王春紅，岳鑫敏，白肅躍，王 瑩，冉 俊

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津300387)

烏拉草(Carex meyeriana)，莎草科(Cyperaceae)苔草屬(Carex)多年生草本植物。作為一種濕地資源，能夠起到調(diào)節(jié)氣候、均化洪水、凈化水質(zhì)、保持物種基因多樣化的功能［1-2］。烏拉草昔有“東北三寶”之一的稱號(hào)，烏拉草的空腔結(jié)構(gòu)使其具有防寒保暖的功效，含有的黃酮類物質(zhì)及揮發(fā)油抑菌物質(zhì)使其具有除臭抑菌的功效［3-5］。開發(fā)烏拉草天然植物纖維，不僅響應(yīng)“綠色環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展”的號(hào)召［6］，也有利于提高人們對(duì)于濕地資源的保護(hù)及合理利用。

目前，提取烏拉草纖維的方法均是化學(xué)方法［7-10］，作用較劇烈，易于損傷纖維，探索發(fā)現(xiàn)，化學(xué)脫膠后烏拉草纖維較脆硬，與其較多的木質(zhì)素含量(木質(zhì)素含量19．70%)有關(guān)［11］。生物酶脫膠具有專一性強(qiáng)、催化效率高、作用溫和、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［12］。本研究采用漆酶對(duì)化學(xué)脫膠后的烏拉草纖維進(jìn)一步處理，力圖提取出性能更加優(yōu)異的烏拉草纖維，有利于其在紡織加工中的應(yīng)用。

為探索漆酶處理的最佳工藝，本研究采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行分析，采用多元二次回歸方程在自變量與因變量之間建立一定的函數(shù)關(guān)系，且運(yùn)用圖形技術(shù)將這種函數(shù)關(guān)系顯示出來(lái)，以供憑借直覺的觀察來(lái)選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化條件。

1 材料與方法

1．1 原料與試劑

烏拉草纖維，為經(jīng)過(guò)2 h 水煮+3 次堿煮(每次堿煮時(shí)間為1 h)得到，天津工業(yè)大學(xué)提供;磷酸氫二鈉(含量99%)、檸檬酸(含量99．5%)，分析純，天津市贏達(dá)稀貴化學(xué)試劑廠生產(chǎn);漆酶(酶活10 000 U·g－1)，黃色液體，夏盛紡織有限公司生產(chǎn);柔軟劑(乳白色液體)，上海印染水洗日化助劑。

1．2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)方法［13-15］，根據(jù)漆酶使用條件及前期預(yù)試驗(yàn)效果，以漆酶用量、溶液pH、溫度為因素。設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)曲面試驗(yàn)。

其中浴比為1 ∶ 20，漆酶的用量范圍為12% ～18%(相對(duì)于纖維質(zhì)量的百分比);溶液的pH 范圍為5 ～6，緩沖溶液的配比如表1 所示，采用蒸餾水進(jìn)行配制，并使用酸堿滴定管對(duì)pH 進(jìn)行微調(diào)。設(shè)計(jì)因素水平編碼如表2 所示，表中－1、0、1 代表自變量水平，以纖維木質(zhì)素含量Y1、纖維直徑Y(jié)2、斷裂強(qiáng)度Y3為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 緩沖溶液的配比Table 1 The ratio of buffer solution

表2 烏拉草纖維提取的因素水平及編碼Table 2 The factor levels and coding of the Carex meyeriana fibers extraction

1．3 測(cè)試方法

參照標(biāo)準(zhǔn)《GB 5889 －86 苧麻化學(xué)成分定量分析方法》［16］測(cè)試?yán)w維的木質(zhì)素含量。參考標(biāo)準(zhǔn)《SN/T 2672 －2010．紡織原料細(xì)度試驗(yàn)方法(直徑)顯微鏡投影儀法》［17］，使用4．0 版生物圖像電腦分析系統(tǒng)(北京泰克儀器有限公司)測(cè)試?yán)w維的直徑，試樣個(gè)數(shù)為30根。參考標(biāo)準(zhǔn)《ASTM D3822 Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers》［18］，使用Instron 萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)(美國(guó)Instron)測(cè)試?yán)w維的斷裂強(qiáng)度，試樣個(gè)數(shù)為20 根。

