麻类纤维脱胶工艺现状与展望朱洁文,伍 波,孙焕良(湖南农业大学苎麻研究所,长沙410128)摘 要:综述了麻类脱胶工艺的发展演变并对各种方法进行分析比较,得出各种方法的特点及存在的问题,并展望麻类脱胶的未来发展方向。
麻纤维的性能是否得到充分发挥,与其脱胶好坏有着直接关系。
关键词:麻;纤维;脱胶工艺中图分类号:S563.092 文献标识码:A 文章编号:1001-5280(2007)05-0701-04 我国是世界麻纺织大国,包括苎麻、亚麻、红麻、黄麻、大麻等麻类作物,其种植面积约40多万公顷。
随着生活质量的提高,人们更加崇尚自然,崇尚“生态纺织品”。
麻纤维纺织原料作为服装面料以其特有的优异性能赢得了人们青睐。
然而,麻的纺织加工技术一直存在着很多问题,其中脱胶工艺一直制约着麻类产品加工质量,甚至影响麻纺织品的性能。
因此,脱胶是麻纺织品生产中的关键环节。
目前在国内外主要采用的麻脱胶方法有以下几种:天然水沤麻法、化学脱胶法、微生物脱胶法、生物酶脱胶法、生物化学联合脱胶法和超声波处理法以及闪爆处理法等。
1 麻纤维的特点及与脱胶的关系从麻杆上直接剥制下来的麻皮称为原麻,原麻中除含有纤维素成分外还含有一定量的非纤维素成分,包括木质素、半纤维素、蜡脂质、果胶及部分水溶物和灰分等。
若使原麻具有可纺性,必须把这些非纤维素成分去除,得到精干麻,即脱胶。
不同产地、不同品种甚至成熟度不同的麻脱胶的效果都不同。
1.1 麻纤维的结构特点麻纤维最初是由葡萄糖基被氧桥连接成的链状大分子平行排列,聚合成分子团系统,进而组成有空隙的纤维骨架—纤丝系统。
一般的麻纤维含胶质分为3个层次:纤维与纤维之间的胶质系统、纤丝系统之间的胶质系统和链状分子团系统之间的胶质系统。
1.2 麻纤维的化学成分麻纤维中木质素和半纤维素的含量高低直接影响脱胶难度和脱胶后的纤维质量。
大麻的木质素和半纤维素的含量比亚麻、苎麻的含量要高许多,因此脱胶的 收稿日期:2007-10-14作者简介:朱洁文(1983-),男,湖南怀化人,硕士研究生。
难度也增加。
不同的麻,脱胶方法选择上也有所不同。
2 麻纤维脱胶方法2.1 天然水沤法脱胶天然水沤法是利用天然微生物、水质、麻茎等组成的脱胶体系在自然条件下对亚麻进行脱胶,也就是将麻皮扎成束,浸泡在池塘、沟渠、湖泊等天然水域中进行微生物厌氧发酵脱胶,将纤维素提取出来。
据黄小龙等报道[1],含果胶分解菌丰富的塘水有利于亚麻脱胶,加入适量(15%～20%)的含氮物质(如尿素)作为脱胶助剂,能够改善亚麻的沤麻环境,提高果胶酶的活性,加快亚麻的沤麻速度。
但这种方法需要大量的水,在水资源不丰富的地区受到限制;并且受季节、气候的影响很大,脱胶的质量不稳定;脱胶时间较长,此方法对水域的污染严重[2]。
2.2 微生物脱胶前面提到的“天然水沤麻”虽也属于微生物脱胶,但只是利用微生物的自然作用。
微生物脱胶法用天然的或人工培养的细菌发酵作用产生酶,酶使胶质分解,获得分离的纤维束的脱胶方法[3]。
近年来不少科研人员对此方法进行了改良。
目前,生产上普遍采用传统的温水沤麻和雨露沤麻两种亚麻脱胶方法,均存在着脱胶时间长、综合出麻率低、环境污染重等诸多问题,严重制约着亚麻产业的发展。
为此,国内外广泛开展了微生物脱胶或酶解亚麻非纤维素方法和亚麻脱胶影响因素等方面的研究[4～8]。
江洁等[9]报道了化学助剂法亚麻生物脱胶新技术的研究,指出加化学助剂沤麻法可明显缩短沤麻周期,提高打成麻质量。
刘晓兰等[10]研究了现行温水浸渍亚麻脱胶过程中产果胶酶的微生物数量和果胶酶活力变化规律,并分离筛选出了兼性厌氧菌株,表明相比温水浸渍方法,麻纤维质量有改善。
有关微生物脱胶条件的研究也有相关报道,彭源德等[11]结果表明,温度对亚麻快速生物脱胶的影响最大,其次是浴比,而脱胶助剂和接种量的影响较小。
庞宗文等[12]从含丰富纤维素质的土壤样品中分离筛选出对苎麻有良好脱胶性能的嗜碱性脱胶菌微生物混合物。
郑来久等[13]报道,黄红麻微生物脱胶的主要影响因素是温度、酸碱度、浴比和回用比,杂菌对脱胶的影响不大,添加剂可适当提高脱胶速度,但废水治理难度大。
