TEMPO/漆酶/半纤维素酶体系对大麻纤维脱胶的研究

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随着对绿色材料的需求,当前许多农业技术科学家采用新的生物技术来培育各种低毒或无毒的大麻并在世界各地种植和生产。大麻纤维是一种可再生的纺织纤维,具有许多优良的性能,如良好的机械和抗菌性能,潜在的可持续性和生物降解性能等,这使得大麻纤维与其他天然纤维相比具有不可替代性。目前,国内外企业普遍采用化学试剂对大麻原麻进行脱胶,虽然脱胶效果明显,但是存在脱胶时间长,成本高,能源消耗大,对环境污染严重以及对纤维损伤大等缺点。
  为了克服大麻现有脱胶技术工艺复杂、污染严重且成本较高的问题,本课题研究的目的是提供一种工艺简单、绿色环保、成本低廉且脱胶效果好的大麻脱胶方法。本课题将2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)/漆酶/半纤维素酶溶于一定浓度乙酸-乙酸钠缓冲溶液(以下简称TLH体系)用于大麻原麻脱胶,通过一次浸渍即可实现脱胶,且脱胶溶液可以循环使用,得到脱胶后的大麻纤维成分稳定,且符合后续纺纱加工要求。
  本课题主要的研究内容和结论如下:
  TEMPO/漆酶/半纤维素酶最佳浓度的研究:首先,通过对脱胶后的大麻纤维的残胶率和木质素含量分析,得到TEMPO的添加对漆酶降解大麻纤维中的木质素是有促进作用的结论,同时考虑到TEMPO经济成本,得到漆酶与TEMPO的最优配比为漆酶6.0g,TEMPO 0.3g。其次,通过对不同浓度的半纤维素酶对脱胶体系的失重率的分析,研究半纤维素酶添加到漆酶/TEMPO混合溶液对原麻中非纤维素成分的影响,得到 TEMPO/漆酶/半纤维素酶脱胶体系的最佳配比为:6.0g漆酶,0.3g TEMPO,0.3g半纤维素酶。
  TEMPO/漆酶/半纤维素酶脱胶体系实验条件探究:漆酶与半纤维素酶可以在乙酸-乙酸钠缓冲溶液中同时发挥较高活性。溶液最适宜的条件是 pH=5.0 和T=50℃。本论文对pH=5.0的缓冲液浓度、温度以及反应时间进行研究,发现当乙酸-乙酸钠缓冲液溶液浓度为0.2M 时,能够保证加入原麻后脱胶溶液pH值的稳定;通过脱胶速率作为评价温度对脱胶效果的影响,发现漆酶与半纤维素酶在温度为50℃时,能同时发挥较高活性,脱胶效率高;脱胶时间8小时,脱胶程度和酶促反应适中,纤维失重率低。
  TEMPO/漆酶/半纤维素酶体系对大麻原麻的脱胶与生化改性研究:在这项研究中,我们提供了一种更为环保的大麻脱胶体系,整个脱胶过程中未使用强酸和强碱。该体系是在温和条件下(pH=5,T=50℃),使用含有漆酶,半纤维素酶 和2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行大麻原麻的脱胶与改性。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR),扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)等手段表征处理后的纤维,比较和分析纤维的物理和化学性质。发现用 TEMPO /漆酶/半纤维素酶的处理体系不仅去除了大麻纤维表面附着的大部分胶质,而且还引入了醛基和羧基进入纤维中。我们还发现该产品更精细,非纤维素成分含量更低,并具有更好的吸水性能(吸湿性和保水性),这在纺织工业中具有潜在的应用价值。
  TEMPO/漆酶/半纤维素酶脱胶溶液的循环使用: TEMPO/漆酶/半纤维素酶体系的脱胶溶液可连续用于脱胶5批不同批次的原麻纤维,且脱胶效果明显,是可替代传统的化学脱胶体系,用作生态友好型的大麻纤维脱胶体系。本课题通过各组试验样品的SEM图像和残胶率的分析,推导了TEMPO/漆酶/半纤维素酶体系大麻脱胶过程的理论模型。同时,脱胶纤维的胶质残胶率,细度,长度和拉伸强度分别为15~27%,9.00~24.00 dtex,14.00~19.00 cN,3.8~5.1 cN/dtex。并将一些氧化官能团引入脱胶纤维中,提高了大麻纤维的吸湿性和保水性。通过该方法处理的大麻纤维可以进一步改进应用于纺织工业。
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