堿性果膠酶對亞麻紗的精煉工藝研究

無法比擬的氨基纖維有許多優(yōu)點。這是一個開發(fā)潛力巨大的環(huán)保原材料。但由于亞麻韌皮的單細胞間存在果膠物質(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,通過化學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固的條狀物質(zhì),即原麻。原麻不但沒有可紡性,而且嚴重影響亞麻的潤濕性和滲透性,影響染整加工過程的順利進行。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程中燒堿液對果膠物質(zhì)的作用,在去除亞麻纖維中其它雜質(zhì)過程的同時,將之轉(zhuǎn)變成小分子或溶于水的物質(zhì)。但果膠物質(zhì)對亞麻纖維的潤濕性、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,酯酶再對果膠水解,去掉含酯基團生成果膠酸,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,減少對亞麻強力的損傷,同時也會減少燒堿的排放量,降低環(huán)境污染。1實驗部分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。1.2實驗設備DK-98-Ⅰ型恒溫水浴鍋,DSBD-1型白度儀,pH計,毛效測定儀,721型分光光度計,電子天平。1.3實驗方法1.3.1溫度和時間,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℃,時間1.5～6h,浴比1∶50。1.4性能試驗1.4.1白測量在BSBD-1型白度儀上仿照標準方法測定:即用特定波長下的反射率來表示白度。試樣的白度以已知白度的瓷板為標準進行比較而得出。1.4.2毛管能的測量在毛細管效應儀上按標準定時法(30min)測定。但實驗材料是亞麻紗,所以用單根亞麻紗在30min內(nèi)液體上升的高度來表示。1.4.3亞甲基藍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℃亞甲基藍在基質(zhì)上平衡吸附的方法測定。這個評定方法是以亞甲基藍在基質(zhì)上的平衡吸附為基礎的。因為亞甲基藍為鹽基性染料,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,亞甲基藍和果膠酸中的羧基發(fā)生如下的作用(亞甲基藍以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,不能與亞甲基藍發(fā)生離子交換作用。因此,亞甲基藍不能上染纖維素纖維。因此可以用亞麻紗對亞甲基藍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實驗確定了用酶代替燒堿對亞麻紗進行前處理的可行性,在此基礎上選取時間、溫度、濃度、pH值4個因素作為正交試驗的4個因子。另外,根據(jù)酶活性的大小從單因素中選取了4個因素的3個水平進行正交優(yōu)化試驗。用電子天平稱取9份(2g/份)浸酸、漂白后的亞麻紗,用正交試驗設計結(jié)果表的方案對9份亞麻紗進行處理。處理完畢后,將亞麻紗洗滌、晾干。用于下面的實驗,正交試驗的結(jié)果見表1、表2。殘余果膠含量的測定是用電子天平稱取0.06g亞甲基藍配成1000mL溶液得到濃度為0.06g/L的染液,稱取酶處理過的1～9號亞麻紗試樣(1g/份),在浴比為1∶50,95℃下吸附50～60min,實驗完畢后取出試樣,測得9個殘液的吸光度A,殘液的吸光度越大,說明亞甲基藍被吸附的越少,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個試樣的吸附百分率見表31。由表2可知:①對白度的分析: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℃,時間2.5h,酶濃度7%(owf),pH值9.5。②對毛效的分析:由極差大小得出,因子影響的主次順序為C>A>D>B,最佳工藝條件為A2B1C2D3,即溫度45℃,時間1.5h,酶濃度5%(owf),pH值9.5。③對吸附百分率的分析:這一性能指標,因子影響的主次順序為C>A>D>B,最佳工藝條件為A2B1C2D3,即溫度45℃,時間1.5h,酶濃度5%(owf),pH值9.5。④最佳工藝條件的分析:對白度這一性能指標來說,方案3為最佳工藝;對毛細管效應和殘余果膠含量來說,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)正交試驗可以對影響堿性果膠酶精練工藝的因素,如pH值、溫度、酶濃度等進行分析和討論。2.2.1預處理生物香精經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn),在酶處理前對亞麻紗進行在60℃下、1.5h的浸酸和漂白預處理,有利于提高生物精練的效果。這是因為在麻纖維細胞微結(jié)構(gòu)中,共生物中的油脂、蠟質(zhì)可能處于細胞的最外層,而果膠質(zhì)可能處于油脂、蠟質(zhì)的里面,通過預處理使蠟質(zhì)呈不均勻分布狀態(tài),有利于果膠酶的作用,提高織物的潤濕性能。浸酸還能除去麻纖維中的無機鹽類,漂白對改善亞麻紗的白度有很大的功效。2.2.2ph值對酶促進劑活力的影響酶的活力與溶液的pH值關系密切,pH值對酶活力的影響是由酶本身的化學性質(zhì)所決定的。pH值的變化雖沒有改變酶分子的化學結(jié)構(gòu),但影響了酶分子活力中心上有關基團的離解,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)酶對亞麻紗進行處理,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速率增加,織物的果膠物質(zhì)的去除量也得到相應的提高。但當酶濃度達到一定值時,亞麻紗的潤濕性將不會再隨之有明顯升高。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溫度對亞麻紗的影響根據(jù)酶的一般活性和正交試驗的結(jié)果,在最佳條件下,分別選30、40、50℃進行處理,研究酶處理的溫度對亞麻紗潤濕性的影響見表4。由表4繪制曲線得圖2。由圖2可知,酶對溫度很敏感,在40～50℃范圍內(nèi),亞麻紗有很好的潤濕性,而在30℃時,毛效較低,亞麻紗潤濕性能差。溫度對酶的影響包括熱喪失活力和溫度對反應速度的影響2方面。升高溫度,對酶有雙重作用:一方面,活化分子數(shù)增加,有利于催化反應進行;另一方面,酶蛋白會逐漸變性失活。所以在選擇酶處理溫度時,既要使酶發(fā)揮較高的活力,同時又能使之在處理過程中保持良好的熱穩(wěn)定性。隨著時間增加,亞麻紗的潤濕性增加,酶在水溶液中滲透表皮,透過裂縫或微孔,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。所以隨著時間的增加,果膠物質(zhì)水解增多,毛細管效應增加。但隨著溫度的升高,增加毛效的作用時間越來越短。由此可見,酶處理時間與溫度之間存在著一定的依賴關系,即溫度高所需的時間短,溫度低所需時間長。2.3測試實驗2.3.1亞麻紗的制備由正交試驗結(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℃,時間1.5h。用電子天平稱取6份(3.0g/份),經(jīng)浸酸、漂白過的亞麻紗,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℃,時間1.5h。2.3.2不同堿處理的酶處理生活驗證實驗的結(jié)果如表5所示。從驗證實驗的結(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濕性和果膠去除量均好于堿處理,進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、時間、濃度、助劑等。通過正交試驗得出,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℃,時間1.5h。最高毛效可達到16.8cm/30min,加入適量助劑