果膠酶預(yù)處理對工業(yè)大麻稈纖維分離影響初探*

吳寧，杜官本，李曉平

(云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實驗室，西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明650224)

纖維分離是纖維板制造、制漿造紙和紡織生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，目前纖維分離多采用機(jī)械法、物理法和化學(xué)法，這些傳統(tǒng)的分離方法存在纖維產(chǎn)量低、纖維質(zhì)量差、能耗高、污染嚴(yán)重等不足，利用生物酶法分離纖維則是一種綠色、環(huán)保的生產(chǎn)工藝。利用生物酶對原料進(jìn)行預(yù)處理后再進(jìn)行纖維分離可以降低纖維分離能耗，降低纖維分離對環(huán)境造成的污染［1］等，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。這些生物酶包括果膠酶、木質(zhì)素酶、纖維素酶和木聚糖酶等。

工業(yè)大麻稈纖維是一種長度中等、壁腔比小的優(yōu)質(zhì)纖維原料［2］，具有許多其他纖維無法比擬的優(yōu)良特性，被廣泛用于造紙和人造板制造等工業(yè)領(lǐng)域［3～7］。工業(yè)大麻稈的主要化學(xué)成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等碳水化合物及少量的果膠;果膠廣泛存在于植物的細(xì)胞初生壁和胞間層中，在纖維細(xì)胞胞間層中，果膠質(zhì)與纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等相互交聯(lián)［8～9］，形成復(fù)雜的化學(xué)鍵，使細(xì)胞壁緊密地結(jié)合在一起，所以利用果膠酶對原料進(jìn)行預(yù)處理，降解胞間層中的果膠質(zhì)，能達(dá)到纖維分離的目的 (圖1和圖2)。項目組研究了果膠酶預(yù)處理對工業(yè)大麻稈重量損失率和化學(xué)成分的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過果膠酶預(yù)處理后，工業(yè)大麻稈的重量損失率比同條件下水處理的重量損失率要高;隨著果膠酶處理時間和處理濃度的增加，工業(yè)大麻稈中的果膠質(zhì)含量降低，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量先增加后減小;經(jīng)果膠酶溶液處理后，處理液中主要含有半乳糖醛酸以及一些可溶于水的碳水化合物?？梢姡?jīng)果膠酶預(yù)處理后，工業(yè)大麻稈中主要是果膠質(zhì)被溶解，隨著果膠質(zhì)的溶解，和果膠質(zhì)結(jié)合在一起的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素也有一部分會脫落，因此出現(xiàn)了纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量先增加后減小的現(xiàn)象。

圖1 未經(jīng)處理的工業(yè)大麻稈結(jié)構(gòu)(擴(kuò)大500倍)Fig．1 The structure of industrial hemp stalk untreated by pectinase

圖2 工業(yè)大麻稈樣品果膠酶預(yù)處理 (擴(kuò)大500倍)Fig．2 The structure of industrial hemp stalk treated by pectinase

果膠酶對分解果膠有催化作用，主要用于果汁加工和葡萄酒的制備［10］;近年來，隨著亞麻、苧麻和大麻等被用于紡織，果膠酶也被用于亞麻或苧麻脫膠以及纖維素纖維品處理［11］;果膠酶只作用于果膠質(zhì)，不會造成纖維的損傷［12］，是一種理想的果膠質(zhì)去除試劑。本項目利用單因素法，研究不同處理溫度、不同濃度果膠酶溶液、不同處理時間對工業(yè)大麻稈處理效果，并與對照組相比較，分析果膠酶溶液對分離后的纖維形態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

工業(yè)大麻取自云南省農(nóng)科院，品種為云麻1號，在實驗室自制成長度2～3 cm、寬度1～1．5 cm、厚度0．5～0．8 cm的碎料。果膠酶購自上海藍(lán)季生物有限公司，活性為20 000 u/g，可用pH范圍為 3．5 ～6．0。

