（紡織工程專業(yè)論文）紅麻韌皮纖維生物酶脫膠改性研究[紡織工程專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

紅麻韌皮纖維生物酶脫膠改性研究 摘要 為解決長期以來紅麻韌皮纖維脫膠改性的環(huán)境污染和化學(xué)殘留的難 題，本文依據(jù)紅麻韌皮纖維共生物特性，提出了生物酶脫膠改性技術(shù)，篩 選馴化出脫膠菌種，應(yīng)用篩選出菌種分泌的果膠酶進(jìn)行了系統(tǒng)的脫膠實(shí)驗(yàn)， 并用半纖維素酶和纖維素酶復(fù)配對脫膠后的纖維在同一反應(yīng)裝置中進(jìn)行了 改性。分析了果膠酶和半纖維素酶的作用機(jī)制，并采用甲殼素生物膜法對 脫膠改性廢水進(jìn)行了處理。同時(shí)，應(yīng)用紅麻生物酶脫膠改性的實(shí)驗(yàn)室成果 進(jìn)行了中試生產(chǎn)研究。本文各章節(jié)內(nèi)容如下： 第一章闡述了國內(nèi)外麻類韌皮纖維生物脫膠和改性及廢水處理的研究 現(xiàn)狀。 第二章篩選馴化了適于紅麻脫膠的菌種，并對菌種進(jìn)行表征。根據(jù)菌 落和菌體形態(tài)初步認(rèn)定所篩選的菌種是a s p e r g i l l u sn i g e r 屬，即黑曲霉屬。 再經(jīng)d n a 序列測定和該菌種在18 s r n a 編碼區(qū)的基因表達(dá)，該菌種被進(jìn)一步 鑒定為a s p e r g i l l u sn i g e r 屬。提取了該菌種分泌的果膠酶，并采用d n s 法和粘 度下降法測定了果膠外切酶和果膠內(nèi)切酶對果膠的活力分別為5 6 5u m l 和 41 4u m l ，而對纖維素的活力分別為9 9u m l 和2 6 1u m l ，因而該菌種分泌 的酶是一種既適合脫膠又不損傷纖維的酶。接著對該菌體生長與產(chǎn)酶關(guān)系 進(jìn)行了研究，結(jié)果表明此關(guān)系為同步合成型，其最佳產(chǎn)酶時(shí)間為菌體生長 的第5 2 5 6 h ，溫度為3 8 4 0 。 第三章進(jìn)行了紅麻生物酶脫膠改性試驗(yàn)及纖維檢測。經(jīng)單因子試驗(yàn)及正 交試驗(yàn)確定了較優(yōu)脫膠工藝參數(shù)：溫度3 6 ，p h 值8 ，浴比1 ：2 5 ，時(shí)間6 0 h ， 酶液用量3m l l0 9 麻皮。按上述生物酶脫膠工藝參數(shù)處理后，紅麻纖維殘 膠率和失重率分別為1 6 1 和2 3 9 6 ，纖維分離度和柔軟度較好。為了提高纖 維可紡性，又在同一反應(yīng)裝置中采用纖維素酶和半纖維素酶復(fù)合改性法對 紅麻纖維進(jìn)行了改性處理，進(jìn)一步去除了纖維中殘留的半纖維素和部分木 質(zhì)素等雜質(zhì)。經(jīng)試驗(yàn)改性處理的較優(yōu)工藝參數(shù)為：溫度4 0 ，p h 值5 5 ，時(shí) 間1 8 h ，用量比例為纖維素酶l0 9 ：半纖維素酶3 0 9 ( 每千克麻皮) 。對脫膠 改性后的纖維進(jìn)行了檢測分析，生物酶法脫膠改性所得纖維殘膠率、失重 率均較低，分別為l2 1 和2 6 ，斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長及柔軟度等性能指標(biāo) 優(yōu)于天然法，同時(shí)，通過纖維橫截面圖像、纖維縱向電子顯微掃描圖像和 紅外光譜圖譜對比看出，生物酶法處理所得纖維表面光滑，分離度好且纖 維損傷小，有利于纖維的精深加工。 第四章闡述了紅麻生物酶脫膠改性機(jī)理，分析了紅麻生物酶脫膠改性 過程和果膠酶及半纖維素酶的作用位置及大分子鏈斷裂情況。果膠酶脫膠 是一個連續(xù)作用過程，包含：將不可溶性果膠轉(zhuǎn)化為可溶性果膠，將可溶 性果膠脫甲基成為果膠酸及水解各半乳糖醛酸單體間的l ，4 一苷鍵，使大分 子降解等三個階段。在此過程中，發(fā)揮主要作用的是果膠分解酶m p g 和果膠 酸分解酶p g ，二者又分別存在內(nèi)切酶和外切酶兩種形式，即e n d o m p g p g ， e x o - m p g p g 。內(nèi)切酶從中間任意位置切斷果膠大分子，而外切酶由末端開 始逐漸降解果膠大分子，且e n d o - m p g 和e x o - m p g 優(yōu)先作用于果膠，而e n d o p g 和e x o p g 優(yōu)先作用于果膠酸。在半纖維素酶改性過程中，發(fā)揮主要作用的 是內(nèi)切l(wèi) ，4 一b - d - 木聚糖酶和外切l(wèi) ，4 一b - d 一木聚糖酶。內(nèi)切l(wèi) ，4 一b d 一 木聚糖酶隨機(jī)切斷分子鏈骨架，產(chǎn)生木寡糖，降低其聚合度，隨后外切l(wèi) ， 4 1 3 - d 一木聚糖酶將木寡糖和木二糖分解為木糖。酶解后脫膠改性液中，主 要有半乳糖醛酸、半乳糖醛酸甲酯、半乳糖、木糖、葡萄糖、阿拉伯糖及 少量的鼠李糖和甘露糖等小分子產(chǎn)物。 第五章研究了紅麻生物酶脫膠改性廢水處理。利用氣相色譜分析了紅 麻脫膠改性液中的成分，確定了各單糖的含量及比例，以甲殼素作為載體 進(jìn)行生物膜的固定化，采用甲殼素生物膜法對其脫膠改性廢水進(jìn)行處理， 通過試驗(yàn)確定了較優(yōu)的處理工藝參數(shù)：時(shí)間為18 h ，p h 值為7 ，初始c o d 為 4 5 0 ，溫度為2 7 。