鄔金云,任 燕,黃 昊

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710048)

羅布麻屬于夾竹桃科多年生宿根草本植物,是我國特色藥用植物資源[1]。近年來,隨著人們生活水平的不斷提高,作為天然纖維代表的羅布麻纖維,因其良好的吸濕透氣性、可調(diào)節(jié)血壓、提高人體機(jī)能[2]等優(yōu)良性能,倍受消費(fèi)者喜愛。

用于紡織的羅布麻纖維是通過脫膠工藝從羅布麻韌皮部制取的纖維,脫膠方式會(huì)對纖維性能產(chǎn)生直接影響[3]。工業(yè)上常采用的麻脫膠方式是化學(xué)脫膠,可獲得性能良好的精干麻,但該方法對環(huán)境污染大,能源消耗高[4]。酶脫膠法能降低生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,大幅減輕環(huán)境污染[5]。微生物脫膠是繼酶脫膠后又一種綠色、環(huán)保、高效的新型脫膠工藝。微生物脫膠的本質(zhì)是利用微生物分泌的酶來催化麻類膠質(zhì)降解,在脫膠過程中提高酶的產(chǎn)量與酶解效率,對于脫膠效率起關(guān)鍵性的作用[6]。因此通過單因素試驗(yàn),探究磷酸氫二鉀用量、初始接種量、脫膠時(shí)間、脫膠溫度對微生物脫膠的影響,再在較優(yōu)工藝條件下探討了不同預(yù)處理方法對脫膠效果的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑與儀器

材料:羅布麻(新疆戈寶紅麻有限公司);枯草芽孢桿菌(陜西省微生物研究所)。

試劑:牛肉膏(北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司);蛋白胨(北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司);瓊脂粉(北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司);葡萄糖(天津市福晨化學(xué)試劑廠);氫氧化鈉(鄭州市派泥化學(xué)試劑廠);磷酸氫二鉀(天津市百世化工有限公司);30%雙氧水(廣東汕頭市隴化化工廠);氯化鈉(天津市百世化工有限公司);硅酸鈉(天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠);98%濃硫酸(鄭州市派泥化學(xué)試劑廠)。

儀器:立式壓力蒸汽滅菌器(上海申安醫(yī)療器械廠);單人單面凈化工作臺(tái)(蘇州凈化設(shè)備有限公司);SHZ-88雙數(shù)顯水浴恒溫振蕩器(金壇市岸頭林豐實(shí)驗(yàn)儀器廠);數(shù)字白度儀(溫州鹿東儀器廠);KQ-250DB數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);H H-2電熱恒溫水浴鍋(北京科偉永興儀器有限公司);101電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京科偉永興儀器有限公司);金剛通風(fēng)柜(西安明輝實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司);Scout SE電子天平(奧豪斯儀器常州有限公司);BJ-26便攜式p H計(jì)(上海雷磁儀器廠);BCD-215YD海爾電冰箱(青島海爾股份有限公司)。

1.2 培養(yǎng)基配方

培養(yǎng)基配方見表1。

表1 培養(yǎng)基配方

1.3 菌種培養(yǎng)

蒸餾水150 ml,按照1.2章節(jié)中的配方制作液體培養(yǎng)基,用棉球密封,于121℃高溫滅菌20 min,用接種環(huán)接種。加菌的過程在超凈工作臺(tái)上完成,以防止雜菌污染,加菌后密封置于振蕩器上在37℃恒溫下160 r/min振蕩72 h。

1.4 脫膠工藝流程

羅布麻麻皮準(zhǔn)備→裝入錐形瓶(麻皮約0.5 g、浴比1∶25、磷酸氫二鉀A g/L)→密封→121℃高溫滅菌20 min→超凈工作臺(tái)加菌(初始接種量為B%)→水浴鍋振蕩(D℃、C h)→升溫至45℃→繼續(xù)振蕩0.5 h。

1.5 預(yù)處理試驗(yàn)對微生物脫膠的影響

方案一:無預(yù)處理。

方案二:水浸漬處理。其中,溫度50℃,浸漬時(shí)間120 min,浴比1∶20。

方案三:預(yù)酸處理。其中,溫度50℃,硫酸1.7 g/L,酸處理時(shí)間120 min,浴比1∶20,處理原麻。

方案四:超聲波預(yù)處理。溫度50℃,超聲波頻率28 k Hz,超聲波處理時(shí)間15 min,浴比1∶20,處理原麻。

預(yù)處理結(jié)束后,用適量蒸餾水將預(yù)處理后的麻皮洗凈并烘干。浴比1∶25,加入6 g/L磷酸氫二鉀,于121℃下高溫高壓滅菌20 min,分別接種10%菌量,加蓋密封。加菌后置于振蕩器上在37℃恒溫下以160 r/min振蕩24 h,升溫至45℃保溫0.5 h,每組分別進(jìn)行3次試驗(yàn),水洗并測脫膠率。