1.2 試驗方法

未處理工業(yè)大麻稈1．5 kg(絕干)，增濕至50%后置于30 kg的水中或不同濃度的果膠酶溶液 (pH為5．5～5．8)中，由于木材加工工廠纖維板進(jìn)行纖維分離的溫度通常為150～160℃的高溫，實驗室中無法滿足，故在110℃條件下通過延長蒸煮時間來實現(xiàn)纖維分離的目的;纖維分離的原理是利用高溫來軟化纖維細(xì)胞胞間層中的木質(zhì)素和半纖維素以達(dá)到纖維分離的目的，降低溫度延長加熱時間和提高溫度縮短加熱時間的效果是相同的。將工業(yè)大麻稈碎料進(jìn)行蒸煮后，利用高濃度盤磨機(jī)進(jìn)行纖維分離，磨盤間距為1．0 mm;試驗中工業(yè)大麻稈果膠酶溶液的預(yù)處理方案見表1(CK為對照組)。

表1 工業(yè)大麻稈果膠酶溶液的預(yù)處理方案Tab．1 Industrial hemp stalk pretreated by pectin enzyme

1．2．1 纖維形態(tài)的測定

利用盤磨機(jī)分離纖維，將磨制好的纖維樣品分別放置于干凈的試管中，加入干凈的水至試管的3/4處，用玻璃棒輕微攪拌，使樣品充分分散，直至些許纖維漂浮于上層水面，試管出現(xiàn)渾濁;之后用膠頭吸管吸取些許樣品，用10 g/L的番紅溶液進(jìn)行染色，制成臨時載玻片［13～17］，利用Motic Images Plus 2．0圖像處理系統(tǒng)測量纖維的尺寸，先在40倍顯微鏡下量取纖維的長度，后在100倍的顯微鏡下找到對應(yīng)纖維量取其寬度，每個樣品取100根纖維進(jìn)行觀察和測量。

1．2．2 纖維根數(shù)的觀測

在電鏡下面隨機(jī)選取100根纖維束，觀察每一束纖維中的纖維根數(shù)，并做統(tǒng)計。在電鏡下觀察未用果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈纖維束中纖維根數(shù)和用果膠酶在不同預(yù)處理條件下處理的工業(yè)大麻稈纖維束中纖維根數(shù) (圖3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠酶預(yù)處理對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響

果膠酶預(yù)處理對工業(yè)大麻纖維形態(tài)的影響見圖3。經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)發(fā)生了變化，單根纖維比例增加?？梢姽z酶可以有效降解細(xì)胞胞間層中的果膠質(zhì)含量，降低纖維分離的難度，提高纖維分離的效果。

圖3 未用果膠酶處理 (a)和用果膠酶預(yù)處理 (b)的工業(yè)大麻稈纖維束形態(tài) (擴(kuò)大40倍)Fig．3 The effect of pectin enzyme pretreatment/no pretreatment on fiber morphology of industrial hemp stalk

2.2 果膠酶處理溫度對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響

果膠酶處理溫度對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響見圖4。

圖4 果膠酶處理溫度對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響Fig．4 The effect of pectin enzyme temperature on fiber morphology of industrial hemp stalk

由圖4可以看出，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈與未處理的工業(yè)大麻稈相比，纖維長度在0～500 μm時，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的纖維長度比未處理的纖維長度要長;纖維長度在500～1 000 μm時，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的纖維長度比未處理的纖維長度要短;纖維長度＞1 000 μm時，經(jīng)果膠酶在40℃和50℃條件下預(yù)處理的纖維長度比未處理的纖維長度要短。纖維寬度在0～50 μm時，經(jīng)果膠酶在40℃和60℃條件下預(yù)處理的纖維寬度比未處理的纖維寬度要小;纖維寬度在50～100 μm時，經(jīng)果膠酶在50℃條件下預(yù)處理的纖維寬度比未處理的纖維寬度要小;纖維寬度＞100 μm時，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的纖維寬度比未處理的纖維寬度要小。經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈纖維束中纖維根數(shù)與未處理的相比，樣品中含有1根纖維時，經(jīng)果膠酶在50℃預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的多;樣品中含有2根和3根纖維時，經(jīng)果膠酶在40℃和60℃預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的多;樣品中含有4根纖維及以上時，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的少。可見，工業(yè)大麻稈經(jīng)果膠酶預(yù)處理后利用盤磨機(jī)分離的纖維與未經(jīng)果膠酶處理分離的纖維相比具有纖維形態(tài)好、1～3根纖維的比例增加的趨勢。

