基于固态发酵法的胡麻纤维脱胶及可纺性的研究.pdf

8第4 期科研与生产2023年8 月基于固态发酵法的胡麻纤维脱胶及可纺性的研究齐新,鲍铭堃,欧阳艺轩，石大为,张炜豪（内蒙古工业大学轻工与纺织学院，内蒙古呼和浩特0 10 0 8 0)摘要：麻纤维的可纺性主要由麻纤维的长度、细度和断裂强度决定，也包括纤维中残留胶质的成分和含量，因此胡麻脱胶技术对纺纱有至关重要的影响。文章采用固态发酵生物酶法和化学法进行胡麻纤维的脱胶实验，由脱胶效果、红外光谱、力学性能、纤维直径4 个方面分别判断生物法和化学法的脱胶效果。生物法是通过培育筛选出脱胶能力较强的菌株，进行微生物处理，得到脱胶胡麻纤维；化学法是采用化学物质进行数道工序来达到脱胶的效果。对比可知生物酶脱胶法得到的胡麻纤维较好且污染小，可循环利用。关键词：胡麻纤维；生物法脱胶；化学法脱胶；力学性能；红外光谱；纤维直径Doi:10.3969/j.issn.2095-0101.2023.04.003中图分类号：TS123文献标识码：A文章编号：2 0 95-0 10 1(2 0 2 3)0 4-0 0 0 8-0 4麻纤维的组成中除纤维素外，还有果胶、半纤维素、木质素、脂肪质和水溶物等非纤维素的伴生物质，统称为胶质。而初步加工的目的是经过脱胶，脱除纤维周围全部或部分胶质和其他杂质，使纤维分离、松散，制取柔软的可纺纤维，以符合纺纱要求。因此，麻纤维初步加工的主要工作就是脱胶！。麻纤维的可纺性主要由麻纤维的长度、细度和断裂强度决定，也包括纤维中残留胶质的成分和含量，因此胡麻脱胶技术对纺纱有至关重要的影响。目前，胡麻纤维脱胶方法按照脱胶机理也可以分为3 类：化学脱胶、物理脱胶和生物脱胶。化学脱胶是利用酸、碱和氧化剂等化学药品使胶质溶解分离，物理脱胶是利用外力破坏汉麻纤维的结构，使胶质从麻纤维上脱落，生物脱胶是利用微生物或生物酶将胶质降解成小分子从麻纤维上分离2。樊培、杜兆芳4 等人对果胶酶的脱胶和处理以及脱胶工艺进行了研究，逐渐优化脱胶工艺和提高脱胶率。传统的脱胶工艺使用大量的酸碱，不仅污染环境，还会损伤麻纤维，导致精干麻品质差；酶脱胶一般使用商品酶，成本较高且效率低，无法实现大规模工业生产；而微生物脱胶条件温和，绿色环保，越来越受到学者的关注。收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 2基金项目：创新创业训练计划项目（项目编号：2 0 2 118 3 017)第一作者：齐新(2 0 0 0 一）,女，黑龙江齐齐哈尔人，内蒙古工业大学在读本科生，研究方向为纺织新材料与应用。通信作者：石大为，男，内蒙古工业大学副教授，博士，研究方向为纺织新能源新材料设计开发。复合微生物脱胶是近年来研究的热点，逐步实现胶质成分的有效降解，提高脱胶效果。然而，麻复合微生物脱胶虽然取得一定进展，但仍存在脱胶体系中关键酶系不足，脱胶时间长达几十个小时，脱胶效率比较低等问题，限制了麻纤维生物脱胶的大规模生产。因此，发掘合适的微生物进行复合脱胶及工艺优化仍是麻纤维生物脱胶技术发展的关键。1综述1.1研究意义胡麻易种植，生长周期短，其麻秆、麻皮及麻籽都可进行有效利用，符合循环经济与低碳经济要求。因此，为迎接低碳经济，贯彻落实我国纺织工业“十二五”科技进步纲要中关于大力开发与综合利用各类天然纤维资源等任务要求，开发胡麻纤维及其各类产品，促进我国天然纤维资源的综合利用等都有非常重要的理论与现实意义。胡麻秸秆韧皮内富含纤维素，以胡麻秸秆为原料可开发胡麻长纤维服饰用纤维材料、短纤维填充树脂复合材料、麻秆麻屑密度板以及胡麻再生纤维素纤维等1.2创新点现有的胡麻脱胶技术有化学法和区制法。化学法脱胶是借助其他麻纤维脱胶经验，将胡麻纤维进行高温碱煮，使胶质等溶于碱液，最后经水洗制取。制法主要是将胡麻原茎在水中泡制，通过酶的作用同胶质等进行分离。这两种方法普遍存在脱胶时间过长，质量和可纺性得不到保证等问题。本文亮点在于采用微生物脱胶技术进行胡麻纤维的脱胶，并验证了其可行性。