其處理后水質(zhì)中的c o d 為2 0 8 、b o d 5 為6l 、p h 值為 6 9 、固形物含量為7 3 、色度為10 ，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)能達(dá)到污水綜合排放標(biāo) 準(zhǔn)中二級標(biāo)準(zhǔn)要求。 i i 第六章對生物酶脫膠改性技術(shù)進(jìn)行了中試生產(chǎn)研究，包括黑曲霉產(chǎn)果 膠酶的中試放大工藝和紅麻生物酶脫膠改性的中試生產(chǎn)流程等研究，還應(yīng) 用生物酶脫膠改性后的紅麻纖維，開發(fā)了服飾面料及汽車內(nèi)飾材料系列產(chǎn) 品，同時(shí)對紅麻織物的超臨界c 0 2 無水染色進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 第七章是結(jié)論與展望。對全文研究工作的主要貢獻(xiàn)、存在的問題和進(jìn) 一步研究方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。 關(guān)鍵詞：紅麻脫膠，紅麻改性，生物酶脫膠，生物酶改性，菌種篩選， 廢水處理 i i i a s t u d yo l lt h ed e g u m m i n g a n dm o d i f i c a t i o no fk e n a fb a s t f i b e rb yb i o - e n z y m ed e g r a d a t i o n a b s t r a c t b a s e do nt h e a n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fk e n a f si n t e r g r o w t h at e c h n o l o g yo f b i o e n z y m ed e g r a d a t i o nu s e df o rd e g u m m i n ga n dm o d i f i c a t i o no f k e n a fb a s tf i b e ri sp r o p o s e d i nt h e p a p e r t h et e c h n o l o g y i sa i m e da t r e s o l v i n g t h el o n g - s t a n d i n gp r o b l e m so f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nw h i c hi sc a u s e db yt h ec h e m i c a lr e s i d u ee x i s t e di nb o t ht h e d e g u m m i n ga n dm o d i f y i n gp r o c e s s t h ew o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ：t h es e l e c t i o na n d d o m e s t i c a t i o no ft h es t r a i ns p e c i a l l ys u i t a b l ef o rd e g u m m i n gt h ek e n a ff i b e r ；t h es y s t e m a t i c e x p e r i m e n t so fd e g u m m i n ga n dm o d i f i c a t i o no fk e n a ff i b e r su s i n gt h ep a c t i n a s es e c r e t e db y t h es e l e c t e ds t r a i na n dh e m i c c l l u l a s e ；t h ea n a l y s i so ft h ea c t i o nm e c h a n i s m so ft h ep e c t i n a s e a n dh e m i c e l l u l a s eo nk e n a ff i b e rd u r i n gt h ed e g u m m i n ga n dm o d i f y i n gp r o c e s s ；t h et r e a t m e n t o fd e g u m m i n gw a s t e w a t e ru s i n gb i o - m e m b r a n e em e t h o d ；a n dt h es t u d yo ft h ea p p l i c a t i o no f a l lt h er e s u l t so b t a i n e di nl a b o r a t o r yt ot h em e d i u m - d u t yo fk e n a fp r o d u c t s t h ec o n t e n t so f e a c hc h a p t e ra r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s t c h a p t e rg i v e so u ta l li n t r o d u c t i o nt o t h ep r e s e n ts t a t u so fr e s e a r c hf o r d e g u m m i n ga n dm o d i f i c a t i o no fb a s tf i b e r sa n dd e g u m m