用果膠酶預(yù)處理工業(yè)大麻稈，隨著蒸煮溫度的升高，工業(yè)大麻稈纖維長度在0～500 μm范圍內(nèi)呈降低的趨勢，在500～1 000 μm范圍內(nèi)呈先升高后降低的趨勢;纖維寬度在0～50 μm范圍內(nèi)呈先升高后降低的趨勢，在50～100 μm、＞100 μm范圍內(nèi)呈先降低后升高的趨勢;樣品中含有1根纖維的根數(shù)呈先升高后降低的趨勢，樣品中含有2根、3根纖維的根數(shù)呈先降低后升高的趨勢。由此可見，當(dāng)果膠酶處理溫度為50℃時，纖維長度在500～1 000 μm范圍內(nèi)呈減小的趨勢，纖維寬度在50～100 μm范圍內(nèi)呈減小的趨勢，1～3根纖維比例增加，該處理溫度對工業(yè)大麻稈纖維分離的效果較好。

2.3 果膠酶濃度對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響

果膠酶濃度對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響見圖5。

圖5 果膠酶濃度對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響Fig．5 The effect of pectin enzyme concentration on fiber morphology of industrial hemp stalk

由圖5可以看出，經(jīng)不同濃度的果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈與未處理的工業(yè)大麻稈相比，纖維長度在0～500 μm時，經(jīng)果膠酶在濃度為0．50%和1．00%條件下預(yù)處理的工業(yè)大麻稈的纖維長度比未處理的纖維長度要長;纖維長度在500～1 000 μm時，經(jīng)果膠酶在不同濃度條件下預(yù)處理的工業(yè)大麻稈的纖維長度均比未處理的纖維長度要短;纖維長度在＞1 000 μm時，經(jīng)果膠酶在濃度為1．00%和1．50%條件下預(yù)處理的工業(yè)大麻稈的纖維長度比未處理的纖維長度要長。工業(yè)大麻稈纖維寬度在0～50 μm時，經(jīng)果膠酶在濃度為1．00%、1．50%條件下預(yù)處理的纖維寬度比未處理的纖維寬度要小;纖維寬度在50～100 μm時，經(jīng)果膠酶在不同濃度條件下預(yù)處理的纖維寬度均比未處理的纖維寬度要大;纖維寬度在＞100 μm時，經(jīng)果膠酶在不同濃度條件下預(yù)處理的纖維寬度均比未處理的纖維寬度要小。經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈纖維束中纖維根數(shù)與未處理的相比，樣品中含有1根纖維時，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的要少;樣品中含有2根纖維時，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的要多;樣品中含有3根纖維時，經(jīng)果膠酶在濃度為0．50%、1．00%條件下預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的要多;樣品中含有4根以上纖維時，經(jīng)果膠酶在濃度為0．50%、1．00%條件下預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的纖維根數(shù)要少。可見，工業(yè)大麻稈經(jīng)果膠酶預(yù)處理后利用盤磨機(jī)分離的纖維與未經(jīng)果膠酶處理分離的纖維相比具有纖維形態(tài)好、2～3根纖維的比例增加的趨勢。

用果膠酶預(yù)處理工業(yè)大麻稈，隨著果膠酶濃度的升高，纖維長度在0～500 μm范圍內(nèi)呈先升高后降低的趨勢，在500～1 000 μm范圍內(nèi)呈先降低后升高的趨勢，在＞1 000 μm范圍內(nèi)呈遞增的趨勢;纖維寬度在0～50 μm范圍內(nèi)呈先降低后升高的趨勢，在50～100 μm和＞100 μm范圍內(nèi)呈先升高后降低的趨勢;樣品中含有1根和4根以上纖維的根數(shù)呈遞增的趨勢，樣品中含有2根纖維的根數(shù)呈先降低后升高的趨勢，樣品中含有3根纖維的根數(shù)呈先升高后降低的趨勢。由此可見，當(dāng)果膠酶預(yù)處理濃度為1．0%時，纖維長度在500～1 000 μm范圍內(nèi)呈減小的趨勢，纖維寬度在0～50 μm范圍內(nèi)呈減小的趨勢，2～3根纖維比例增加，該處理濃度對工業(yè)大麻稈纖維分離的效果較好。