微生物脱胶技术具有脱胶过程中产生的污染比较0第4 期科研与生产2023年8 月小，可定向的脱胶菌种选用培育技术等优势，故将微生物胡麻脱胶技术和菌种的选用培育技术作为创新点应用于胡麻纤维的脱胶。2试验部分2.1材料、试剂、仪器材料：胡麻纤维；枯草芽孢杆菌；地衣芽孢杆菌；凝结芽孢杆菌。试剂：玉米蛋白粉；麸皮。仪器：蒸汽灭菌器；工作台；紫外线灯；干燥箱；场发射扫描电镜；红外光谱仪；纤维力学性能测试仪。2.2采用固态发酵的生物法脱胶试验(1)前期准备阶段,对可以使胡麻纤维快速脱胶菌株生产所需要的温度、pH、时间等条件进行探究，并且制定合适且可行的实验条件，通过实验寻找相对好的脱胶效果的菌株来优化实验效果，得到最佳的可操作实验结果。(2)需要一个较为封闭的环境，控制工作台达到无菌条件，以免产生较大实验误差。在工作环境中要安装有紫外线灯，并在进行实验前后进行消杀。实验前可利用酒精进行擦拭，接着使用紫外线灯消毒一定时间，在操作时也需要对进人工作环境的物品以及其他物品进行消毒，保证在实验过程中的无菌环境。(3控制实验的变量，进行单因素试验，设置实验对照组，在培养基上接种进混合菌种（地衣芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌以1:1:1的比例混合)进行固态发酵，通过检测5 可以得到对发酵的影响条件。通过对胡麻纤维胶质的分析，选用培育菌种，确定微生物的培养条件和参数6 。筛选出对胡麻纤维脱胶能力较强的菌株，进行微生物的预处理。然后进行胡麻脱胶生物法实验，实验结束后进行脱胶率以及胶质残留率分析7 ,从而评价生物法胡麻脱胶的效果8 2.3固态发酵将玉米蛋白粉与麸皮以一定比例混合，于12 1灭菌3 0 min，冷却至室温后接人混合菌种（枯草芽孢杆菌9-10 ,凝结芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌以1:1:1的比例混合）进行固态发酵，通过测定发酵物料中的可溶性蛋白含量研究物料比、料水比、发酵温度、发酵时间和接种量对发酵饲料的影响，2.4化学法脱胶对比试验化学法脱胶工艺流程为：取样预水煮浸酸一水洗一煮NaOH8g/L,NasP:0o2.5%(owf)，浴比1:20，时间1.5 h水洗打纤脱水二煮Na0H12g/L,NasP01o2%(owf)，浴比1:2 0，时间2.5 h)打纤一脱水漂白水洗一脱水自然风干精干麻。3结果分析与讨论3.1胡麻纤维的脱胶效果讨论实验得到的脱胶前纤维直径分布如图1所示。实验得到的脱胶后纤维直径分布如图2 所示。图1脱胶前纤维直径分布图2脱胶后纤维直径分布图1为脱胶前的胡麻纤维，表面具有很厚的一层胶质，将胡麻纤维紧密地包裹、粘连在一起致使纤维的分散性差，而且胶质的分布不均匀，存在很多毛刺。图2 为脱胶后的胡麻纤维形态，能清晰地看到纤维表面比较平整光洁。纤维表面没有了胶质的覆盖，且后表面的沟壑也显现出来，改善了胡麻纤维的外貌形态，3.2红外光谱实验分析实验得到的红外光谱图如图3 所示化学法生物法400350030002500200015001000500Wavenumber/cm!图3 红外光谱图由图3 对比可以看出化学法和生物法的红外光谱出现峰值处大抵相同，但透光率却不相同，图中2 8 2 0 2940cm-1处的吸收峰为木质素或半纤维素中甲基、亚甲基、次甲基的伸缩振动17 3 5 cm左右的吸收峰主要由半纤维素中的非共轭炭基伸缩振动形成，16 0 0 cml、1500cml、14 3 0 c m 附近为木质素中苯环的骨架振动，1231cm处为木质素和木聚糖中的CC、C 0 和C,对比可以看出生物法下的胶质键合型非纤维素物质，由果胶和半纤维素(富含木聚糖等聚糖)等组成)在各个峰值含量都是低于化学法脱胶的，所以生物法脱胶的效果更佳。3.3纤维力学性能分析3.3.1生物法力学性能实验得到的生物法力学性能数据如表1所示。