碱性果胶酶对亚麻纱的精炼工艺研究

碱性果胶酶对亚麻纱的精炼工艺研究

无法比拟的氨基纤维有许多优点。这是一个开发潜力巨大的环保原材料。但由于亚麻韧皮的单细胞间存在果胶物质,其主要成分是果胶酸的衍生物,且大部分以钙、镁盐和甲酯的形式存在,通过化学键的形式与亚麻纤维中的半纤维素和含氮的物质结合,在亚麻沤麻的过程中很难去除。亚麻纤维中还含有蜡状物质、木质素、含氮物质和灰分等杂质,这些杂质大都包围在纤维的外表,使纤维交接在一起而成坚固的条状物质,即原麻。原麻不但没有可纺性,而且严重影响亚麻的润湿性和渗透性,影响染整加工过程的顺利进行。因而在纺纱之前必须将韧皮中的胶质等杂质去除,并使纤维相互分离,即脱胶。传统去除果胶的方法是利用煮练过程中烧碱液对果胶物质的作用,在去除亚麻纤维中其它杂质过程的同时,将之转变成小分子或溶于水的物质。但果胶物质对亚麻纤维的润湿性、可渗透性都有影响,也将影响到其它杂质的去除程度。果胶酶中含有酯酶、水解酶、裂合酶3种主要成分。裂合酶将果胶质裂解为果胶,酯酶再对果胶水解,去掉含酯基团生成果胶酸,最后被果胶酸酶水解生成半乳糖醛酸等小分子物质溶于水,进而将之水解。另外由于碱性果胶酶具有碱性和酶的双重作用,可以先将果胶质水解,同时为后面除去剩余的杂质提供便利。与常规碱精练工艺相比,在酶和碱的共同作用下,去除效果更好,再加上酶催化作用的高效性和专一性,可降低前处理工艺条件的剧烈程度,减少对亚麻强力的损伤,同时也会减少烧碱的排放量,降低环境污染。1实验部分1.1非离子表面活性剂亚麻纱,碱性果胶酶,硫酸(分析纯),硫代亚硝酸钠(分析纯),碳酸钠(分析纯),双氧水(分析纯),氢氧化钠(分析纯),硅酸钠(分析纯),非离子表面活性剂JFC,亚甲基蓝。1.2实验设备DK-98-Ⅰ型恒温水浴锅,DSBD-1型白度仪,pH计,毛效测定仪,721型分光光度计,电子天平。1.3实验方法1.3.1温度和时间,浴比为5.工艺流程:酸洗→水洗→晾干→漂白→水洗→晾干→碱煮→温水洗至中性→晾干。工艺配方:①酸洗配方:硫酸3g/L,JFC0.2g/L,温度30～32℃,时间10～15min,浴比1∶50。②漂白配方:硅酸钠4.0g/L,碳酸钠2.0g/L,双氧水4.0g/L,温度90～95℃,时间40～60min,浴比1∶50。③碱煮配方:氢氧化钠8g/L,碳酸钠4g/L,JFC0.2g/L,硫代亚硫酸钠4g/L,温度90～93℃,时间50～60min,浴比1∶50。1.3.2制备浸酸配方工艺流程:浸酸→水洗→晾干→漂白→水洗→晾干→酶精练→水洗至中性→晾干。浸酸配方和漂白配方同上。酶精练处方:碱性果胶酶3%～7%(owf),pH值8.5～9.5,温度40～50℃,时间1.5～6h,浴比1∶50。1.4性能试验1.4.1白测量在BSBD-1型白度仪上仿照标准方法测定:即用特定波长下的反射率来表示白度。试样的白度以已知白度的瓷板为标准进行比较而得出。1.4.2毛管能的测量在毛细管效应仪上按标准定时法(30min)测定。但实验材料是亚麻纱,所以用单根亚麻纱在30min内液体上升的高度来表示。1.4.3亚甲基蓝和亚麻纤维中多糖物质的组成在煮练工序,基质中残留的果胶物质,采用在90～95℃亚甲基蓝在基质上平衡吸附的方法测定。这个评定方法是以亚甲基蓝在基质上的平衡吸附为基础的。