2.4 果膠酶處理時間對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響

果膠酶處理時間對工業(yè)大麻纖維形態(tài)的影響見圖6。

圖6 果膠酶處理時間對工業(yè)大麻稈纖維形態(tài)的影響Fig．6 The effect of pectin enzyme time on fiber morphology of industrial hemp stalk

由圖6可以看出，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈與未處理的工業(yè)大麻稈相比，纖維長度在0～500 μm時，經(jīng)果膠酶在2 h和3 h條件下預(yù)處理的纖維長度比未處理的纖維長度要長;纖維長度在500～1 000 μm時，經(jīng)果膠酶在2 h和3 h條件下預(yù)處理的纖維長度比未處理的纖維長度要短;纖維長度在＞1 000 μm時，經(jīng)果膠酶在3 h條件下預(yù)處理的纖維長度比未處理的纖維長度要長。纖維寬度在0～50 μm時，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈纖維寬度比未處理的纖維寬度要小;纖維寬度在50～100 μm時，經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈纖維寬度比未處理的纖維寬度要大;纖維寬度在＞100 μm時，經(jīng)果膠酶在3 h和4 h條件下預(yù)處理的工業(yè)大麻稈纖維寬度比未處理的纖維寬度要小。經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈纖維束中纖維根數(shù)與未處理的纖維根數(shù)相比，樣品中含有1根纖維時，經(jīng)果膠酶不同預(yù)處理時間的纖維根數(shù)比未處理的少;樣品中含有2根纖維時，經(jīng)果膠酶不同預(yù)處理時間的纖維根數(shù)比未處理的多;樣品中含有3根纖維時，經(jīng)果膠酶在4 h預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的少;樣品中含有4根以上纖維時，經(jīng)果膠酶在3 h、4 h預(yù)處理的纖維根數(shù)比未處理的少?？梢?，工業(yè)大麻稈經(jīng)果膠酶預(yù)處理后利用盤磨機(jī)分離的纖維與未經(jīng)果膠酶處理分離的纖維相比具有纖維形態(tài)好、2～3根纖維的比例增加的趨勢。

用果膠酶預(yù)處理工業(yè)大麻稈，隨著處理時間的延長，工業(yè)大麻稈纖維長度在0～500 μm范圍內(nèi)呈降低的趨勢，在＞1 000 μm范圍內(nèi)呈先升高后降低的趨勢;纖維寬度在0～50 μm范圍內(nèi)呈先降低后增加的趨勢，在50～100 μm范圍內(nèi)呈先升高后降低的趨勢，在＞100 μm范圍內(nèi)呈遞減的趨勢;樣品中含有2根纖維的根數(shù)呈先降低后升高的趨勢，樣品中含有3根纖維的根數(shù)呈先升高后降低的趨勢，樣品中含有4根以上纖維的根數(shù)呈遞減的趨勢。由此可見，當(dāng)果膠酶處理時間為3 h時，纖維長度在500～1 000 μm范圍內(nèi)呈減小的趨勢，纖維寬度在0～50 μm范圍內(nèi)呈減小的趨勢，2～3根纖維比例增加，該處理時間對工業(yè)大麻稈纖維分離的效果較好。

總之，用果膠酶預(yù)處理工業(yè)大麻稈纖維分離與蒸煮溫度、果膠酶的濃度、處理時間有關(guān);經(jīng)果膠酶溶液處理后，工業(yè)大麻稈纖維的細(xì)度得到了降低，可能是果膠酶可以有效降低纖維細(xì)胞胞間層的結(jié)合，使纖維分離的難度降低。在制做纖維板［18］時，纖維分散越好 (即纖維根數(shù)越少)，所制成的纖維板的結(jié)構(gòu)越致密、質(zhì)量越好。經(jīng)果膠酶溶液處理后的工業(yè)大麻稈纖維束，纖維根數(shù)減少，有利于制漿造紙［19］。

3 結(jié)論

(1)用果膠酶預(yù)處理工業(yè)大麻稈進(jìn)行纖維分離，作用溫和，對纖維的損傷小，可降低纖維分離的難度，在技術(shù)上是可行的。

(2)當(dāng)果膠酶處理溫度為50℃，溶液濃度為1．0%，處理時間為3 h時，纖維長度較長，寬度較小，1～3根纖維比例高，即經(jīng)果膠酶預(yù)處理的工業(yè)大麻稈能夠使大麻纖維分離變得比較容易進(jìn)行，單根纖維的比例增加;在本實驗中該處理條件最佳。

