.1 微波-超声波预处理单因素优化
2.1.1 NaOH质量浓度对罗布麻纤维脱胶效果的影响
超声波空化作用可以加速胶质的溶解，微波非热效应会优先作用于无定形区（胶质），而较少破坏结晶区纤维素，避免高温导致的纤维强度损失，因此微波-超声波协同预处理可以加快罗布麻的脱胶速度。采用NaOH碱剂结合微波-超声波协同预处理可高效降解罗布麻纤维中的木质素和半纤维素，该过程不仅可促使缩醛键等化学键水解，还能溶解果胶、蜡质等胶质，从而提升纤维分离效率[11]。本研究通过改变NaOH质量浓度，探究NaOH质量浓度对罗布麻纤维脱胶效果的影响，结果如图1所示。
图1 NaOH质量浓度对罗布麻纤维脱胶效果的影响
由图1可以看出：罗布麻纤维的残胶率随着NaOH质量浓度的增加先降低再升高，而单纤维断裂强力和白度值逐渐降低。当NaOH质量浓度为2.0g/L时，残胶率达到最低值8%，此时单纤维断裂强力和白度分别为13.6cN和76.7%；当NaOH质量浓度大于2.0g/L时，残胶率逐渐升高，这可能是由于碱浓度过高，纤维损伤加剧，韧皮中的纤维素溶出并附着在纤维上，导致测得的残胶率偏高[12]。因此，选择2.0g/L作为微波-超声波协同预处理的最佳NaOH质量浓度。
2.1.2 预处理温度对罗布麻纤维脱胶效果的影响
升高温度可加速NaOH对胶质（如果胶、木质素）的水解反应，高温促进胶质溶出，缩短脱胶时间；但温度过高可能导致纤维素氧化或降解，从而降低纤维强度。微波的介电加热可快速提升体系温度，但需避免局部过热。预处理温度对罗布麻纤维脱胶效果的影响见图2。
图2 温度对罗布麻纤维脱胶效果的影响
如图2所示：当预处理温度处于40~50℃时，随温度的升高，残胶率降低，单纤维断裂强力和白度升高；当温度为50~80℃时，单纤维断裂强力和白度均随温度升高而降低，这是因为高温导致纤维素部分降解，使得脱胶麻纤维的单纤维断裂强力降低。同时，过高的温度可能导致纤维非结晶区软化或熔融，使已溶解的胶质被物理截留在纤维内部无法有效溶出，因此残胶率持续增加。综上，在50℃时，单纤维断裂强力、白度和残胶率均达到较好效果，分别为14.17cN、79.35%和6.8%。
2.1.3 预处理时间对罗布麻纤维脱胶效果的影响
预处理时间直接影响NaOH与胶质的反应程度，时间不足，胶质水解不彻底，残胶率高，影响纤维分离效果。时间过长可能导致纤维素过度降解，降低纤维强度或引发副反应。预处理时间对罗布麻纤维脱胶效果的影响见图3。
图3 预处理时间对罗布麻纤维脱胶效果的影响
从图3可以看出，随着预处理时间的延长，罗布麻纤维的残胶率呈先降低后上升趋势，单纤维断裂强力持续下降。微波-超声波协同效应能大幅提高脱胶效率，但其深层加热机制使脱胶程度更剧烈，长时间处理可能损害纤维结构[13]。当反应时间达到30min时，继续延长时间，残胶率无明显变化。当预处理时间控制在20min时，罗布麻纤维的残胶率达到最小值5.7%，表现出最优的脱胶效果。此时，单纤维断裂强力为13.87cN，白度为80%。
2.2 响应面法优化微波-超声波预处理工艺
以预处理温度（A）、预处理时间（B）及NaOH质量浓度（C）为试验因素，采用Design-Expert10.0.1.0软件进行3因素3水平微波协同超声波预处理响应面优化设计，具体选用中心复合旋转设计方法，共15组试验方案，每组平行试验3次。试验参数水平详见表1，试验结果与分析见表2。
表1 Box-Behnken因素水平
