堿性果膠酶對(duì)亞麻紗的精煉工藝研究

無(wú)法比擬的氨基纖維有許多優(yōu)點(diǎn)。這是一個(gè)開(kāi)發(fā)潛力巨大的環(huán)保原材料。但由于亞麻韌皮的單細(xì)胞間存在果膠物質(zhì),其主要成分是果膠酸的衍生物,且大部分以鈣、鎂鹽和甲酯的形式存在,通過(guò)化學(xué)鍵的形式與亞麻纖維中的半纖維素和含氮的物質(zhì)結(jié)合,在亞麻漚麻的過(guò)程中很難去除。亞麻纖維中還含有蠟狀物質(zhì)、木質(zhì)素、含氮物質(zhì)和灰分等雜質(zhì),這些雜質(zhì)大都包圍在纖維的外表,使纖維交接在一起而成堅(jiān)固的條狀物質(zhì),即原麻。原麻不但沒(méi)有可紡性,而且嚴(yán)重影響亞麻的潤(rùn)濕性和滲透性,影響染整加工過(guò)程的順利進(jìn)行。因而在紡紗之前必須將韌皮中的膠質(zhì)等雜質(zhì)去除,并使纖維相互分離,即脫膠。傳統(tǒng)去除果膠的方法是利用煮練過(guò)程中燒堿液對(duì)果膠物質(zhì)的作用,在去除亞麻纖維中其它雜質(zhì)過(guò)程的同時(shí),將之轉(zhuǎn)變成小分子或溶于水的物質(zhì)。但果膠物質(zhì)對(duì)亞麻纖維的潤(rùn)濕性、可滲透性都有影響,也將影響到其它雜質(zhì)的去除程度。果膠酶中含有酯酶、水解酶、裂合酶3種主要成分。裂合酶將果膠質(zhì)裂解為果膠,酯酶再對(duì)果膠水解,去掉含酯基團(tuán)生成果膠酸,最后被果膠酸酶水解生成半乳糖醛酸等小分子物質(zhì)溶于水,進(jìn)而將之水解。另外由于堿性果膠酶具有堿性和酶的雙重作用,可以先將果膠質(zhì)水解,同時(shí)為后面除去剩余的雜質(zhì)提供便利。與常規(guī)堿精練工藝相比,在酶和堿的共同作用下,去除效果更好,再加上酶催化作用的高效性和專一性,可降低前處理工藝條件的劇烈程度,減少對(duì)亞麻強(qiáng)力的損傷,同時(shí)也會(huì)減少燒堿的排放量,降低環(huán)境污染。1實(shí)驗(yàn)部分1.1非離子表面活性劑亞麻紗,堿性果膠酶,硫酸(分析純),硫代亞硝酸鈉(分析純),碳酸鈉(分析純),雙氧水(分析純),氫氧化鈉(分析純),硅酸鈉(分析純),非離子表面活性劑JFC,亞甲基藍(lán)。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備DK-98-Ⅰ型恒溫水浴鍋,DSBD-1型白度儀,pH計(jì),毛效測(cè)定儀,721型分光光度計(jì),電子天平。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1溫度和時(shí)間,浴比為5.工藝流程:酸洗→水洗→晾干→漂白→水洗→晾干→堿煮→溫水洗至中性→晾干。工藝配方:①酸洗配方:硫酸3g/L,JFC0.2g/L,溫度30～32℃,時(shí)間10～15min,浴比1∶50。②漂白配方:硅酸鈉4.0g/L,碳酸鈉2.0g/L,雙氧水4.0g/L,溫度90～95℃,時(shí)間40～60min,浴比1∶50。③堿煮配方:氫氧化鈉8g/L,碳酸鈉4g/L,JFC0.2g/L,硫代亞硫酸鈉4g/L,溫度90～93℃,時(shí)間50～60min,浴比1∶50。1.3.2制備浸酸配方工藝流程:浸酸→水洗→晾干→漂白→水洗→晾干→酶精練→水洗至中性→晾干。浸酸配方和漂白配方同上。酶精練處方:堿性果膠酶3%～7%(owf),pH值8.5～9.5,溫度40～50℃,時(shí)間1.5～6h,浴比1∶50。1.4性能試驗(yàn)1.4.1白測(cè)量在BSBD-1型白度儀上仿照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定:即用特定波長(zhǎng)下的反射率來(lái)表示白度。試樣的白度以已知白度的瓷板為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較而得出。1.4.2毛管能的測(cè)量在毛細(xì)管效應(yīng)儀上按標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)法(30min)測(cè)定。但實(shí)驗(yàn)材料是亞麻紗,所以用單根亞麻紗在30min內(nèi)液體上升的高度來(lái)表示。1.4.3亞甲基藍(lán)和亞麻纖維中多糖物質(zhì)的組成在煮練工序,基質(zhì)中殘留的果膠物質(zhì),采用在90～95℃亞甲基藍(lán)在基質(zhì)上平衡吸附的方法測(cè)定。這個(gè)評(píng)定方法是以亞甲基藍(lán)在基質(zhì)上的平衡吸附為基礎(chǔ)的。