10第4 期科研与生产2023年8 月表1生物法力学性能断裂强力/断裂强度/断裂伸长/断裂伸长序号cN(cN/dtex)mm率/%1116.181.160.382.98283.680.840.352.99334.420.340.100.80461.790.620.171.50592.030.920.292.186104.751.050.363.08734.430.340.202.008104.531.050.262.5078.980.790.262.25经过比较发现，采用固态发酵的生物法脱胶后的胡麻纤维平均断裂强力达到7 8.9 8 cN，平均断裂强度为0.7 9cN/dtex，平均断裂伸长为0.2 6 mm、平均断裂伸长率为2.2 5%。可以看出生物法脱胶过程是比较温和的，其对胡麻纤维的损坏也是最小的。经过生物法脱胶的胡麻纤维，残胶率及后续处理工序等都要优于化学法脱胶的胡麻纤维，而且不会对环境造成污染，可循环利用。3.3.2化学法力学性能实验得到的化学法脱胶前力学性能数据如表2 所示。表2化学法脱胶前力学性能断裂强力/断裂强度/断裂伸长/断裂伸长序号cN(cN/dtex)mm率/%121.500.220.0102108.061.080.333.303112.321.120.272.60442.290.420.232.305154.751.550.474.496140.141.400.282.80758.070.580.191.808102.861.030.202.00X92.500.930.252.41实验得到的化学法脱胶后力学性能数据如表3 所示。表3 1化学法脱胶后力学性能断裂强力/断裂强度/断裂伸长/断裂伸长序号cN(cN/dtex)mm率/%1114.571.150.454.502159.171.590.615.783192.981.930.555.294116.471.160.272.505149.861.500.464.60690.520.910.282.807140.251.400.433.998183.391.830.727.09X143.401.430.474.57由表2、表3 可知，化学法脱胶前后的平均断裂强力分别为92.5 0 cN、14 3.4 0 c N，平均断裂强度分别为0.93cN/dtex、1.4 3 c N/d t e x，脱胶后的平均断裂伸长比脱胶前增加了0.2 2 mm，而平均断裂伸长率从2.4 1%增加至4.5 7%。采用化学法脱胶，其脱胶后纤维断裂性能虽然有所提高，但此方法会对胡麻纤维造成一定程度的损伤，且煮练废液含碱量较多，污水处理的难度较大。3.4纤维直径实验分析实验得到的纤维脱胶前直径测试组别数据如表4所示。表4纤维脱胶前直径测试组别序号12345678直径/5.8214.33.7922.217.822.912.915.48122726102384 047041322实验得到的脱胶前纤维直径测试结果数据如表5所示。表5 脱胶前纤维直径测试结果实测组数平均直径/ms/mCV/%814.2506.28044.07%实验得到的纤维脱胶后直径测试组别数据如表6所示。表6 纤维脱胶后直径测试组别序号12345678直径/11.114.716.723.218.511.513.213.6um158 983 518881176095315865实验得到的脱胶后纤维直径测试结果数据如表7所示。表7 纤维脱胶后直径测试结果实测组数平均直径/ms/mCV/%815.5003.70823.92%由以上试验数据可知，采用固态发酵的生物法进行胡麻纤维的脱胶试验，脱胶后的胡麻纤维平均直径保持在14 16 m之间，并且在显微镜下残留的胶质较少2 ,由此可见,生物法脱胶的效果较为显著。4结语本文主要对胡麻纤维的固态发酵生物法脱胶以及可纺性进行研究。通过红外光谱实验结果比较可知，从生物法纤维力学性能和化学法纤维力学性能比较来看，胡麻纤维的生物法脱胶效果优于化学法脱胶效果。另外本文分别对脱胶后的纤维进行纤维直径实第4 期科研与生产2023年8 月验，由实验结果可知生物法脱胶的效果是较为显著的，采用微生物脱胶技术进行胡麻纤维的脱胶是可行而有效的,并且脱胶效果理想,对环境污染相对较小，可循环利用。