i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tu s i n g b i o l o g i c a lt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h es t r a i ns u i t a b l e f o rk e n a fd e g u m m m gi ss e l e c t e da tf i r s t a c c o r d i n gt ot h em o r p h o l o g yo fc o l o n ya n ds t r a i nb o d yt h es e l e c t e ds t r a i ni sc o n s i d e r e dt ob e a s p e r g i l l u sn i g e rf a m i l y w i t ht h ea i do fd n ad e t e r m i n a t i o na n di nt h el i g h to fd n a d e s c r i p t i o no ft h es t r a i ni n18 sr n ac o d i n gr e g i o nt h es t r a i nc a nb ef u r t h e ri d e n t i e dw i t h a s p e r g i l l u sn i g e rf a m i l y t h e nt h ep e c t i n a s es e c r e t e db yt h es t r a i ni se x t r a c t e d , a l s oi t sa c t i v i t y i sm e a s u r e d b yu s i n gd n sm e t h o da n dv i s c o s i t y d r o p p i n gm e t h o d t h ea c t i v i t i e so f e x o - p e c t a s ea n de n d o - p e c t a s ea r em e a s u r e dt ob e 5 6 5u m la n d414u m lr e s p e c t i v e l y i v w h e na c t i n go np e c t i n , b u to n l yt ob e9 9u m la n d2 6 1u m lw h e na c t i n go nc e l l u l o s e t h e r e f o r e ，t h ee n z y m es e c r e t e db yt h es t r a i ni ss u i t a b l ef o rd e g u m m i n gt h ek e n a f , b u ti tw i l l n o td a m a g et h ef i b e r s t h ef o l l o w i n gw o r ki st oi n v e s t i g a t et h ev a r i a t i o no fb o t ht h eb a c t e r i a a m o u n ta n dz y m o g e n i ca c t i v i t yw i t ht h es t r a i ng r o w i n g i ti sf o u n dt h a tb o mo ft h e ma l lr e a c h t h eh i g h e s tl e v e la _ 5 2 5 6h o u ra f t e rt h es t r a i ns t a r t i n gg r o w t h , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eb a c t e r i aa m o u n ti n c r e a s i n ga n dz y m o g e n i ca c t i v i t yh e i g h t e r i n gi sc h a r a c t e r i s t i co f s y n c h r o n o u ss y n t h e s i s t h e r e f o r e ，i ti sr e a s o n a b l ef o re x t r a c t i n gt h ep a c t i n a s es e c r e t e db yt h e s t r a i na tt h et i m em e n t i o n e da b o v e t h et h i r dc h a p t e rc o v e r st h es y s t e m a t i ce x p e r i m e n t so fd e g u m m i n ga n dm o d i f i c a t i o no f k e n a ff i b e r s u s i n gb i o e n z y m a t i ct e c h n o l o g ya n dt h et e s t i n g o ft h ep r o p e r t i e so ft h e d e g u m m e da n dm o d i f i e df i b e r s b ys i n g l e f a c t o rt e s ta n do r t h o g o n a lt e s t ，t h eo p t i m u m p r o c e s sp a r a m e t e r sf o rd e g t m a m i