因?yàn)閬喖谆{(lán)為鹽基性染料,果膠物質(zhì)的主要組成部分是果膠酸的衍生物。果膠酸的化學(xué)組成是多半乳糖醛酸,果膠酸具有大量親水性的羥基和羧基,基于離子交換作用,亞甲基藍(lán)和果膠酸中的羧基發(fā)生如下的作用(亞甲基藍(lán)以MB+Cl-表示):R—COO+MB+Cl?→R—COOMB+H++ClR—CΟΟ+ΜB+Cl-→R—CΟΟΜB+Η++Cl-。而亞麻是纖維素纖維,纖維素是一種多糖物質(zhì),主要是由很多葡萄糖剩基連接起來(lái)的線性大分子組成,糖環(huán)中含有大量的氫原子和羥基,不能與亞甲基藍(lán)發(fā)生離子交換作用。因此,亞甲基藍(lán)不能上染纖維素纖維。因此可以用亞麻紗對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量近似地衡量亞麻纖維中果膠物質(zhì)的含量。吸附量越多,未被去除的果膠物質(zhì)越多,前處理越不充分。2結(jié)果與討論2.1最佳工藝條件的確定基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)確定了用酶代替燒堿對(duì)亞麻紗進(jìn)行前處理的可行性,在此基礎(chǔ)上選取時(shí)間、溫度、濃度、pH值4個(gè)因素作為正交試驗(yàn)的4個(gè)因子。另外,根據(jù)酶活性的大小從單因素中選取了4個(gè)因素的3個(gè)水平進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)。用電子天平稱取9份(2g/份)浸酸、漂白后的亞麻紗,用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果表的方案對(duì)9份亞麻紗進(jìn)行處理。處理完畢后,將亞麻紗洗滌、晾干。用于下面的實(shí)驗(yàn),正交試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表1、表2。殘余果膠含量的測(cè)定是用電子天平稱取0.06g亞甲基藍(lán)配成1000mL溶液得到濃度為0.06g/L的染液,稱取酶處理過(guò)的1～9號(hào)亞麻紗試樣(1g/份),在浴比為1∶50,95℃下吸附50～60min,實(shí)驗(yàn)完畢后取出試樣,測(cè)得9個(gè)殘液的吸光度A,殘液的吸光度越大,說(shuō)明亞甲基藍(lán)被吸附的越少,即殘余的果膠含量越少。從0.06g/L染前染液中用移液管取10mL稀釋到100mL,測(cè)其吸光度B為0.314,則0.06g/L的染液的吸光度為3.14。上染百分率(%)=(1-A/B)×100其中,A為吸附后染液的吸光度;B為吸附前染液的吸光度,求得9個(gè)試樣的吸附百分率見(jiàn)表31。由表2可知:①對(duì)白度的分析:由極差大小得出,因子影響的主次因素為C>A>D>B,最佳工藝條件為A1B3C3D3,即溫度40℃,時(shí)間2.5h,酶濃度7%(owf),pH值9.5。②對(duì)毛效的分析:由極差大小得出,因子影響的主次順序?yàn)镃>A>D>B,最佳工藝條件為A2B1C2D3,即溫度45℃,時(shí)間1.5h,酶濃度5%(owf),pH值9.5。③對(duì)吸附百分率的分析:這一性能指標(biāo),因子影響的主次順序?yàn)镃>A>D>B,最佳工藝條件為A2B1C2D3,即溫度45℃,時(shí)間1.5h,酶濃度5%(owf),pH值9.5。④最佳工藝條件的分析:對(duì)白度這一性能指標(biāo)來(lái)說(shuō),方案3為最佳工藝;對(duì)毛細(xì)管效應(yīng)和殘余果膠含量來(lái)說(shuō),方案4為最佳工藝。2者相比較,去除果膠等雜質(zhì)是主要目的,且9個(gè)方案的白度相差不大,所以選擇方案4為最佳工藝。2.2影響果膠酶提取的因素根據(jù)正交試驗(yàn)可以對(duì)影響堿性果膠酶精練工藝的因素,如pH值、溫度、酶濃度等進(jìn)行分析和討論。2.2.1預(yù)處理生物香精經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在酶處理前對(duì)亞麻紗進(jìn)行在60℃下、1.5h的浸酸和漂白預(yù)處理,有利于提高生物精練的效果。這是因?yàn)樵诼槔w維細(xì)胞微結(jié)構(gòu)中,共生物中的油脂、蠟質(zhì)可能處于細(xì)胞的最外層,而果膠質(zhì)可能處于油脂、蠟質(zhì)的里面,通過(guò)預(yù)處理使蠟質(zhì)呈不均勻分布狀態(tài),有利于果膠酶的作用,提高織物的潤(rùn)濕性能。