本文采用固态发酵的生物法进行胡麻纤维的脱胶，影响胡麻纤维的脱胶因素有混合菌种的培养、发酵温度、料水比、发酵时间。从最后的试验结果得出优选的脱胶工艺条件。通过固态发酵的生物法脱胶与化学法脱胶的对照试验，可以明显地看出脱胶效果的优劣，并且通过对比试验也可以得出两种脱胶方法的异同，具有参考价值。(1)采用化学法脱胶,其脱胶后纤维断裂性能有所降低，生长率增加。生物法脱胶不同于化学法脱胶，可以在不损伤胡麻纤维的同时，将胶质去除。(2)在化学法脱胶和生物法脱胶的红外光谱试验中红外光谱出现峰值处大抵相同，但透光率不相同，由数据可得出生物法脱胶的纤维的光学性能要好于化学法脱胶的光学性能。(3)生物法脱胶的过程是比较温和的,是采用混合微生物进行发酵产生去除其纤维中所含胶质的酶，对胡麻纤维的损伤也是较小的。(4)生物法脱胶处理后的胡麻纤维较细，说明脱胶效果较好，能够在深人去除胶质的同时而不损伤原有的胡麻纤维。参考文献1蒋少军,张军成,李志忠,等.胡麻脱胶工艺的研究.浙江纺织服装职业技术学院学报,2 0 0 7(2):5-7,17.2李成红.汉麻纤维微生物及生物一化学联合脱胶工艺研究D.上海：东华大学,2 0 2 1.3樊培.苎麻纤维原位生物脱胶制造技术研究与应用D.武汉：华中科技大学，2 0 15.4杜兆芳,黄芙蓉.苎麻复合微生物脱胶工艺优化D.纺织学报,2 0 12,3 3(5):5 6-6 1.5石大为,王瑞,赵艺.基于生物法对胡麻纤维脱胶及性能的研究.毛纺科技,2 0 17,4 5(6):2 8-3 1.6石大为,王瑞,陈旭,等.基于射频处理的胡麻生物脱胶工艺.纺织学报,2 0 18,3 9(3):7 3-7 8.7石大为,王瑞,马崇启.胡麻资源开发与利用的关键技术研究.毛纺科技,2 0 16,4 4(12):1-5.8李宛鑫,石大为,郭栋.胡麻纤维脱胶及复合材料在医用夹板上的研究.纺织科技进展,2 0 2 2(7):2 6-3 0.9王慧慧,张非,舒潼,等.两株芽孢杆菌在苎麻纤维复合脱胶中的应用.微生物学通报,2 0 2 1,4 8(8):2 5 12-2523.10王茜,陈洪高,刘露,等.苎麻脱胶菌群RAMCD407中优势菌的分离、鉴定及脱胶能力分析.微生物学通报,2 0 16,4 3(12):2 5 6 1-2 5 6 7.11徐光华,杨静.胡麻纤维结构和性能的研究.中国纺织大学学报,198 8(5):91-98.12Liu Z C,Duan S W,Sun Q X,et al.A rapidprocess of ramie bio-degumming by Pectobacteriumsp.CXJZU-120 J.Textile Research Journal,2012,82(15):1553-1559.2024年轻纺工业与技术征订启事轻纺工业与技术杂志由广西绢麻纺织科学研究所有限公司主办，轻纺工业与技术编辑部出版，面向全国发行的轻工、纺织综合性科技期刊（国际标准刊号：ISSN2095-0101；国内统一刊号：CN45-1379/TS）。本刊全面报道纺织、印染、服装、工艺美术等轻工业与纺织业领域的科技动态、新技术与新产品研发及产业化、新装备研制与应用、测试分析、技改管理、信息化应用等。开辟有科研与生产分析与探讨服装服饰设计文创应用和专题与论述等主要栏目。本刊已被中国学术期刊（光盘版）文献源、“中国知网”文献源、万方数据库、“维普网”文献源、“博看网”文献源和“教育阅读网”文献源等全文收录。轻纺工业与技术为双月刊，每逢双月的2 5 日出版，每期定价2 5 元，全年订价15 0 元（包括邮资费）。订阅单可从编辑部索要，填写后通过电子邮箱传回。2024年征订工作已经开始，欢迎各单位和个人订阅！办公地址：广西南宁市江南区亭洪路4 3 号邮政编码：5 3 0 0 3 1咨询电话：[phone]投稿及联系电子信箱：银行户名：广西绢麻纺织科学研究所有限公司账号：2 10 2 10 6 7 19 3 0 0 0 0 4 5 8 4开户银行：工商银行南宁市江南支行