采用Z16APOA 型超景深三維顯微系統(tǒng)(徠卡微系統(tǒng)有限公司)對(duì)漆酶最優(yōu)處理前后纖維的整體狀態(tài)進(jìn)行觀察，觀察之前先將約0．5 g 的纖維團(tuán)置于5 cm的圓筒內(nèi)，使用200 g 的砝碼壓2 min，再用鑷子輕輕拿出于200 倍的放大倍數(shù)下觀察，以便于觀察纖維的柔軟曲折狀態(tài)。

采用TM-1000 型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)觀察纖維的橫截面及縱向結(jié)構(gòu)，橫截面觀察之前使用哈氏切片器和火棉膠制備纖維橫截面樣品。

采用Nicolet iS50 型傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Scientific 有限公司)測(cè)試?yán)w維的紅外光譜圖，測(cè)試樣品為一團(tuán)纖維。

采用DB DISCOVER with GADDS 型X 射線衍射儀(美國(guó)BRUKERAXS 公司)測(cè)試?yán)w維的結(jié)晶度，根據(jù)Segal 公式計(jì)算纖維結(jié)晶度:

式中，CrI 為結(jié)晶度，I002為主結(jié)晶峰002 的最大衍射強(qiáng)度，Iam為2θ=18 °時(shí)無(wú)定形區(qū)衍射峰的強(qiáng)度。

1．4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Design-Expert 8．0 中的Box-Behnken 方法對(duì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型的建立和顯著性分析。用Origin 軟件對(duì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果、FTIR 結(jié)果及XRD 結(jié)果進(jìn)行畫圖處理。

2 結(jié)果與分析

2．1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果與分析

響應(yīng)曲面法試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。其中試驗(yàn)組合是按照表2 的因素水平及編碼，通過(guò)Box-Behnken 方法設(shè)計(jì)的，木質(zhì)素含量、直徑、斷裂強(qiáng)度是評(píng)價(jià)指標(biāo)。

采用Design Expert 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸模型建立，以Y1、Y2、Y3為響應(yīng)值，以X1、X2、X3為因變量，擬合得到模型1、2 和3(表4)。這3 個(gè)模型的R2值分別為0．987 0、0．992 7 和0．985 5，都非常接近1，說(shuō)明擬合模型可靠性高，Y1、Y2、Y3建立的回歸整體模型均為極顯著(P ＜0．000 1)。

纖維木質(zhì)素含量擬合模型方差分析如下:X1、X2、X1X3均為顯著影響項(xiàng)(P ＜0．05)(表5)，X3項(xiàng)為極顯著項(xiàng)(P ＜0．000 1)。由F 值可得，三因素對(duì)烏拉草纖維木質(zhì)素含量的影響大小為X3＞X2＞X1。

纖維直徑擬合模型方差分析如下:X1、X2、X1X3、X2X3均為顯著影響項(xiàng)(P ＜0．05)(表5)，且X3、X1X3項(xiàng)為極顯著項(xiàng)(P ＜0．000 1)。由F 值可得，三因素對(duì)烏拉草纖維直徑的影響大小為X3＞X2＞X1。

表3 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The response surface test results

表4 擬合得到的數(shù)學(xué)模型Table 4 The mathematical model fitting

表5 方差分析結(jié)果Table 5 The result of variance analysis

纖維斷裂強(qiáng)度擬合模型方差分析如下:X1、X2均為顯著影響項(xiàng)(P ＜0．05)，X3項(xiàng)為極顯著項(xiàng)(P ＜0．000 1)。由F 值可得，三因素對(duì)烏拉草纖維斷裂強(qiáng)度的影響大小為X3＞X2＞X1。

根據(jù)方差分析結(jié)果，選擇其中漆酶用量與溫度交互作用于纖維木質(zhì)素含量、漆酶用量與溫度交互作用于纖維直徑、pH 與溫度交互作用于纖維直徑幾個(gè)顯著的因素進(jìn)行分析。

由漆酶用量和溫度對(duì)纖維木質(zhì)素含量的響應(yīng)面及等高線圖看出，在固定的較低溫度時(shí)，纖維木質(zhì)素的含量隨著漆酶用量的增加呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)較小，在固定的較高溫度下，纖維木質(zhì)素的含量隨著漆酶用量的增加呈先減小后基本不變的趨勢(shì)。在固定的每一個(gè)漆酶用量下，纖維木質(zhì)素含量隨著溫度的升高呈先減小后增大的趨勢(shì)(圖1)。

