工業(yè)大麻纖維復合酶脫膠工藝研究

焦偉航，金海燕，李 闖，劉曉蘭，吳紅艷，田英華，2

(1.齊齊哈爾大學 食品與生物工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006； 2.齊齊哈爾大學 寒區(qū)麻及制品教育部工程研究中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

工業(yè)大麻，在我國也稱漢麻，是指植物中四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%的無毒品利用價值的大麻類型，為大麻科大麻屬一年生草本生物。據(jù)統(tǒng)計，2018年中國工業(yè)大麻產量達到10.52萬t，工業(yè)大麻市場規(guī)模為79.1億元，2020年中國工業(yè)大麻市場規(guī)模增長至94.5億元左右。中國的氣候及土壤環(huán)境具有得天獨厚的工業(yè)大麻種植優(yōu)勢，目前，我國是全球最大的工業(yè)大麻種植國家，種植面積為18.56千公頃，面積占比超過50%。與其他麻類纖維相比，工業(yè)大麻纖維最為細軟，細度約為苧麻纖維的1/3。工業(yè)大麻纖維的膠雜質含量較高，主要為木質素、果膠及半纖維素，約占40%左右，因此，工業(yè)大麻纖維的脫膠難度也較其他麻類大，脫膠工藝也成為獲得高品質工業(yè)大麻纖維的關鍵環(huán)節(jié)。與化學脫膠相比，酶法脫膠不僅對工業(yè)大麻纖維的損傷小，而且對環(huán)境友好，符合綠色發(fā)展的理念。近年來，麻類纖維酶法脫膠多采用果膠酶，但果膠酶對木質素的脫除并不理想，而木質素的含量是評價麻纖維品質的重要指標之一。本文采用復合酶分別作用于工業(yè)大麻膠質中的果膠、半纖維素和木質素三大類主要組分，比單酶脫膠更為有效，并可提高纖維的色澤、柔軟性等品質。本文以果膠酶、木聚糖酶和漆酶復合酶液對工業(yè)大麻纖維進行脫膠處理，以脫膠后工業(yè)大麻纖維的失重率及殘膠率為響應值確定了適宜的脫膠條件，力圖為復合酶工業(yè)大麻脫膠的研究、綠色紡織品的開發(fā)及工業(yè)大麻纖維的性能改善提供理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料

工業(yè)大麻纖維產自甘肅天水。

果膠酶(諾維信(中國)生物技術有限公司)；木聚糖酶、漆酶(蘇柯漢(濰坊)生物工程有限公司)；其他化學試劑均為分析純，市售。

1.2 試驗方法

將工業(yè)大麻纖維3 g加入質量濃度0.01 g/mL NaOH，0.01 g/mL NaCO，0.01 g/mL NaPO溶液中，浴比1∶30，100 ℃加熱20 min，處理后的工業(yè)大麻纖維超聲波清洗至中性，干燥。

將堿預處理后的工業(yè)大麻纖維加入浴比1∶30，由果膠酶、木聚糖酶、漆酶組成的復合酶液中，35 ℃，pH值4.2，脫膠處理4 h。脫膠后的工業(yè)大麻纖維超聲波清洗，干燥。

亞麻纖維的分離程度采用Freid評分法。根據(jù)纖維分離的程度評分，共4個等級。0為不分散，1為稍有分散，2為基本分散，3為分散良好。本文工業(yè)大麻纖維的分離程度也采用Freid評分法進行評價。

工業(yè)大麻纖維質量損失率采用質量差法進行測試：

=(-)×100

式中：為質量損失率，%；為脫膠前工業(yè)大麻莖的質量，g；為脫膠后工業(yè)大麻莖的質量，g。

參照GB 5889—1986《苧麻化學成分定量分析方法》測試工業(yè)大麻纖維的殘膠率。

在脫膠條件優(yōu)化結果基礎上，以最適宜用量的果膠酶、木聚糖酶、漆酶和適宜pH值為自變量，以失重率和殘膠率為指標。每組試驗設3個重復，按照9(3)正交表進行正交試驗。試驗安排見表1。

表1 酶法脫膠條件優(yōu)化的正交試驗設計Tab.1 Orthogonal test design for enzymatic retting

2 試驗結果與討論

2.1 工業(yè)大麻纖維堿預處理條件優(yōu)化

工業(yè)大麻纖維中的果膠雜質在加熱堿溶液的作用下，可水解為可溶物而被去除，另一方面，堿溶液對工業(yè)大麻纖維具有溶脹作用，使得工業(yè)大麻纖維吸水快、內聚力減小、纖維細胞壁變得比較松弛，從而使酶液更容易滲透至纖維內部。低質量濃度的堿溶液則對纖維損傷較小。本文采用NaOH質量濃度為0.002、0.005、0.010、0.015 g/mL的堿溶液，浴比為1∶30，溫度為100 ℃分別進行工業(yè)大麻纖維的處理，NaOH質量濃度對工業(yè)大麻纖維脫膠的影響見圖1。

圖1 NaOH質量濃度對工業(yè)大麻纖維脫膠效果的影響Fig.1 Effect of NaOH concentration on retting degumming

由圖1可見，隨著NaOH質量濃度的增加，工業(yè)大麻纖維質量損失率也增加，至NaOH質量濃度為0.010 g/mL時質量損失率達到最高，為16.51%，再增加NaOH質量濃度對質量損失率影響很小。隨著NaOH質量濃度的增加殘膠率迅速降低，至0.01 g/mL時達到最低值，再增加質量濃度殘膠率維持不變。故選擇NaOH質量濃度為0.01 g/mL作為適宜堿預處理質量濃度。

