作者:郑来久    来源:东华大学纺织学院   发布时间:2006-12-22   Tag:   点击:
红麻全酶法脱胶工艺及机理研究

  

长期以来,对红麻生物脱胶技术的研究主要集中在能够产生果胶酶、半纤维素酶等水解酶类的菌种脱胶上,而对采用酶制剂直接脱胶方法研究则甚少。由于红麻纤维短,要采用工艺纤维纺纱,脱胶时要保留部分胶质,因此麻皮中的木质素可以适当保留一些,脱胶过程去除的主要是果胶质、半纤维素等物质,它们的主要化学成分为聚戊糖、聚己糖和杂聚多糖。这些多糖是长链大分子物质,不溶于水,选用的酶对这些物质均有分解作用,使其分解成可溶性小分子物质。本文在研究酶制剂脱胶工艺的同时,从生物化学的角度分析了全酶法脱胶的机理,为全酶法脱胶在红麻生产方面的应用和研究提供了理论依据。

1 材料与方法

11 材 料

111 原 麻 红麻生麻取自辽宁朝阳地区种植的前一年的陈麻,采用GB 588986的方法测其化学成分见表1

 

112 酶制剂 酶制剂选用天津利华酶制剂厂生产的果胶酶制剂,这种酶制剂是果胶酶与半纤维素酶的混合酶,且为固体,易于保存。

12 方 法

121 脱胶效果的确定通过手感目测法确定脱胶效果,主要评定指标为纤维的分离度和柔软度,并以这两个指标为主要参数,将麻的脱胶程度从未脱胶到脱胶过熟分成0910种类型,其中0级为未脱胶,14级为脱胶不完全,56级为脱胶完全,79级为脱胶微熟至脱胶过熟。

122 脱胶条件试验在实验室条件下,以红麻干皮为原料,通过一组正交试验确定了全酶法脱胶工艺的基本范围。在其基础上分别确定温度、预处理、起始pH值、浴比、酶浓度和回用的最佳工艺。

2 结果与讨论

21 脱胶条件对脱胶效果的影响

211 温度对脱胶效果的影响当温度低于50cc时,脱胶速度随温度的升高而增大,当温度超过55时,脱胶速度会随着温度的升高而降低。温度对酶反应的影响和普通化学反应一样,温度上升增加了分子的运动速度和碰撞次数,由此活化了分子,从而加快了分子问反应的速度。但过高的温度会使酶蛋白肽键问的键合发生解体,使酶受热变性而失活。因此温度对脱胶效果的影响是影响酶脱胶速度和使酶失活两方面的综合。酶在一定条件下都有一个最适反应温度,在本实验条件下,果胶最适反应温度为50

212 预处理对脱胶效果的影响随着沸煮预处理时间的增加,相同条件下脱胶程度逐渐提高,其中3035 min时脱胶程度的提高速率最大。沸煮预处理主要有两方面的作用:水解部分可溶性果胶质;润湿纤维,使原麻纤维溶胀,有助于酶分子的扩散和吸附,快速形成酶与底物的络合物,加速反应的进行。预处理时间越长,越有利于提高脱胶速度。从节约成本的角度来看,采用3035 rain预处理较为合适,如果是当年的鲜麻,时间可适当缩短,若麻皮剥制的时间较长,麻皮中的水分含量少则适当延长预处理时间。

213 起始pH值对脱胶效果的影响 起始pH

225脱胶效果最好,且几小时内pH值会上升至253。在一定条件下,每种酶都有各自的最适pH域,在这个pH值范围内酶表现出最佳的活力。环境的pH值影响酶蛋白分子的离解,特别是活性中心基团的离解;另一方面,pH值也影响底物分子的离解,这些都会影响酶和底物的结合,由此影响它们反应的速度。在最适pH值,酶分子和底物分子的离解情况最适合它们的相互结合,所以反应速度最快。本脱胶条件的最适pH值为3,但是由于随着脱胶的进行,pH值会在最初几小时内升高,所以起始pH值要略低于脱胶的最佳pH值,选用25较为合适。

214 浴比对脱胶效果的影响浴比对脱胶效果的影响主要在于对脱胶液pH值的影响。浴比反应的是底物的浓度,由于在脱胶过程中,酶作用的底物— — 麻的浓度非常大,所有的酶都与底物结合了,改变底物浓度不会影响酶作用速度,所以浴比变化对于脱胶没有明显的影响。从生产的角度考虑,浴比

