復(fù)合生物酶在竹纖維生物脫膠中的應(yīng)用探討

朱正鋒，蔡麗麗，齊大鵬

（1.中原工學(xué)院；2.河南省功能性紡織材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450007）

復(fù)合生物酶在竹纖維生物脫膠中的應(yīng)用探討

朱正鋒1，2，蔡麗麗1，2，齊大鵬1，2

（1.中原工學(xué)院；2.河南省功能性紡織材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450007）

通過單因子實(shí)驗(yàn)、正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及其驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了復(fù)合生物酶的脫膠工藝參數(shù)，優(yōu)化的參數(shù)組合為：酶濃度4g／L，pH＝7.5，t＝10h，T＝55℃，并認(rèn)為此酶在竹纖維的生物脫膠中有一定作用.

復(fù)合生物酶；生物脫膠；單因子；正交設(shè)計(jì)

竹纖維是一種新型纖維，而我國又是世界第一竹資源大國［1］，因此，對(duì)竹纖維的開發(fā)利用有廣闊的前景.竹纖維分為天然竹纖維和再生竹纖維.天然竹纖維的制取有物理機(jī)械法、化學(xué)脫膠法和生物脫膠法，從可持續(xù)發(fā)展角度考慮，生物脫膠法具有產(chǎn)品質(zhì)量好、環(huán)境污染少、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)［2］.本文就酶法脫膠用于竹纖維膠質(zhì)的脫除進(jìn)行了初步研究.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

將取材于福建福州的竹材，經(jīng)劈開、熱裂解得到的粗竹纖維；諾維信301L復(fù)合生物酶；NaOH；NaHCO3；蒸餾水.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用諾維信301L復(fù)合生物酶經(jīng)單因子實(shí)驗(yàn)、正交實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對(duì)粗竹進(jìn)行處理，處理后測定纖維失重率來說明酶脫膠效果.

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

DZKW－S－8型水浴鍋；燒杯若干；滴管；SE202F型百分之一電子天平；PHS－25型pH計(jì)；HS.Z68.5型電熱蒸餾水器；100ml量筒.

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合生物酶的單因子實(shí)驗(yàn)

在參考大量資料［3－5］的前提下，基本確定了影響酶脫膠效果的因子的范圍，并在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn).

2.1.1 酶濃度對(duì)脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)

酶濃度對(duì)脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 酶濃度對(duì)脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出，在其他參數(shù)相同的情況下，在酶濃度為4g／L及15g／L時(shí)，粗竹的失重率最高，而酶濃度越高，脫膠效果越好，不過從3g／L開始，脫膠效果已趨于平穩(wěn)，而從減少酶用量角度考慮，在酶濃度為3g／L、4g／L及6g／L時(shí)，粗竹的脫膠效果都比較好，因此，在正交設(shè)計(jì)時(shí)，選擇酶濃度因子為3g／L、4g／L、6g／L.

2.1.2 酶作用時(shí)間對(duì)脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)

酶作用時(shí)間對(duì)脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 酶作用時(shí)間對(duì)脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，脫膠時(shí)間越長，脫膠效果越好，而從12h開始，失重變化幅度減小.對(duì)于企業(yè)來說，時(shí)間就是效益，因此，從縮短脫膠周期來看，選擇時(shí)間因子為8h、10h、12h.

2.1.3 酶溶液pH值對(duì)酶脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)

酶溶液pH值對(duì)酶脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 酶溶液pH值對(duì)脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3可以看出，酶溶液pH值對(duì)脫膠效果有較大影響，當(dāng)pH值為7.5時(shí)，脫膠效果最好，而在pH值為7.5左右即7.0及8.0時(shí)，脫膠效果也較好，而酶的活性受pH值影響，pH值過大或過小都會(huì)對(duì)脫膠效果有很大的影響，甚至?xí)姑甘Щ?因此，在正交設(shè)計(jì)時(shí)，選擇pH 值為7.0、7.5、8.0.

2.1.4 酶溶液溫度對(duì)酶脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)

酶溶液溫度對(duì)酶脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 酶溶液溫度對(duì)酶脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從表4可以看出，作為影響酶活性的另一重要因子，溫度在酶脫膠效果中也有舉足輕重的作用，在溫度為55℃時(shí)，脫膠效果最好.因此，選擇溫度因子范圍為50～60℃.

2.1.5 酶溶液浴比對(duì)酶脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)

酶溶液浴比對(duì)酶脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 酶溶液浴比對(duì)酶脫膠效果的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表5可以看出，浴比對(duì)酶脫膠效果的影響比較小，而浴比也是通過改變脫膠過程中pH值等因子來影響脫膠效果.因此，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，選擇浴比為1∶30作為正交設(shè)計(jì)的參數(shù)，而不再對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化.

2.2 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

用正交表安排實(shí)驗(yàn)將大大減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，減少實(shí)驗(yàn)量，而且比較簡明［6］.根據(jù)單因子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及分析，本次實(shí)驗(yàn)選擇正交表L9（34），以確定酶處理時(shí)間、酶濃度、pH值及溫度等因素的工藝參數(shù).各因素的水平選取如表6所示.