由漆酶用量和溫度對(duì)纖維直徑的響應(yīng)面及等高線圖看出，在固定的較低溫度時(shí)，纖維直徑隨著漆酶用量的增加呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，變化較小，在固定的較高溫度下，纖維直徑隨著漆酶用量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。在固定的每一個(gè)漆酶用量下，纖維直徑隨著溫度的升高呈先減小后增大的趨勢(shì)。因素對(duì)纖維直徑的影響與對(duì)纖維木質(zhì)素含量的影響呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，是因?yàn)槟举|(zhì)素去除的越多，纖維脫膠越好，分散程度越好，間接影響纖維直徑的變化(圖2)。

圖1 AC 因素對(duì)纖維木質(zhì)素含量的響應(yīng)面及等高線圖Fig．1 Lignin response surface and contour plot of AC

圖2 AC 因素對(duì)纖維直徑的響應(yīng)面及等高線圖Fig．2 Diameter response surface and contour plot of AC

圖3 BC 因素對(duì)纖維直徑的響應(yīng)面及等高線圖Fig．3 Diameter response surface and contour plot of BC

由pH 和溫度對(duì)纖維直徑的響應(yīng)面及等高線圖看出，在其中一個(gè)因素固定(pH 或溫度)，纖維直徑隨著另外一個(gè)因素(溫度或pH)的增加均是呈現(xiàn)先較小后增大的趨勢(shì)(圖3)。

由Design Expert 軟件分析得到烏拉草纖維在漆酶用量14．44%，pH 為5．46，溫度為46．69 ℃時(shí)的綜合性能最優(yōu)，預(yù)測(cè)得到的纖維木質(zhì)素含量為7．38%，直徑為41．65 μm，斷裂強(qiáng)度為201．92 MPa。受試驗(yàn)條件限制，驗(yàn)證試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置為:漆酶用量14%，pH 為5．5，溫度為47 ℃，得到的纖維木質(zhì)素含量為7．71%，纖維直徑為40．06 μm，斷裂強(qiáng)度為203．46 MPa。試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值非常接近，證明了預(yù)測(cè)的可靠性。

2．2 烏拉草纖維的超景深測(cè)試結(jié)果與分析

超景深三維顯微系統(tǒng)測(cè)試可以解決相機(jī)拍攝的放大倍數(shù)、清晰度不夠的問(wèn)題;解決掃描電鏡觀察立體物時(shí)，不能使整個(gè)物體清晰地呈現(xiàn)在同一張圖片的不足。

從漆酶處理前后烏拉草纖維的超景深三維圖(圖4)可以看出，處理前的烏拉草纖維的細(xì)度均勻度差，纖維粘連在一起形成粗的纖維束，而處理后的烏拉草纖維細(xì)度均勻度好，纖維較細(xì)，且纖維脫膠更好，更加分散。在相同時(shí)間、相同壓力作用下，處理前的烏拉草纖維產(chǎn)生較明顯的折痕，而處理后的烏拉草纖維彎曲較自然，因此，處理后的烏拉草纖維較漆酶處理前的烏拉草纖維更加柔軟。

2．3 烏拉草纖維的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果與分析

圖4 烏拉草纖維的超景深圖片F(xiàn)ig．4 The image of the Carex meyeriana fibers

圖5 烏拉草纖維的橫截面圖Fig．5 The cross section diagram of the Carex meyeriana fibers

圖5a 為漆酶處理后烏拉草纖維放大2 000 倍的橫截面圖，圖5b為放大4 000倍的橫截面圖?？梢钥吹?，處理后烏拉草的單纖維細(xì)胞狀態(tài)，纖維橫截面為不規(guī)則的多邊形，內(nèi)部有中腔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使纖維內(nèi)含靜止空氣，在寒冷的天氣中，起到隔熱保暖的效果。中腔結(jié)構(gòu)還有益于發(fā)揮纖維的毛細(xì)作用，使織物具有優(yōu)異的吸濕散濕性。圖6 為烏拉草纖維漆酶處理前后的縱向圖，可以看到，漆酶處理前，纖維已經(jīng)產(chǎn)生分絲效果，但是纖維之間還有很多點(diǎn)狀膠質(zhì)將其粘結(jié)在一起形成束纖維，難于分離;而經(jīng)過(guò)漆酶處理后束纖維逐漸得到分離，呈現(xiàn)明顯的單纖維狀態(tài)，表面的膠質(zhì)也得到去除，說(shuō)明烏拉草內(nèi)的木質(zhì)素得到了有效的去除。單纖維之間呈現(xiàn)出大量較明顯的縫隙及孔隙，這種結(jié)構(gòu)使得纖維內(nèi)富含氧氣，起到透濕吸濕的效果，同時(shí)可以使在潮濕環(huán)境下生存繁殖的霉菌類代謝及生理活性受到抑制難以生存。