因为亚甲基蓝为盐基性染料,果胶物质的主要组成部分是果胶酸的衍生物。果胶酸的化学组成是多半乳糖醛酸,果胶酸具有大量亲水性的羟基和羧基,基于离子交换作用,亚甲基蓝和果胶酸中的羧基发生如下的作用(亚甲基蓝以MB+Cl-表示):R—COO+MB+Cl−→R—COOMB+H++ClR—CΟΟ+ΜB+Cl-→R—CΟΟΜB+Η++Cl-。而亚麻是纤维素纤维,纤维素是一种多糖物质,主要是由很多葡萄糖剩基连接起来的线性大分子组成,糖环中含有大量的氢原子和羟基,不能与亚甲基蓝发生离子交换作用。因此,亚甲基蓝不能上染纤维素纤维。因此可以用亚麻纱对亚甲基蓝的吸附量近似地衡量亚麻纤维中果胶物质的含量。吸附量越多,未被去除的果胶物质越多,前处理越不充分。2结果与讨论2.1最佳工艺条件的确定基础实验确定了用酶代替烧碱对亚麻纱进行前处理的可行性,在此基础上选取时间、温度、浓度、pH值4个因素作为正交试验的4个因子。另外,根据酶活性的大小从单因素中选取了4个因素的3个水平进行正交优化试验。用电子天平称取9份(2g/份)浸酸、漂白后的亚麻纱,用正交试验设计结果表的方案对9份亚麻纱进行处理。处理完毕后,将亚麻纱洗涤、晾干。用于下面的实验,正交试验的结果见表1、表2。残余果胶含量的测定是用电子天平称取0.06g亚甲基蓝配成1000mL溶液得到浓度为0.06g/L的染液,称取酶处理过的1～9号亚麻纱试样(1g/份),在浴比为1∶50,95℃下吸附50～60min,实验完毕后取出试样,测得9个残液的吸光度A,残液的吸光度越大,说明亚甲基蓝被吸附的越少,即残余的果胶含量越少。从0.06g/L染前染液中用移液管取10mL稀释到100mL,测其吸光度B为0.314,则0.06g/L的染液的吸光度为3.14。上染百分率(%)=(1-A/B)×100其中,A为吸附后染液的吸光度;B为吸附前染液的吸光度,求得9个试样的吸附百分率见表31。由表2可知:①对白度的分析:由极差大小得出,因子影响的主次因素为C>A>D>B,最佳工艺条件为A1B3C3D3,即温度40℃,时间2.5h,酶浓度7%(owf),pH值9.5。②对毛效的分析:由极差大小得出,因子影响的主次顺序为C>A>D>B,最佳工艺条件为A2B1C2D3,即温度45℃,时间1.5h,酶浓度5%(owf),pH值9.5。③对吸附百分率的分析:这一性能指标,因子影响的主次顺序为C>A>D>B,最佳工艺条件为A2B1C2D3,即温度45℃,时间1.5h,酶浓度5%(owf),pH值9.5。④最佳工艺条件的分析:对白度这一性能指标来说,方案3为最佳工艺;对毛细管效应和残余果胶含量来说,方案4为最佳工艺。2者相比较,去除果胶等杂质是主要目的,且9个方案的白度相差不大,所以选择方案4为最佳工艺。2.2影响果胶酶提取的因素根据正交试验可以对影响碱性果胶酶精练工艺的因素,如pH值、温度、酶浓度等进行分析和讨论。2.2.1预处理生物香精经实验发现,在酶处理前对亚麻纱进行在60℃下、1.5h的浸酸和漂白预处理,有利于提高生物精练的效果。这是因为在麻纤维细胞微结构中,共生物中的油脂、蜡质可能处于细胞的最外层,而果胶质可能处于油脂、蜡质的里面,通过预处理使蜡质呈不均匀分布状态,有利于果胶酶的作用,提高织物的润湿性能。浸酸还能除去麻纤维中的无机盐类,漂白对改善亚麻纱的白度有很大的功效。