表2 罗布麻脱胶工艺Box-Behnken试验设计与结果
采用Design-Expert软件进行多元回归分析，建立了以残胶率（Y1）为响应值，预处理温度（A）、预处理时间（B）和NaOH质量浓度（C）为自变量的二次回归方程模型：Y1=5.1+0.05A-0.45B-0.1C-0.1AB+0.2AC-0.1BC+3.15A2+3.55B2+2.15C2，对所建立的模型进行方差分析和显著性检验，结果见表3。
表3 回归方程的方差分析
由表3可见，残胶率回归模型中P<0.01，表明该模型极显著，失拟项P=0.0735>0.05，失拟不显著，即该响应面拟合模型适用于本试验，且拟合程度较高。通过模型拟合度分析可知，该回归模型的决定系数R2达到0.9695，R2adj为0.9146，二者差值仅为0.0549（远小于0.2），说明未出现过度拟合现象，具有良好的预测可靠性。此外，变异系数CV为7.65%（低于10%），说明试验操作过程控制良好，数据重复性优异，进一步验证了研究结果的精确性和可信度。根据回归模型对系数的显著性检验结果可知，二次项A2、B2、C2的P值均小于0.01，证明它们对残胶率影响为极显著。根据F值，三个因素对残胶率显著性的影响次序为：预处理时间>NaOH质量浓度>预处理温度。
2.3 微波-超声波预处理关键因素交互作用分析
为确定NaOH质量浓度、预处理温度和预处理时间对罗布麻纤维残胶率的影响，根据模型的回归方程绘制响应面图。响应曲面的梯度变化直观表征了因子间交互作用的强度。具体表现为：三维响应曲面梯度较小（坡度平缓）时，表明系统对输入变量的变化敏感度较低；而当曲面呈现较大梯度（坡度陡峭）时，则暗示各因素的微小扰动即可导致响应值的显著变化[14]。预处理温度、预处理时间及NaOH质量浓度三因素间的交互作用响应面及其对应的等高线图，如图4所示。图中：（a）、（d）为NaOH质量浓度与时间；（b）、（e）为NaOH质量浓度与温度；（c）、（f）为温度与时间。
图4 各因素交互作用对罗布麻纤维脱胶效果交互影响的响应面图（a-c）和等高线图（d-f）
由图4（a）和（d）可知，残胶率随着预处理时间的延长呈现先下降后上升的趋势，这是由于过度的微波-超声波预处理会破坏纤维的结晶区，使非结晶区增多，纤维表面损伤产生的活性位点重新吸附，从而增强对胶质的吸附能力，使得脱胶效果下降。如图4（b）和（e）所示，NaOH质量浓度与温度交互作用的响应曲面呈现明显的陡峭特征，表明NaOH质量浓度与温度的协同效应对残胶率的影响更为突出。同时，对应的等高线图呈现出典型的椭圆形分布特征，且等高线间距较为紧密，表明微小的工艺参数变化就会引起残胶率的显著改变，充分体现了该交互效应对脱胶工艺的关键影响。从图4（c）和（f）可以看出，预处理时间和温度等高线形状几乎为圆形，表明预处理时间和温度交互作用不显著，说明残胶率变化缓慢，即两因素的交互作用对残胶率影响不显著。
2.4 微波-超声波预处理工艺优化及验证
通过Design-Expert软件分析得出协同微波-超声波脱胶工艺处理罗布麻纤维的最优工艺条件：温度50.713℃，提取时间19.513min，NaOH质量浓度2.068g/L，在此工艺下残胶率为5.227%。结合实际操作的局限性，将条件调整为时间20min，温度51℃，NaOH质量浓度2.07g/L。在此脱胶工艺下，重复试验3次，测得残胶率为5.52%，同理论值仅相差0.293%，与软件模型预测的最佳值十分接近，表明该试验的模型具有一定准确性。同时，测得该条件下的罗布麻纤维具有良好的物理机械性能，单纤维断裂强力为15.06cN，白度可达80.6%。