2．4 烏拉草纖維的FTIR 測(cè)試結(jié)果與分析

觀察漆酶處理前后烏拉草纖維的紅外光譜圖(圖7)，其中在3 315 cm－1處的特征吸收峰為OH 的伸縮振動(dòng)、2 915 cm－1處帶有肩峰的吸收峰為CH 的伸縮振動(dòng)，1 265 cm－1處為CH 的彎曲振動(dòng)，1 030 cm－1處為環(huán)狀C － O － C 的C － O 伸 縮 振 動(dòng)，808 cm－1處 為CH2(CH2OH)非平面搖擺振動(dòng)，均歸屬于纖維素的特征吸收峰。在1 737 cm－1處為非共軛羰基振動(dòng)，歸屬于半纖維素。1 616、1 515 cm－1處的吸收峰為芳香環(huán)的骨架振動(dòng)，歸屬于木質(zhì)素。

漆酶處理前后烏拉草纖維在3 315、2 915、1 265、1 030 和808 cm－1處的吸收峰強(qiáng)弱變化微小，說(shuō)明烏拉草纖維中的纖維素含量基本沒有變化;漆酶處理后的烏拉草纖維在1 737、1 616、1 515 cm－1處，吸收峰強(qiáng)度明顯減弱，且在漆酶處理后，這些基團(tuán)的吸收峰相較于漆酶處理前更加平滑，說(shuō)明經(jīng)過(guò)漆酶脫膠處理后，烏拉草內(nèi)的非纖維素物質(zhì)得到了有效的去除。

圖6 漆酶處理前(a)、后(b)烏拉草纖維的縱向圖Fig．6 Longitudinal figure before(a)and after (b)the laccase treatment

圖7 烏拉草纖維的FTIR 圖Fig．7 The FTIR figure of the Carex meyeriana fibers

2．5 烏拉草纖維的XRD 測(cè)試結(jié)果與分析

從漆酶處理前后烏拉草纖維的XRD 圖(圖8)可以看出，烏拉草纖維的X 射線衍射曲線未發(fā)生明顯的偏移現(xiàn)象，表現(xiàn)為典型的纖維素Ⅰ結(jié)構(gòu)。

由Segal 公式計(jì)算后得到漆酶處理前的烏拉草纖維結(jié)晶度為57．09%，漆酶處理后的烏拉草纖維的結(jié)晶度為64．53%。漆酶處理后的烏拉草纖維的結(jié)晶度有明顯增加，主要是因?yàn)槠崦柑幚砣サ袅死w維內(nèi)大量的木質(zhì)素，導(dǎo)致纖維內(nèi)的非結(jié)晶區(qū)減少，纖維內(nèi)部的分子有序程度提高，結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，分子排列比較有序。

圖8 烏拉草纖維的XRD 圖Fig．8 The XRD figure of the Carex meyeriana fibers

3 討論與結(jié)論

在響應(yīng)曲面法優(yōu)化烏拉草纖維的漆酶脫膠工藝中，生物酶的催化效率與生物酶用量有很大關(guān)系，當(dāng)生物酶用量過(guò)低時(shí)，達(dá)不到較好的催化效果，生物酶用量過(guò)高時(shí)，將會(huì)使分子碰撞的幾率減小，也會(huì)達(dá)不到較好的脫膠效果，且浪費(fèi)試劑。pH 對(duì)酶的催化反應(yīng)速度有很大的影響，不同的酶都有各自不同的pH 適用范圍，只有在特定的pH 條件下，酶和底物才會(huì)發(fā)生反應(yīng)并發(fā)生催化作用，當(dāng)pH 高于或低于適用的特定值時(shí)，反應(yīng)速度則會(huì)下降，達(dá)不到最佳的效果。溫度對(duì)酶的催化反應(yīng)效率也有很大影響，酶屬于蛋白質(zhì)物質(zhì)，隨溫度升高容易變性，而溫度過(guò)低，又達(dá)不到較好的催化效果，因此，酶的催化作用需要適宜的溫度條件［19］。因此，會(huì)出現(xiàn)圖1、2、3 所示的變化趨勢(shì)。單獨(dú)的漆酶用量、pH、溫度對(duì)烏拉草纖維的木質(zhì)素含量、直徑、斷裂強(qiáng)度均影響顯著(P ＜0．05)，而只有漆酶用量與溫度交互作用于纖維木質(zhì)素含量、漆酶用量與溫度交互作用于纖維直徑、pH 與溫度交互作用于纖維直徑時(shí)表現(xiàn)為顯著(P ＜0．05)。