1.6 氧漂工藝

氧漂工藝配方見表2。

表2 氧漂工藝

1.7 性能測試

1.7.1 脫膠率

式中:m0—試驗(yàn)前恒重質(zhì)量,g;m1—試驗(yàn)后恒重質(zhì)量,g;ω—脫膠率,%。

1.7.2 掃描電子顯微鏡測試

將僅微生物脫膠后的羅布麻纖維以及微生物脫膠和氧漂工藝后的羅布麻纖維采用KYKY2008電子顯微鏡進(jìn)行掃描。

1.7.3 白度測試

將不同脫膠方法脫膠后的羅布麻纖維平鋪梳理整齊,纖維層不透光,采用ZBD型白度測試儀按照GB/T 5885-1986《苧麻纖維白度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素變量試驗(yàn)

2.1.1 初始pH值(培養(yǎng)基)對微生物脫膠的影響

改變磷酸氫二鉀的用量(0、2、4、6、8、10、12、14 g/L)從而改變初始p H值,結(jié)果見表3。按照1.4工藝對羅布麻纖維進(jìn)行脫膠,接種量為10%,脫膠時(shí)間為24 h,溫度為37℃,測試脫膠率,結(jié)果如圖1所示。

表3 脫膠前后培養(yǎng)基p H值的變化及脫膠結(jié)果

圖1 初始磷酸氫二鉀用量與脫膠率的關(guān)系曲線

由表3可以看出,脫膠后殘液的p H值與初始p H值相比較,下降幅度很大,由初始的堿性變成酸性或中性。脫膠前后p H值會(huì)發(fā)生變化,是因?yàn)樵诿撃z過程中,微生物快速利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長繁殖,代謝時(shí)產(chǎn)生大量酸性物質(zhì),導(dǎo)致p H值下降。例如原果膠在果膠甲酯水解酶的作用下生成果膠酸鹽,不溶性的果膠酸鹽會(huì)分解產(chǎn)生半乳糖醛酸。

由圖1可以看出,羅布麻的脫膠率先隨磷酸氫二鉀用量的增加而增加,在6～8 g/L時(shí)趨于緩慢并達(dá)到了最大值,再增加磷酸氫二鉀用量時(shí)脫膠率反而有所下降。在培養(yǎng)基中加入磷酸氫二鉀的主要目的是為了給枯草芽孢菌的生長提供微環(huán)境[7],在適宜的條件下,當(dāng)磷酸氫二鉀用量為6 g/L時(shí),初始p H值約為9,菌脫膠后p H值為中性,恰為其生長繁殖最適宜p H值。而菌繁殖量越高,產(chǎn)酶量越高,脫膠率越高。因此綜合考慮,磷酸氫二鉀6 g/L時(shí)最為合適。

2.1.2 初始接種量對微生物脫膠的影響

改變初始接種量(2%、5%、10%、15%),按照1.4工藝對羅布麻纖維進(jìn)行脫膠,磷酸氫二鉀用量為6 g/L,脫膠時(shí)間為24 h,溫度為37℃,測試脫膠率,結(jié)果如圖2所示。

圖2 初始接種量與脫膠率的關(guān)系

由圖2可以看出,當(dāng)初始菌量達(dá)到10%以后再增加菌量,脫膠率沒有明顯提升,反而略有下降。這說明當(dāng)初始菌量為10%左右時(shí),菌株在其能力范圍內(nèi)可分解的膠質(zhì)已經(jīng)基本分解完畢。接種量過低在進(jìn)入升溫脫膠階段時(shí)達(dá)不到產(chǎn)酶高峰,進(jìn)而達(dá)不到良好的脫膠效果;而接種量過高,可能使產(chǎn)酶高峰提前,在進(jìn)入升溫脫膠階段時(shí)由于p H值降低,酶的脫膠效果發(fā)揮不好。