115比较合适。

215 酶浓度对脱胶效果的影响试验结果表明(见图1),酶的浓度越大,脱胶速度越快,完成脱胶的时问越短。酶与原麻重量的比例不断增大,单位时问与底物结合的酶的活性部位就越多,生成产物也就越多,脱胶的速度就越快。从既满足工业化生产又要节约成本的角度考虑,酶对原麻的质量比可以为l200,这样可在8 h左右完成脱胶。

 

216 回用比对脱胶效果的影响采用回用脱胶池底的10%左右的废液再加入90% 的水和80% 的原脱胶酶量与最初的脱胶效果相当。由于采用的酶制剂不溶于水而且比重大于水,所以脱胶废液中的大部分剩余酶都沉在水底,另外,脱胶过程中产生可溶性废物对于脱胶酶的活性有抑制作用,因此采用这种回用方法既可最大限度地应用剩余的酶制剂,又可减少废液对脱胶的负作用。

22 全酶法脱胶微观作用过程 “

221 酶分子从水溶液中向纤维扩散这一过程是脱胶液中的物质传递过程。在酶分子向纤维扩散的过程中,麻纤维表面的可溶性物质向脱胶液中扩散,水分子向纤维内部渗透使纤维溶胀。麻皮表面的可溶性物质的pH值都低于脱胶液的起始pH值,因而在这一过程中,脱胶液的pH值会缓慢升高。由于脱胶液起始pH值低于脱胶酶系的最适DH值,所以在这一过程中脱胶液中的pH值越来越有利于提高酶的活性部位的活力,也就有利于酶与底物的结合。酶分子向纤维扩散的过程也可称为酶向底物“靠近”的过程。

222 酶分子在纤维表面吸附酶分子吸附在纤维的表面,由于麻浓度即底物浓度非常大,几乎所有的果胶酶和半纤维素酶的活性中心的结合基团都分别与底物发生络合。在这一过程中酶的活性基团发挥了轨道控制作用,酶蛋白发生了一定的构象变化,使底物的反应基团与酶活性中心的催化基团相互严格的定向。同时,酶分子中某些基团可使底物分子的敏感键中电子云密度部分地增高或降低,从而产生“电子张力”,使敏感键更加敏感,为形成酶一底物络合物打下基础。

223 形成酶与底物的络合物酶的活性中心与底物结合后,酶并不是立即催化底物,使之形成反应物,而是要与之形成一个不稳定的中问产物一酶与底物的络合物。这个过程中底物分子内的某些化学键发生极化,呈不稳定状态,反应能量降低,只需很少的能量就可生成产物,为快速形成产物打下基础。

224 由络合物形成产物由于反应所需能量很低,中间络合物会迅速分解释放出酶和产物。针对脱胶反应,基本都是酶对于果胶类和半纤维素类物质的催化分解产物。其中果胶酸甲酯会被果胶酯酶水解其中的甲酯键,生成果胶酸及甲醇溶于水;聚戊糖和聚己糖等长链物质会在al4糖苷键处被酶切断,生成小分子的戊糖、己糖等物质,生成的戊糖、己糖等多碳糖还会继续被裂解酶作用生成三碳糖、四碳糖和丙酮酸等物质溶于脱胶液中。

225 产物从纤维表面向溶液扩散可溶性产物生成后,立即向脱胶液中扩散,因为脱胶产物的酸度都没有原脱胶液强,因此脱胶液中的酸度下降。脱胶液的pH值会不断的上升,当超过酶系作用的最适pH值时,酶系的活力就会下降,产物的生成速度也会降低;同时,溶于脱胶液中的产物对于脱胶酶的活力还有一定的抑制作用,因而随着产物从纤维表面向溶液的不断扩散,脱胶速度会不断降低。

23 酶法脱胶产品质量

从脱胶红麻纤维的放大500倍的扫描电镜图(见图2)可以看出红麻经酶脱胶后,纤维分散,表面光滑,胶质去除较为理想。从2000倍的扫描电镜图(见图3)可以看酶脱胶对纤维的损伤小,保留了表面的纤维,这有助于提高成纱的抱合力及纱线强度。对酶法脱胶麻的束纤维进行强力测试,其完全脱胶(脱胶程度为6)的断裂强度为47 cNdtex,完全可以满足生产要求。

 

3 结 论

1.全酶法脱胶可达到工业化生产的要求,脱胶工艺参数为:温度50 、浴比115、预处理35 min、起始pH25、酶与原麻比1200,回用脱胶池底的10%废液,再加90%水和80% 的首次脱胶酶量。

2.全酶法脱胶中起主要作用的是酶制剂,酶是生物制剂,降低反应所需能量,使不溶于水的胶质降

解成溶于水的小分子物质。


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