生物酶脫膠相比于化學(xué)脫膠來(lái)說(shuō)更加環(huán)保、高效，且生物酶作用溫和，不易損傷纖維。而目前烏拉草纖維的脫膠方法主要都是以化學(xué)脫膠為主，王均有［7］采用高溫高壓、加入氫氧化鈉蒸煮2 ～4 h，并采用次氯酸鈉進(jìn)行兩次漂白得到烏拉草纖維絲，細(xì)度為26 支左右;于麗紅等［8］采用堿氧－浴法提取烏拉草纖維，由于過(guò)程中不添加任何化學(xué)助劑，存在試劑作用不充分，會(huì)氧化纖維素從而對(duì)纖維產(chǎn)生破壞作用;王春紅等［9］采用超聲波+堿氧－浴進(jìn)行烏拉草纖維的提取，超聲波處理前進(jìn)行水煮+浸泡12 h 以上，超聲波及堿氧－浴均采用大浴比(1∶ 75)，堿氧－浴過(guò)程加入多種助劑，得到的烏拉草纖維直徑47．19 μm;孫穎等［10］采用雙氧水預(yù)處理+二煮提取烏拉草纖維，堿煮的時(shí)間分別為2、3 h，得到的烏拉草纖維的細(xì)度為2．83 tex，斷裂強(qiáng)度為3．40 cN·dtex－1，殘膠率為9．57%。以上化學(xué)脫膠均存在脫膠時(shí)間較長(zhǎng)，不環(huán)保，成本高的缺點(diǎn)。本研究采用漆酶對(duì)化學(xué)脫膠后的烏拉草纖維進(jìn)行處理，化學(xué)脫膠采用2 h 水煮+3 次堿煮(堿煮時(shí)間均為1 h)，且3 次堿用量分別為12、6、4 g·L－1，在縮短了化學(xué)處理時(shí)間及用量的基礎(chǔ)上，加入漆酶進(jìn)行脫膠，進(jìn)一步去除烏拉草內(nèi)的木質(zhì)素。漆酶是一類可降解木質(zhì)素的含銅多酚氧化酶［20］，研究證明，漆酶最優(yōu)工藝處理后烏拉草纖維的木質(zhì)素含量由19． 7% 降低到7．71%，降低了60．86%;直徑由77．40 μm 減小到40．06 μm(2．23 tex)，減小了48．24%;斷裂強(qiáng)度由132．37 MPa 升高到203．46 MPa，提升了53．71%，從數(shù)據(jù)上直觀地表征了漆酶最優(yōu)處理前后烏拉草纖維的性能。說(shuō)明漆酶處理有利于去除烏拉草纖維內(nèi)的木質(zhì)素，且相比于單獨(dú)地使用大量化學(xué)試劑處理，本研究在縮短化學(xué)處理時(shí)間及用量的基礎(chǔ)上，采用漆酶處理作用緩和均勻，更有利于得到性能優(yōu)異的烏拉草纖維，利于環(huán)境保護(hù)。同時(shí)采用超景深三維測(cè)試、掃描電鏡、FTIR、XRD 技術(shù)間接地表征烏拉草纖維的性能。證明漆酶處理后纖維的膠質(zhì)得到進(jìn)一步去除，非纖維素物質(zhì)得到有效的去除，使得漆酶處理后的烏拉草纖維細(xì)度更細(xì)，柔軟度得到改善，纖維分散程度好，纖維的結(jié)晶度明顯改善，斷裂強(qiáng)度得到大幅度提升，說(shuō)明漆酶的作用效果較明顯。

烏拉草在紡織方面的應(yīng)用早有研究，烏拉草鞋墊、床墊、坐墊、護(hù)膝、護(hù)腰、涼席等目前都有市售，但是其產(chǎn)品大多較粗硬、應(yīng)用范圍較窄。本研究提取的細(xì)度較細(xì)、柔軟性能較好的烏拉草纖維，更加有利于烏拉草纖維在紡織加工中的應(yīng)用。

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