n ga r e ：t e m p e r a t u r e3 6 ，p hv a l u e8 ，b a t hr a t i o1 ：2 5 ， d e g u m m i n gt i m e6 0 h , a m o u n to fe n z y m a t i cs o l u t i o nf o re a c h 1 0 9k e n a ff i b e rb e i n g3 m l 10 9b a s t a f t e rb e i n gd e g u m m e d , t h er e s i d u a lg u mm t ea n dw e i g h t - l o s sr a t i oo ft h ef i b e r s a r e16 1 a n d2 3 r e s p e c t i v e l y ，a n dt h ef i b e rs e p a r a b i l i t ya n df l e x i b i l i t ya r eb e t t e rt h e nt h a t o fb e f o r e t oi m p r o v et h es p i n n i n gp e r f o r m a n c e ，t h ef i b e r sa l ef u r t h e rm o d i f i e di nt h es a n l e r e a c t o ra st h a ti nd e g u m m m g b yu s i n g t h ec o m b i n a t i o no fc e l l u l a s ea n dh e m i c e l l u l a s es oa st o r e m o v et h er e s i d u a lh e m i c e l l u l o s e ，p a r to fl i g n i na n do t h e ri m p u r i t i e si nt h ed e g u n u n e df i b e r s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rm o d i f i c a t i o na r e ： t e m p e r a t u r e4 0 。c ，p hv a l u e5 5 ，m o d i f y i n gt i m e18 h ，t h ec o n b i n a t i o np r o p o r t i o nb e h a g10 9o f c e l l u l a s ea n d3 0 9o fh e m i c e l l u l a s ep e rl k go fb a s t t h er e s u l t so b t a i n e df r o mf i b e r c r o s s s e c t i o n a lm i c r o s c o p i ci m a g e ，f i b e rl o n g i t u d i n a ls e mp h o t o s ，f i b e ri n f r a r e ds p e c m m a s a n dt e x t i l er o u t i n et e s t i n gs h o wt h a tt h ek e n a ff i b e r st r e a t e dw i mb i o - e n z y m et e c h n i q u eh a v e s u p e r i o r i t yo v e rt h eo n et r e a t e db yt r a d i t i o n a lr e r i n gm e t h o dd u et ol o w e rr e s i d u a lg u mr a t e a n dw e i g h t l o s sr a t i o ，b e t t e rb r e a k i n gs t r e n g t h , b r e a k i n ge l o n g a t i o na n df l e x i b i l i t y ，m o l e s m o o t hf i b e rs u r f a c e ，b e t t e rf i b e rs e p a r a b i l i t ya n dl e s sf i b e rd a m a g e i nf o u r t hc h a p t e rt h em e c h a n i s mo f d e g u m m i n ga n dm o d i f i c a t i o no fk e n a ff i b e r su s i n g b i o e n z y m et e c h n i q u e ，t h eb i o - e n z y m a t i cd e g u m m i n gp r o c e s s i n g , t h ec u t t i n gp o s i t i o no f p e c t i n a s ea n dh e m i c e u u l a s ea n dt h ed e g r a d a t i o no fl a r g em o l e c u l a rc h a i na r ea i le x p o u n di n v d e t a i l p e c t i n a s e & g u m m i n gi sa c o n t i n u o u sp r o c e s si n c l u d i n gt h r e es t a g e