浸酸還能除去麻纖維中的無(wú)機(jī)鹽類,漂白對(duì)改善亞麻紗的白度有很大的功效。2.2.2ph值對(duì)酶促進(jìn)劑活力的影響酶的活力與溶液的pH值關(guān)系密切,pH值對(duì)酶活力的影響是由酶本身的化學(xué)性質(zhì)所決定的。pH值的變化雖沒(méi)有改變酶分子的化學(xué)結(jié)構(gòu),但影響了酶分子活力中心上有關(guān)基團(tuán)的離解,從而影響酶與底物的作用;另外,酶是蛋白質(zhì),只有在一定的pH值范圍內(nèi)是穩(wěn)定的,否則易變性失活。因此,根據(jù)所用酶的性質(zhì)確定其溶液的pH值為8.5～9.5左右。2.2.3酶濃度對(duì)亞麻紗織物色度的影響在最佳工藝條件下,選取濃度分別為0%、3%、5%、7%(owf)酶對(duì)亞麻紗進(jìn)行處理,其結(jié)果如表3所示。由表3繪制曲線圖得圖1。隨著酶濃度的增加亞麻紗的毛效也隨之增加。酶降解亞麻紗果膠物質(zhì)的含量取決于酶的用量,即隨酶濃度增加反應(yīng)速率增加,織物的果膠物質(zhì)的去除量也得到相應(yīng)的提高。但當(dāng)酶濃度達(dá)到一定值時(shí),亞麻紗的潤(rùn)濕性將不會(huì)再隨之有明顯升高。這是由于底物的量一定,使底物完全轉(zhuǎn)化所需要酶的用量一定。因此,亞麻紗果膠物質(zhì)的去除量不再隨之有明顯升高。2.2.4溫度對(duì)亞麻紗的影響根據(jù)酶的一般活性和正交試驗(yàn)的結(jié)果,在最佳條件下,分別選30、40、50℃進(jìn)行處理,研究酶處理的溫度對(duì)亞麻紗潤(rùn)濕性的影響見(jiàn)表4。由表4繪制曲線得圖2。由圖2可知,酶對(duì)溫度很敏感,在40～50℃范圍內(nèi),亞麻紗有很好的潤(rùn)濕性,而在30℃時(shí),毛效較低,亞麻紗潤(rùn)濕性能差。溫度對(duì)酶的影響包括熱喪失活力和溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響2方面。升高溫度,對(duì)酶有雙重作用:一方面,活化分子數(shù)增加,有利于催化反應(yīng)進(jìn)行;另一方面,酶蛋白會(huì)逐漸變性失活。所以在選擇酶處理溫度時(shí),既要使酶發(fā)揮較高的活力,同時(shí)又能使之在處理過(guò)程中保持良好的熱穩(wěn)定性。隨著時(shí)間增加,亞麻紗的潤(rùn)濕性增加,酶在水溶液中滲透表皮,透過(guò)裂縫或微孔,與基質(zhì)物中的果膠接觸。果膠物質(zhì)借助于生物酶而水解,去除部分表皮或斷裂表皮的連續(xù)性。所以隨著時(shí)間的增加,果膠物質(zhì)水解增多,毛細(xì)管效應(yīng)增加。但隨著溫度的升高,增加毛效的作用時(shí)間越來(lái)越短。由此可見(jiàn),酶處理時(shí)間與溫度之間存在著一定的依賴關(guān)系,即溫度高所需的時(shí)間短,溫度低所需時(shí)間長(zhǎng)。2.3測(cè)試實(shí)驗(yàn)2.3.1亞麻紗的制備由正交試驗(yàn)結(jié)果分析得最佳工藝為:酶濃度5%(owf),pH值9.5,浴比1∶50,溫度45℃,時(shí)間1.5h。用電子天平稱取6份(3.0g/份),經(jīng)浸酸、漂白過(guò)的亞麻紗,3份用堿煮工藝,工藝配方為,氫氧化鈉8g/L,碳酸鈉4g/L,硫代亞硫酸鈉4g/L,JFC0.2g/L,浴比1∶50,溫度90～93℃,時(shí)間50～60min。另3份用堿性果膠酶處理,工藝配方為,堿性果膠酶5%(owf),JFC0.5g/L,pH值9.5,浴比1∶50,溫度45℃,時(shí)間1.5h。2.3.2不同堿處理的酶處理生活驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表5所示。從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看,在酶處理的溫度低于堿處理(50℃左右)的情況下,酶處理的白度比堿處理要好,但相差不大。酶處理后亞麻紗的潤(rùn)濕性和果膠去除量均好于堿處理,進(jìn)一步證明了用果膠酶處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的堿處理去除果膠物質(zhì)的可行性和優(yōu)越性。3加入適量助劑①影響堿性果膠酶處理亞麻紗的因素有pH值、溫度、時(shí)間、濃度、助劑等。通過(guò)正交試驗(yàn)得出,堿性果膠酶處理亞麻紗的最佳工藝條件為:濃度5%(owf),pH值9.5,浴比1∶50,溫度45℃,時(shí)間1.5h。最高毛效可達(dá)到16.8cm/30min,加入適量助劑