2.5 罗布麻纤维的表面形貌分析
采用金相显微镜观察脱胶前后罗布麻纤维的形貌变化，结果如图5所示。
图5 罗布麻原麻及脱胶后的纤维金相显微镜图
从图5（a）中可以看出，原麻纤维表面被大量胶质和杂质紧密包裹，导致纤维束严重黏连，难以区分单根纤维的轮廓。相比之下，图5（b）显示经过脱胶处理后，罗布麻纤维已经去除了大量胶质，可以观察到完整的纤维束，纤维轮廓清晰，表面相对光滑均匀，但仍然存在一些不规则之处，可能是由于残留的胶质痕迹所致。罗布麻纤维沿其长度方向具有带有内腔和锥形端的卷积，通过光学显微镜图像可以在一些纤维中看到竹节。此外，适度的微波-超声波预处理不仅能有效提升纤维品质，还能促进纤维与碱溶液的充分接触，缩短脱胶时长。
2.6 罗布麻纤维的化学成分分析
按1.3.2节测定罗布麻纤维的化学成分，结果如表4所示。
由表4可知，罗布麻原麻的主要化学成分包括脂蜡质、果胶、半纤维素、木质素和纤维素。其中，果胶质量分数高达11.29%，果胶作为细胞间胶质的主要成分，包裹纤维束并与其他非纤维素物质（如半纤维素、木质素）紧密结合，导致纤维粗硬、可纺性差。经过微波-超声波联合生物酶脱胶处理后，果胶被有效降解和去除，质量分数降低至2.11%。脱胶过程中，微波预处理可以破坏原麻纤维上的脂蜡质成分，果胶的酯键和糖苷键断裂，水溶性增强[15]。与此同时，半纤维素和木质素也部分降解，纤维素比例可达90.43%，纤维变得更柔软，有利于后续纺织加工。
2.7 经济与环境效益分析
通过对比化学试剂消耗量和脱胶时间，评估了传统化学脱胶法（预酸-二煮-漂白-酸洗）和微波-超声波协同与复合生物酶联合脱胶法的成本效益，以及对生态环境的影响，结果如表5所示。
表5 脱胶500g罗布麻的化学试剂用量
从表5可以看出，微波-超声波协同预处理联合生物酶脱胶工艺显著降低了化学试剂的消耗。处理500g罗布麻，微波-超声波协同复合生物酶脱胶法仅需0.0725kg试剂，而传统化学脱胶法需0.34kg试剂，是新工艺的4.6倍。此外，新工艺完全避免了传统方法中浓硫酸的使用，仅需少量NaOH并结合生物酶脱胶，具有高效、环保、反应条件温和以及对纤维损伤小等优势，且无环境污染风险。在脱胶效率方面，新方法将处理时间从传统方法的7h缩短至3.3h，效率提升显著。综上，微波-超声协同预处理联合生物酶脱胶技术在环保性和生产效率上均具有显著优势。
3 结论
本文研究了微波-超声波协同作用联合生物酶脱胶工艺对罗布麻纤维的脱胶效果，并利用响应面法对微波-超声波协同工艺预处理条件进行了优化：温度51℃、NaOH溶液2.07g/L，微波功率1000W，超声波处理条件为频率40kHz，功率480W，处理时间20min。在微波-超声波协同预处理中，提取时间是决定罗布麻纤维性能的重要因素。预处理后在65℃条件下使用2.5g/L复合生物酶处理罗布麻纤维2h。联合脱胶处理后罗布麻纤维的残胶率为5.52%，白度可达80.6%，同时保持了15.06cN的良好单纤维断裂强力。综上所述，微波-超声波协同作用联合生物酶脱胶工艺是一种高效、节能、低污染的方法，为提高麻纤维生产的脱胶效率和可持续性提供了新途径。
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