s ：f i r s t , t h ei n s o l u b l e p e c t i ni sc h a n g e di n t os o l u b l ep e c t i n ；s e c o n d ，t h es o l u b l ep e c t i ni sd e m e t h y l a t e dt op e c t i ca c i d ； f m a l l y ，1 , 4 一g l y c o s i d i cl i n k a g e sb j t w e e ng a l a c t u r o m ca c i dm o n o m e r s a r ；eh y d r o l y z e dm a k i n g t h e h r g e m o l e c u l e s d e g r a d e d d u r i n g t h e d e g u m m i n gp r o c e s s , m e t h o x y l a t i o n p o l y g a l a c t u r o r d a s ea n dp o l y g a l a c t u r o n l a s ep l a yam a j o rr o l e t h e yb o t l le x i s ta se n d o - p e c t a s e a n de x o - p e c t a s eo re n d o m p g p ga n de x o m p g p gf o rs h o r t e n d o p e e t a s ec u t st h el a r g e p e c t i cm o l e c u l ea tt h ea r b i t r a r yp o s i t i o ni nt h em i d d l ep a r to f t h em o l e c u l e ，w h i l ee x o p e 撇 d e g r a d e st h el a r g ep e c t i cm o l e c u l ea tt h ee n do ft h em o l e c u l e b o t he n d o m p g a n de x o m p g t a k e p r i o r i t y o f a c t i n g o n p e c t i n , b u t e n d o p ga n de x o p go np e c t i ca c i d e n d o 一1 ，如p d x y l a n a s ea n de x o - 1 ，舢p d - x y l a n a s ep l a yam a j o rr o l ei nt h ep r o c e s so f k e n a f f i b e rm o d i f i c a t i o nu s i n gh e m i c e l l u l a s e e n d o 一1 ，4 一p d - x y l a n a s oc u t st h em o l e c u l a rc h a i n f r a l n e r a n d o m l y ，t h u s r e s u l t si ng e n e r a t i n g x y l o o l i g o s a c c h a r i d ea n dd e c r e a s i n g t h e p o l y m e r i z a t i o nd e g r e e t h e nt h ee x o 1 ，4 一爭d x y l a n a s cd e c o m p o s e st h ex y l o o l i g o s a c c h a r i d e a n dx y l o b i o s ei n t ox y l o s e a f t e rt h ee n z y m o l y s i s ，t h e r ea r em a i n l yg a l a c t u r o n i ca c i d , g a l a e t u r o n i ca c i dm e t h y le s t e r , g a l a c t o s e ，x y l o s e ，g l u c o s e ，a r a b i n o s ea n da s m a l ln u m b e ro f r h a m n o s ea n dm a n n o s ei nt h e & g u m m i n ga n dm o d i f i c a t i o nw a s t e w a t e r t h e ya r ea l lm o l l o s “g w i t hl o wm o l e c u l a rw e i g h ta n de a s i e rt od e g r a d ew h e nt h ew a s t e w a t e rn e e d st ob et r e a t e d i nf i f t h c h a p t e rt h e t r e a t m e n to fw a s t e w a t e ro r i g i n a t e df r o mt h ed e g u m m i n ga n d m o d i f i c a t i o no fk e n a ff i b e ru s i n gb i o - e n z y m et e c h n o l o g yi ss t u d i e d b a s e do nt h ea n a l y s i