將工業(yè)大麻纖維加入100 ℃堿溶液中，處理時間分別為10、20 、30 min，處理后的工業(yè)大麻纖維超聲清洗至中性，干燥?？疾靿A預處理時間對工業(yè)大麻纖維脫膠的影響，堿預處理時間對脫膠效果的影響結果見圖2。由圖2可見，堿處理由10 min延長至20 min，工業(yè)大麻纖維質量損失率由10.32%提高至13.62%，并且殘膠率為10.46%，降低了29.37%，對膠質的去除作用較顯著。而處理時間延長至30 min，質量損失率僅僅增加了1.01%，殘膠率降低了0.84%，因此，選擇20 min作為適宜的堿預處理時間。

圖2 堿預處理時間對脫膠效果的影響Fig.2 Effect of alkali pretreatment time on retting degumming

2.2 工業(yè)大麻纖維酶法脫膠條件優(yōu)化

果膠主要存在于植物細胞壁的初生壁和細胞中間片層，起著支撐和保護細胞的作用，在工業(yè)大麻韌皮纖維中果膠伴隨著纖維素存在，與半纖維素等膠雜質黏結在一起，果膠的去除，有利于打破膠雜質間及膠雜質與纖維的連接。分別采用果膠酶添加量為0.005、0.010、0.015、0.020 g/mL對工業(yè)大麻纖維脫膠處理4 h，果膠酶用量對脫膠效果的影響結果見圖3。

圖3 果膠酶對脫膠效果的影響Fig.2 Effect of pectinase treatment on retting degumming

由圖3可見，果膠酶質量濃度的提高促進了脫膠效率，工業(yè)大麻纖維質量損失率增加，殘膠率降低，果膠酶質量濃度增加到0.01 g/mL后，工業(yè)大麻纖維的質量損失率和殘膠率變化緩慢。

將堿預處理后的工業(yè)大麻纖維加入浴比1∶30，木聚糖酶質量濃度為0.001、0.005、0.010、0.015 g/mL的酶液中，35 ℃脫膠處理。脫膠后的工業(yè)大麻纖維超聲波清洗，干燥，木聚糖酶質量濃度對脫膠效果的影響結果見圖4。由圖4可見，木聚糖酶質量濃度由0.005 g/mL提高至0.010 g/mL，工業(yè)大麻纖維的質量損失率和殘膠率均有較顯著的變化，再提高木聚糖酶的用量對脫膠影響不大。

圖4 木聚糖酶對脫膠效果的影響Fig.4 Effect of xylanase treatment on retting degumming

將堿預處理后的工業(yè)大麻纖維加入漆酶質量濃度為0.001、0.005、0.010、0.012 g/mL的酶液中，浴比1∶30，35 ℃脫膠處理。脫膠后的工業(yè)大麻纖維超聲波清洗，干燥，漆酶質量濃度對脫膠效果的影響結果見圖5。

圖5 漆糖酶對脫膠的影響Fig.5 Effect of laccase treatment on retting degumming

由圖5可見，隨著漆酶質量濃度的增加，工業(yè)大麻纖維質量損失率增加，殘膠率降低，漆酶質量濃度為0.01 g/mL時質量損失率和殘膠率分別為19.89%和5.69%。漆酶處理后工業(yè)大麻纖維柔軟度提高。

2.3 酶法工業(yè)大麻纖維脫膠的正交試驗

采用果膠酶、木聚糖酶和漆酶使用pH值范圍為4.0～6.5，正交試驗中選擇pH值4.2、5.0、5.8 3個水平，以纖維質量損失率和殘膠率為響應值，正交試驗結果見表2。試驗結果表明，果膠酶、木聚糖酶和漆酶適宜質量濃度分別為0.010，0.005和0.002 g/mL，適宜pH值為4.2～5.0，即。極差越大，因素的水平變動時，試驗指標的變動越大，因此各因素對脫膠影響大小順序為：pH值>木聚糖酶質量濃度>果膠酶質量濃度>漆酶質量濃度。采用0.01 g/mL果膠酶，0.005 g/mL木聚糖酶，0.002 g/mL漆酶，pH值4.2進行驗證試驗，處理后的工業(yè)大麻纖維質量損失率為23.96%，殘膠率為4.82%，F(xiàn)ried評分為5分，纖維分散良好，手感柔軟，有一定光澤。

表2 酶法工業(yè)大麻纖維脫膠的正交試驗結果Tab.2 Orthogonal test table for enzymatic hemp retting

3 結 論

本文先以低質量濃度NaOH溶液作為預處理劑，再采用復合酶對工業(yè)大麻纖維進行脫膠，優(yōu)化了工業(yè)大麻纖維的處理工藝，結論如下。

①熱堿溶液作用于工業(yè)大麻纖維具有較好的溶脹作用，并能夠有效去除工業(yè)大麻纖維中的部分膠質。NaOH質量濃度0.01 g/mL，100 ℃處理工業(yè)大麻纖維20 min，殘膠率可降低至10.46%，低質量濃度堿處理對工業(yè)大麻纖維損傷較小。

②選擇果膠酶、木聚糖酶和漆酶的復合酶處理工業(yè)大麻纖維，在單因素試驗的基礎上進行了正交試驗，3種酶適宜的添加量分別為果膠酶0.001 g/mL，木聚糖酶0.005 g/mL，漆酶0.002 g/mL，適宜pH值為4.2～5.0，3種酶中木聚糖酶對脫膠影響最大，經漆酶處理后纖維的柔軟度得到改善。