2.1.3 脫膠時(shí)間對微生物脫膠的影響

改變脫膠時(shí)間(12、18、24、30 h),按照1.4工藝對羅布麻纖維進(jìn)行脫膠,磷酸氫二鉀用量為6 g/L,初始接種量為10%,溫度為37℃,測試脫膠率,結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出,脫膠時(shí)間在12～24 h這一區(qū)間,脫膠率隨著脫膠時(shí)間的延長而增加,脫膠24 h后脫膠率略有下降趨勢。原麻上的膠質(zhì)作為菌的養(yǎng)分來源,其膠質(zhì)含量是有限的,且菌產(chǎn)酶的數(shù)量也是一定的。隨著時(shí)間的延長,膠質(zhì)在酶的作用下逐漸被去除,但過長的時(shí)間不僅降低了菌的活力和脫膠效率,也在一定程度上造成能源消耗。因此,脫膠時(shí)間為24 h最為合適。

圖3 脫膠時(shí)間與脫膠率的關(guān)系曲線

2.1.4 脫膠溫度對微生物脫膠的影響

改變脫膠溫度(32、37、42、47℃),按照1.4工藝對羅布麻纖維進(jìn)行脫膠,磷酸氫二鉀用量為6 g/L,初始接種量為10%,脫膠時(shí)間為24 h,測試脫膠率,結(jié)果如圖4所示。

圖4 脫膠溫度與脫膠率的關(guān)系曲線

酶的催化作用是需要在合適的溫度下進(jìn)行。由圖4可以看出,當(dāng)溫度低于37℃時(shí),脫膠率隨溫度的升高而升高,但在37℃以后,脫膠率反而略有減小。在32～37℃時(shí),適當(dāng)?shù)臏囟忍岣吡嗣傅幕钚?從而增加了細(xì)菌對膠質(zhì)的分解速度,但脫膠溫度過高,脫膠率降低,這可能與高溫下蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變有關(guān),溫度過高抑制了酶的合成及活性[8]。由圖4可知,37～42℃是較合適的脫膠溫度范圍,其中37℃時(shí)脫膠效果最佳。

2.2 預(yù)處理對微生物脫膠的影響

按照1.5工藝進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同預(yù)處理方式與脫膠率關(guān)系

由圖5可以看出,對比空白試驗(yàn),3種預(yù)處理方法均能對麻皮中膠質(zhì)的去除發(fā)揮一定的作用,本試驗(yàn)采用預(yù)處理后再用枯草芽孢桿菌脫膠處理,脫膠率有一定程度的提高。

其中預(yù)酸處理效果最好,超聲波預(yù)處理效果最不明顯,超聲波的機(jī)械力作用、熱作用和空化作用,能使纖維素與膠質(zhì)達(dá)到初步的分離,效果不理想可能主要是由于超聲波預(yù)處理時(shí)間較短,處理不夠充分。

2.3 微生物脫膠+氧漂工藝

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),即使經(jīng)過微生物脫膠以及預(yù)處理+微生物脫膠后的羅布麻纖維(圖6a、圖6b和圖7a),其脫膠率、白度等均不能滿足紡紗織造和后續(xù)染色的要求。因此考慮在微生物脫膠處理工藝之后增加一道氧漂工藝,以便能更徹底地去除果膠、半纖維素等共生雜質(zhì),獲得較高的白度(圖6c),氧漂工藝見1.6章節(jié)。這道氧漂相較于傳統(tǒng)的化學(xué)脫膠,不僅大大降低了助劑的用量,煮練廢液中的COD值也明顯減小。

圖6 不同脫膠工藝后羅布麻纖維實(shí)物圖

由圖7b可以看出,經(jīng)過羅布麻微生物脫膠+氧漂工藝處理后的纖維表層的膠質(zhì)基本上已經(jīng)去除,達(dá)到可紡要求且纖維損傷不明顯。

圖7 不同脫膠工藝后的掃描電鏡圖

3 結(jié)論

(1)影響羅布麻微生物脫膠的因素主要有磷酸氫二鉀用量、初始接種量、脫膠時(shí)間和脫膠溫度。得出較優(yōu)的工藝條件為:磷酸氫二鉀用量6 g/L,初始接種量10%,脫膠時(shí)間24 h,脫膠溫度37℃。

(2)預(yù)處理(預(yù)水浸、預(yù)酸、超聲波)加工對羅布麻纖維的微生物脫膠有一定的輔助作用,其中預(yù)酸處理效果最好。

(3)羅布麻纖維單獨(dú)使用微生物脫膠后,白度較差且脫膠不完全,需配以一定的氧漂工藝,才能達(dá)到理想的脫膠效果,用于后續(xù)的紡紗織造環(huán)節(jié)。