so f i n g r e d i e n t si nt h ew a s t e w a t e rb yu s i n gg a sc h r o m a t o g r a p h y ，t h ec o n t e n ta n dp r o p o r t i o no f e a c hm o n o s ca l ed e t e r m i n e d b yt a k i n gc h i t i na sc a r r i e r st oi m m o b i l i z et h eb i o - m e m b r a n e ，t h e c h i t i nb i o - m e m b r a n em e t h o di su s e dt ot r e a tt h ew a s t e w a t e r t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r s a r ed e t e r m i n e db yt e s ta sf o l l o w s ：t r e a t m e n tt i m els h , p hv a l u e7 ，i n i t i a lc o d4 5 0 ， t e m p e r a t u r e2 7 c a f t e rt r e a t m e n tt h eq u a l i t yi n d e x e so f t h et r e a t e dw a t e ra r ec o dv a l u e2 0 8 ， b o d 5v a l u e61 ，p hv a l u e6 9 ，s o l i da m o u n t7 3a n dc o l o r10 ，w h i c hh a v er e a c h e dt h es e c o n d s t a n d a r dg r a d ea c c o r d i n gt ot h ei n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d i ns i x t hc h a p t e rt h ea p p l i c a t i o no ft h er e s u l t so b t a i n e di nl a b o r a t o r yt ot h em e d i u m - d u t y o f k e n a fp r o d u c t si ss t u d i e d a p p a r e lf a b r i c sa n da u t o m o t i v et r i mm a t e r i a l sa r ed e v e l o p e db y u s i n gt h e k e n a ff i b e r b e i n gd e g u m m e da n dm o d i f i e d a l s ot h ep o s s i b i l i t y o fu s i n g v i s u p e r c r i t i c a lc 0 2n o n w a t e rd y e i n gt e c h n i q u et od y et h et r e a t e dk e n a f f i b e ri se x p l o r e d t h es e v e n t hc h a p t e rg i v e so u tt h ec o n c l u s i o na n dp r o s p e c t t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h e w o r ka r es u m m e da n da no u t l i n eo ft h ep r o b l e m sw h i c hn e e dt ob ef u r t h e rs t h d i e di sm a d ea s w e l l k e y w o r d s ： k e n a f - d e g u m m i n g ， k e n a f - m o d i f i c a t i o n ， b i o - e n z y m ed e g u m m i n g ， b i o - e n z y m em o d i f i c a t i o n ，s t r a i ns e l e c t i o n ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t v 東華大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人在 導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成暴。除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本 人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名；鉚狂 日期：刁年夕月，曲 東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意 學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論 文被查閱或借閱本人授權(quán)東華大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保 存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 保密亡 ，在一年解密后適用本版權(quán)書。 