表6 正交試驗(yàn)因素與水平表

根據(jù)表6，對(duì)各因素水平進(jìn)行脫膠實(shí)驗(yàn)，用失重率來說明脫膠效果，其結(jié)果如表7所示.

通過對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的9個(gè)試樣的失重率的分析比較，可以看出：

（1）實(shí)驗(yàn)2的失重率最高，為9.6%，從理論上分析，實(shí)驗(yàn)2所在的組合是最優(yōu)的參數(shù)組合，即A1B2C2D2，但是這并不能說明這個(gè)組合就是優(yōu)化組合；

（2）按照極差大小排列出因素的主次順序?yàn)椋築→A→C→D.B因素即pH值的極差最大，表明pH值對(duì)失重率的影響最大，這是由于半纖維素與果膠分解后產(chǎn)生酸類物質(zhì)，隨著反應(yīng)進(jìn)行，對(duì)pH值有影響；A即濃度的極差略小，影響程度不如溫度，但是也非常關(guān)鍵；C因素即時(shí)間對(duì)失重率的影響程度不大；D因素即溫度對(duì)失重率的影響最小，而理論分析溫度為55℃時(shí)，脫膠效果最好.因此，我們認(rèn)為最優(yōu)的脫膠溫度為55℃.

表7 各試樣的失重率及其極差分析表

（3）經(jīng)因素水平趨勢分析得出優(yōu)化組合.對(duì)圖1所示因素水平趨勢圖分析，可以確定酶濃度為4g／L、pH值為7.5、時(shí)間t為10h、溫度T為55℃時(shí)，失重率都是最大的.因此本次實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，A2B2C2D2組合為實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)方案，即優(yōu)化組合為酶濃度4g／L，pH＝7.5，t＝10h，T＝55℃.2

圖1 各因素水平與失重率關(guān)系圖

.3 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

在此次正交設(shè)計(jì)的9組實(shí)驗(yàn)中并未包含分析得到的優(yōu)化組合，因此還需要追加驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).同時(shí)每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)或多或少存在一定的誤差，為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在完成正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行了3次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，得到的平均失重率為10.2%，優(yōu)于正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此本次實(shí)驗(yàn)得到的優(yōu)化組合有效.

3 結(jié) 語

酶處理能有效地去除竹材中的果膠質(zhì)和半纖維素等物質(zhì)，且對(duì)竹纖維強(qiáng)度損傷小.經(jīng)單因子實(shí)驗(yàn)、正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了301L復(fù)合生物酶處理粗竹工藝，優(yōu)化組合為：酶濃度4g／L，pH＝7.5，t＝10h，T＝55℃，并認(rèn)為此酶對(duì)粗竹脫膠處理有一定作用.但從處理后的粗竹纖維脫膠效果看，酶對(duì)粗竹纖維的脫膠效果不是很明顯，主要可能是因?yàn)榇种窭w維中含有大量的木質(zhì)素，影響了酶對(duì)果膠質(zhì)等的去除效果，因此對(duì)其研究還有待深入.

［1］ 吳葉青.竹資源的深加工產(chǎn)品——竹纖維與竹炭制品 ［J］.浙江林業(yè)科技，2002，22（4）：77－79.

［2］ 鄧首哲，郭豫吉，傅佳佳，等.竹纖維生物酶脫膠技術(shù)初探.［J］.中國麻業(yè)科學(xué)，2009，31（1）：41－44

［3］ 杜冰，鄭來久.紅麻韌皮纖維生物酶脫膠研究新發(fā)展 ［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2006，24（3）：64－66.

［4］ 丁紹敏，劉學(xué)軍，劉澤楨，等.苧麻酶生化脫膠與應(yīng)用技術(shù)研究 ［J］.廣西紡織科技，2006，35（2）：6－10.

［5］ 白延坤，劉秉鉞，何連芳.韌皮纖維生物脫膠制漿的研究及發(fā)展 ［J］.中國造紙學(xué)報(bào)，2006，21（3）：88－92.

［6］ 劉文卿.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：67－71.

Application of Novozymes 301L Compound Enzyme in the Degumming of Bamboo Fibers

ZHU Zheng－feng1，2，CAI Li－li1，2，QI Da－peng1，2
（1.Zhongyuan University of Technology；2.Henan Key Laboratory of Functional Textiles Material，Zhengzhou 450007，China）

For studying the practicability of compound enzyme in the degumming of bamboo fibers，by a single factor experiment，orthogonal design experiment and its verification experiment，this paper optimized the degumming process parameters，the results are as follows：enzyme concentration 4g／L，pH＝7.5，t＝10h，T＝55℃，and considered that this enzyme has a role in biological degumming for bamboo fibers.

compound biological enzyme；biological degumming；single factor；orthogonal design

TS102.2

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.012

1671－6906（2010）05－0046－03

2010－09－14

朱正鋒（1957－），男，河南三門峽人，教授.