今后將進(jìn)一步研究果膠酶對工業(yè)大麻稈纖維素微纖絲角和相對結(jié)晶度的影響，并通過篩選新的微生物和優(yōu)化發(fā)酵液的方法來制備出適應(yīng)木材加工專用的高效果膠酶溶液來進(jìn)一步提高果膠酶在工業(yè)大麻稈纖維分離產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，為實現(xiàn)綠色生物酶法分離纖維奠定基礎(chǔ)。

［1］Pramod K，Bajpai．Solving the problems of recycled fiber processing with enzymes［J］．BioResources，2010，5(2):1311-1325．

［2］李曉平，陳沖．工業(yè)大麻稈的顯微構(gòu)造和纖維形態(tài)研究［J］．纖維素科學(xué)與技術(shù)，2010(9):28-34．

［3］Soljaci C I，Cunko R．Croatian textiles throughout history［J］．Tekstil，1994，43(Ⅱ):584-602．

［4］Kovacs I，Rab A，Rusznak I，et al．Hepm(Cannabis sativa)as a possible raw-material for the paper-industry［J］．Cellulose Chemistry and Technology，1992，26(5):627-635．

［5］Pecenka R，F(xiàn)urll C，Idler C，et al．Fibre boards and composites from wet preserved hemp［J］．International Journal of Materials ＆Product Technology，2009，36(1-4):208-220．

［6］Vignon M R，Dupeyre D，Garcia J C．Morphologicalch aracterization of steam-exploded hemp fibers and their utilization in polypropylene-based composites［J］．Bioresource Technology，1996，58(2):203-215．

［7］楊陽，張云云，蘇文君，等．工業(yè)大麻纖維特性與開發(fā)利用［J］．中國麻業(yè)科學(xué)，2012，34(5):237-240．

［8］Baskin，T．Anisotropic expansion of the plant cell wall［J］．Annu．Rev．Cell Dev．Biol，2005，21:203-222．

［9］Caffall K．H，Mohnen D．The structure，function，and biosynthesis of plant cell wall pectic polysaccharides［J］．Carbohydrate Research，2009，344(14):1879-1900．

［10］S．V．Chikkodi，S．Khan，R．D Mehta．Effects of Biofinishing on cotton/wool blended fabrics［J］．Textile Research Journal，1995，65(10):564-569．

［11］Kashyap D R，Vohra P K，CHOPRAS，et al．Application of pectinases in the commercial sector:a review［J］．Bioresource Technology，2001，77(3):215-227．

［12］劉理璋，趙瑩，武慧敏，等．生物酶在棉織物前處理中的應(yīng)用［J］．染整技術(shù)，2013(10):32-36．

［13］張軍英，張威，李向紅．大麻纖維:再度引起關(guān)注的紡織纖維［J］．國外紡織技術(shù)，2002(7):7-10．

［14］王嘉楠，查朝生，劉盛全．人工林楊樹木材纖維形態(tài)特征及其變異的研究［J］．安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，33(2):149-154．

［15］唐秋，蒲俊文．幾種速生闊葉材纖維形態(tài)的研究［J］．中華紙業(yè)，2006，27(5):71-73．

［16］廖聲熙，李昆，楊振寅，等．不同年齡構(gòu)樹皮的纖維、化學(xué)特性與制漿性能研究［J］．林業(yè)科學(xué)研究，2006，19(4):436-440．

［17］萇姍姍，劉元，胡進(jìn)波，等．人工林尾巨桉株內(nèi)、株間纖維形態(tài)變異的研究［J］．中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2007，27(5):92-96．

［18］李曉平，吳章康，劉剛連，等．不同阻燃劑對工業(yè)大麻稈中密度纖維板性能的影響研究［J］．西部林業(yè)科學(xué)，2013，42(5):32-36．

［19］初樂，趙巖，葛邦國，等．果膠酶研究及應(yīng)用［J］．果蔬加工，2012(2):54-56．