不保密囪。 學(xué)位論文作者簽名 犯 日期2 年f 礦月，日 指導(dǎo)教師簽名：名鴦妻、 日期：2 o a , a c 年千月f 。e l 引言 東華大學(xué)博士學(xué)位論文2 0 0 7 引言 麻類韌皮纖維具有良好的吸放濕性、透氣性及抗靜電、抗菌、抗紫外線 等保健性能 1 - 3 】。麻類韌皮纖維的可再生性、可循環(huán)性及與人體自然協(xié)調(diào)性 等綠色生態(tài)性能日益凸顯，開發(fā)生態(tài)保健服飾己成為國內(nèi)外市場的迫切需 要。因此，美國、瑞士、日本等許多國家都在積極開展麻類纖維資源的開 發(fā)利用研究【4 ，5 】。目前，苧麻、亞麻等纖維的深加工技術(shù)已趨于成熟，而對 于紅麻的研究則甚少，其纖維也僅局限于生產(chǎn)包裝材料等初加工產(chǎn)品【6 ，7 1 。 然而，紅麻是一種耐瘠薄土地、氣候適應(yīng)性強(qiáng)、投入少產(chǎn)出多的經(jīng)濟(jì)作物， 在我國種植區(qū)域分布廣，有著豐富的紅麻原料資源。如果能對紅麻進(jìn)行深 加工、精加工，那么其產(chǎn)品既可同亞麻、苧麻等纖維混紡，緩解原料緊缺， 降低生產(chǎn)成本；又可開發(fā)紅麻復(fù)合材料，為麻類的綜合利用開發(fā)出新的途 徑。 為了更好地開發(fā)利用紅麻韌皮纖維資源，其纖維前處理過程尤為重要。 由于紅麻韌皮纖維中含有纖維素和非纖維素成分有機(jī)物，后者由果膠、半 纖維素、木質(zhì)素和灰分等成分組成。在這些組分中，果膠作為粘結(jié)纖維中 其它成分的膠粘劑。只有對紅麻韌皮纖維進(jìn)行脫膠改性處理才能得到適于 后加工的纖維，并且脫膠質(zhì)量是決定紅麻韌皮纖維可紡性和染色效果的關(guān) 鍵。由于傳統(tǒng)的脫膠方法均采用化學(xué)方法或天然水漚麻法處理，存在環(huán)境 污染嚴(yán)重、勞動生產(chǎn)率低、水資源消耗大等不足，制約了紅麻纖維資源的 開發(fā)利用。因此，自2 0 世紀(jì)中葉起，生物脫膠倍受關(guān)注，愈來愈多的國內(nèi) 外專家學(xué)者致力于生物脫膠技術(shù)研究 8 “1 5 】。 針對目前國內(nèi)外紅麻研究的狀況，依據(jù)紅麻韌皮纖維共生物特性，本文 提出了紅麻韌皮纖維生物酶脫膠改性技術(shù)。篩選馴化了適于紅麻脫膠的菌 種，并對菌種進(jìn)行了表征；闡述了紅麻生物酶脫膠改性機(jī)理，分析了紅麻 生物酶脫膠改性過程和果膠酶及半纖維素酶的作用位置及大分子鏈斷裂情 況；采用甲殼素生物膜法對其脫膠改性廢水進(jìn)行處理，并對生物酶脫膠改 性技術(shù)進(jìn)行了中試生產(chǎn)研究。 第一章文獻(xiàn)綜述東華大學(xué)博士學(xué)位論文2 0 0 7 1 1 生物脫膠研究現(xiàn)狀 第一章文獻(xiàn)綜述 第一節(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 生物脫膠主要利用脫膠菌分泌的胞外酶系果膠酶、半纖維素酶等混 合酶液降解麻類韌皮纖維中的膠質(zhì)，從而達(dá)到脫膠之目的。生物脫膠方法 主要有加菌發(fā)酵法和在原麻加入生物酶制劑兩種【1 6 】。前者主要依靠脫膠菌 在生長繁殖過程中分泌果膠酶等胞外酶系，實(shí)現(xiàn)脫膠。后者則直接向脫膠 液中添加果膠酶等商品酶制劑，使酶系直接作用于韌皮纖維以實(shí)現(xiàn)脫膠。 研究表明，兩者脫膠原理都是依賴于酶脫除雜質(zhì)，但區(qū)別在于加菌發(fā)酵法 中，果膠等雜質(zhì)可作為微生物生長繁殖的碳源，而分泌的酶又可以分解果 膠，是一個“膠養(yǎng)菌一菌產(chǎn)酶一酶脫膠”的循環(huán)過程【 l 。而加生物酶制劑法， 則直接添加果膠酶等，是一個單向過程，酶損失較少，脫膠廢液中的酶可 回收利用。相比之下，二者各有利弊，可依據(jù)不同生產(chǎn)環(huán)境的要求來選擇 適當(dāng)工藝。經(jīng)檢索有關(guān)資料，國內(nèi)外麻類纖維生物脫膠的研究進(jìn)展情況如 下： l9 9 4 年，美國密西西比州立大學(xué)g i t an r a m a s w a m y t l 8 】采用微生物法 和化學(xué)法分別處理人工種植紅麻麻桿，對其處理后紅麻纖維質(zhì)量進(jìn)行了對 比。微生物脫膠法在溫度為3 0 士2 ，處理l0 天后，將麻桿放入熱水洗凈 后烘干。化學(xué)法采用濃度為7 n a o h 中處理lh ，用濃度為o 2 醋酸中進(jìn)行 中和，洗凈后烘干。同時(shí)，對紅麻纖維特性進(jìn)行了檢測對比，如殘膠率、 束纖維強(qiáng)力，斷裂伸長，色度、光澤等。結(jié)果表明，微生物脫膠法殘膠率 為21 2 3 ，化學(xué)脫膠法則為7 12 ，且纖維其它指標(biāo)均以微生物法為更佳。 第一章文獻(xiàn)綜述東華大學(xué)博士學(xué)位論文2 0 0 7 文章最后提出了建議使用生物化學(xué)聯(lián)合法，將會取得更好的效果。 l9 9 5 19 9 7年期間， 瑞士生物技術(shù)研究所( i n s t i t u t eo f b i o t e c h n o l o g y ) f r e d ib r 6 h l m a n n 1 9 , 2 0 1 等人篩選出適合于苧麻韌皮纖維的脫 膠菌種a m y c o l a t as p 。該菌種最佳產(chǎn)酶時(shí)間為5 8 h ，酶活力高達(dá)15 21u 。