2.2.2ph值对酶促进剂活力的影响酶的活力与溶液的pH值关系密切,pH值对酶活力的影响是由酶本身的化学性质所决定的。pH值的变化虽没有改变酶分子的化学结构,但影响了酶分子活力中心上有关基团的离解,从而影响酶与底物的作用;另外,酶是蛋白质,只有在一定的pH值范围内是稳定的,否则易变性失活。因此,根据所用酶的性质确定其溶液的pH值为8.5～9.5左右。2.2.3酶浓度对亚麻纱织物色度的影响在最佳工艺条件下,选取浓度分别为0%、3%、5%、7%(owf)酶对亚麻纱进行处理,其结果如表3所示。由表3绘制曲线图得图1。随着酶浓度的增加亚麻纱的毛效也随之增加。酶降解亚麻纱果胶物质的含量取决于酶的用量,即随酶浓度增加反应速率增加,织物的果胶物质的去除量也得到相应的提高。但当酶浓度达到一定值时,亚麻纱的润湿性将不会再随之有明显升高。这是由于底物的量一定,使底物完全转化所需要酶的用量一定。因此,亚麻纱果胶物质的去除量不再随之有明显升高。2.2.4温度对亚麻纱的影响根据酶的一般活性和正交试验的结果,在最佳条件下,分别选30、40、50℃进行处理,研究酶处理的温度对亚麻纱润湿性的影响见表4。由表4绘制曲线得图2。由图2可知,酶对温度很敏感,在40～50℃范围内,亚麻纱有很好的润湿性,而在30℃时,毛效较低,亚麻纱润湿性能差。温度对酶的影响包括热丧失活力和温度对反应速度的影响2方面。升高温度,对酶有双重作用:一方面,活化分子数增加,有利于催化反应进行;另一方面,酶蛋白会逐渐变性失活。所以在选择酶处理温度时,既要使酶发挥较高的活力,同时又能使之在处理过程中保持良好的热稳定性。随着时间增加,亚麻纱的润湿性增加,酶在水溶液中渗透表皮,透过裂缝或微孔,与基质物中的果胶接触。果胶物质借助于生物酶而水解,去除部分表皮或断裂表皮的连续性。所以随着时间的增加,果胶物质水解增多,毛细管效应增加。但随着温度的升高,增加毛效的作用时间越来越短。由此可见,酶处理时间与温度之间存在着一定的依赖关系,即温度高所需的时间短,温度低所需时间长。2.3测试实验2.3.1亚麻纱的制备由正交试验结果分析得最佳工艺为:酶浓度5%(owf),pH值9.5,浴比1∶50,温度45℃,时间1.5h。用电子天平称取6份(3.0g/份),经浸酸、漂白过的亚麻纱,3份用碱煮工艺,工艺配方为,氢氧化钠8g/L,碳酸钠4g/L,硫代亚硫酸钠4g/L,JFC0.2g/L,浴比1∶50,温度90～93℃,时间50～60min。另3份用碱性果胶酶处理,工艺配方为,碱性果胶酶5%(owf),JFC0.5g/L,pH值9.5,浴比1∶50,温度45℃,时间1.5h。2.3.2不同碱处理的酶处理生活验证实验的结果如表5所示。从验证实验的结果看,在酶处理的温度低于碱处理(50℃左右)的情况下,酶处理的白度比碱处理要好,但相差不大。酶处理后亚麻纱的润湿性和果胶去除量均好于碱处理,进一步证明了用果胶酶处理代替传统的碱处理去除果胶物质的可行性和优越性。3加入适量助剂①影响碱性果胶酶处理亚麻纱的因素有pH值、温度、时间、浓度、助剂等。通过正交试验得出,碱性果胶酶处理亚麻纱的最佳工艺条件为:浓度5%(owf),pH值9.5,浴比1∶50,温度45℃,时间1.5h。最高毛效可达到16.8cm/30min,加入适量助剂