同 時(shí)，亦可產(chǎn)生具有一定活力的木聚糖酶，協(xié)同果膠酶共同實(shí)現(xiàn)脫膠。經(jīng)大 量優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，其脫膠最佳工藝參數(shù)為：溫度3 0 ，p h = 7 ，時(shí)間2 4 h 。脫膠 裝置使用自行設(shè)計(jì)制作的旋轉(zhuǎn)振蕩脫膠裝置，轉(zhuǎn)速為15 0 r p m ，可在2 4 h 內(nèi) 完成整個脫膠過程。經(jīng)檢測，脫膠后苧麻纖維殘膠率降低為l4 7 17 3 ， 纖維柔軟度和分離度均能達(dá)到后續(xù)工藝的要求，具有良好的可紡性。 自19 9 7 年起，美國克萊姆森( c l e m s o n ) 大學(xué)和喬治亞( g e o r g i a ) 大 學(xué)d a n n y e a k i n 、h e r r i k s s o ng 2 1 , 2 2 1 等人研究了亞麻纖維酶法脫膠技術(shù)， 結(jié)合酶的作用機(jī)制理論闡述了其在膠質(zhì)大分子酶解過程中發(fā)揮的作用。同 時(shí)，用富含果膠酶的混合酶系對纖維表面進(jìn)行了處理，利用電子掃描顯微 鏡，核磁共振等方法對纖維表面情況進(jìn)行了檢測。 19 9 8 年，瑞士聯(lián)邦研究院( s w i s sf e d e r a lr e s e a r c hs t a t i o n ) m a r i a n n el l z 副 對大麻微生物脫膠進(jìn)行了深入研究，分析并確定了影響其脫膠效果的因素 及最佳參數(shù)，并將脫膠后纖維成分含量同天然法、化學(xué)法及超聲波法脫膠 進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，微生物脫膠所得纖維強(qiáng)度提高3 5 ，柔軟度提高 2 6 ，殘膠率和失重率均降低較大，綜合指標(biāo)效果最佳。 2 0 01 年，印度旁遮普( p u n j a b ) 大學(xué)m u k e s hk 2 4 】等人對苧麻、大麻 脫膠分別采用生物脫膠法、生物一化學(xué)聯(lián)合法和化學(xué)脫膠法，進(jìn)行了對比 實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，采用篩選所得脫膠菌b a c i l l u ss p m g c p 一2 和化學(xué)聯(lián)合法 效果最佳，確定了篩選菌種最佳培養(yǎng)條件及工藝路線，并對脫膠影響因素 進(jìn)行了研究。 2 0 0 2 年，美國農(nóng)業(yè)研究中心和d a n n ye a k i n i 2 5 l 研究了酶法脫膠對亞 麻纖維性能的影響，他們將酶和螯合劑按不同比例組成對亞麻進(jìn)行了脫膠 實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，螯合劑的比例對駐麻束纖維的支數(shù)有很大影響，螯合劑 比例越大，纖維支數(shù)越高，而酶的用量影響著亞麻纖維的強(qiáng)度，因此在脫 3 第一章文獻(xiàn)綜述東華大學(xué)博士學(xué)位論文2 0 0 7 膠時(shí)要注重二者的比例和脫膠的成本，同時(shí)為大范圍的亞麻脫膠提供了依 據(jù)。 2 0 0 3 年，瑞典的u p p s a l au n i v e r s i t y ( 烏普薩拉大學(xué)) z h a n gj i n g 和 g u n n a rj o h a n s s o n 2 6 1 等人研究了提高亞麻酶法脫膠效率的方法。在酸性 ( p h = 2 ) 條件下，對亞麻進(jìn)行預(yù)處理，使果膠分子鏈中的c a 2 + 被脫落，大 大減少了c a 2 + 的含量。脫膠后亞麻纖維用乙醇進(jìn)行水洗，并采用丙酮或 0 1 m o l lk o h 進(jìn)行處理，以提高纖維柔軟度，進(jìn)而消除纖維的干燥后發(fā)硬 的不足。 2 0 0 6 年，韓國培才( p a i c h a i ) 大學(xué)k y u n gh u ns o n g 和美國( c o r n e l l ) 康奈爾大學(xué)s k a yo b e n d o r f 2 7 1 運(yùn)用化學(xué)、生物和酶三種方法對紅麻韌皮纖 維進(jìn)行了脫膠研究，并采用氣相色譜對脫膠后的紅麻纖維做了定量化學(xué)分 析，研究結(jié)果表明三種方法都可脫去紅麻韌皮中的果膠、半纖維素和木質(zhì) 素，但采用3 的果膠酶就可以完成紅麻的脫膠，對紅麻纖維性能影響小， 并且可減少對環(huán)境的污染。 除了上述國外研究成果外，我國在生物脫膠方面也進(jìn)行了大量的探索。 19 9 1 年，中國農(nóng)科院麻類研究所孫慶祥1 2 8 等利用多粘芽孢桿菌b a c i l l u s p o 砂m y x at 1 1 6 3 進(jìn)行了紅麻干皮潤濕脫膠試驗(yàn)，采用人工浸泡方式接種脫膠， 去除雜菌干擾，接種量lo 15 ，并添加少許磷酸氫二銨( 或尿素或磷酸 氫二鉀) 。結(jié)果表明，在不排除雜菌影響的條件下接種脫膠，35 振蕩培養(yǎng) 6 h 后的菌液可使紅麻濕潤干皮在7 6 h 完成脫膠，且纖維質(zhì)量好，精洗率高， 與不加菌液的陸地濕潤脫膠相比，時(shí)間可縮短3 天。 1 9 9 1 年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楊瑞鵬【2 9 】等人篩選出果膠酶、木聚