笔者认为微生物脱胶专一性强,作用条件温和,可以提高麻的加工质量,降低生产成本,减轻环境污染,工艺简单易行,是极具发展潜力的一项技术,但该技术仍需进一步完善。
如对现有脱胶菌种加以改造,应用新技术,进一步加强对现有脱胶菌种改造的研究,提高脱胶菌的产酶能力与酶活性,以及酶的活性稳定性,进一步加强对新菌种的筛选、培养。
2.3 化学脱胶该方法为麻脱胶所采用的常用方法,其原理为利用麻中的胶质和纤维素对酸、碱、氧化物的作用性质不同,以碱剂为主,辅以氧化剂、助剂和一定的机械作用使胶质与纤维分离。
化学脱胶法分为高温高压和常温常压两大类[14]。
针对麻类化学脱胶时间较长的问题,不少科研人员近年来研究了不少快速化学脱胶方法。
例如改变碱煮前的预酸处理为预氧、预氯、预尿氧处理等或者是变二次碱煮为一次碱煮等方法。
陈明红等[15]对比了不同预处理方式对大麻脱胶效果的影响。
结果表明,预处理频率越大,时间越久,残胶越低,但易损伤纤维。
杨洪穗[16]等提出预尿氧处理与一煮法结合的大麻快速化学脱胶方法将会有广阔的发展前景。
刘晓霞[17]分别采用双氧水、次氯酸钠对苎麻原麻进行了快速预氧、预氯处理的研究,发现预氧、预氯处理较常规预酸处理时间短,脱胶效果好。
王德骥[18]对苎麻进行了尿氧浸泡的脱胶工艺的研究,先利用添加尿素、双氧水及稳定剂的溶液对苎麻胶质进行渗透和溶胀,充分发挥浸麻时的水解胶质作用,然后再进行碱煮,达到了快速脱胶的目的。
此外,利用化学脱胶法进行麻类作物前处理也有相关研究。
喻红芹等报道[19]利用苎麻的化学脱胶工艺路线对黄、红麻进行脱胶处理,可以改善黄、红麻纤维的性能,使其基本能够满足纺纱要求,但其脱胶的程度要比苎麻轻。
笔者认为目前的化学脱胶方法尽管在工业化应用上取得了突破性进展,但还不够完善,主要是得到的精干麻的质量及其稳定性方面还有待进一步提高,而且方法本身也存在着污染严重、能耗大、成本高等缺点。
2.4 酶法脱胶酶法脱胶就是将脱胶菌培养到菌生长的衰老期后进行过滤或离心等处理,再用得到的粗酶液浸渍原麻,或者将粗酶液提纯、浓缩为液剂,也可将该浓缩液干燥成为粉剂,使用时将液剂稀释或将粉剂溶水,把原麻浸渍在酶稀释液中进行酶解脱胶[20]。
国内外对此作了大量研究。
1972年Fogarty WM 和Ward OP就提出用产生果胶酶的微生物或果胶酶制剂在脱胶工艺中加以利用的可能性。
我国不少研究者对脱胶菌种的分离、筛选以及采用单一菌种进行原麻的脱胶试验,对苎麻、亚麻、红麻、黄麻、大麻的酶法脱胶都有研究。
肖丽等[21]研究表明苎麻酶脱胶法是直接利用微生物发酵后期产生的胞外酶或酶制剂降解苎麻胶质,使得苎麻纤维释放出来。
钟安华等[22]、梁运祥等[23]报道了苎麻以嗜碱性细菌酶脱胶,所得精干麻质量好可纺性好,煮练所需碱液质量分数和时间明显减少,废液对环境污染小,但酶脱胶过程中需要果胶酶等多种酶的协同作用。
杜兆芳等[24]利用纤维素酶、果胶酶对黄麻进行生物脱胶,优化脱胶工艺中酶的浓度、脱胶时间和温度等主要影响因素,得出较好的黄麻生物酶脱胶工艺配置。
蒋少军等[25]用生物酶对大麻进行脱胶处理,其作用条件温和,对纤维损伤小,生产中容易掌握脱胶的程度,有利于提高出麻率,且耗水少、污染轻。
刘自容等[26]用Bacillus sp.No74菌发酵生产的粗酶液作了大麻纤维脱胶试验,评估了大麻酶法脱胶的工艺条件。
此后,他又对大麻酶法脱胶的机理作了初步探索[27],认为影响脱胶效果的关键酶是果胶酶。
笔者认为酶法脱胶其工艺简单易行,无需专用设备,快速高效,无污染,生产的精干麻质量好。
但就目前来说,单一的酶法脱胶还无法应用于工业生产,主要是产酶菌种或酶制剂的酶活力太低,酶脱胶后的原麻还含有较多的胶质,必须通过化学精炼过程的弥补,才能达到脱胶的质量要求。
2.5 生物化学联合脱胶法随着生物技术的发展,出现了对麻进行预微生物或酶处理的生物与化学相结合的脱胶方法,使麻类的脱胶研究取得了一定的突破。
生物化学联合脱胶就是将经过微生物脱胶法或酶制剂脱胶法处理后的脱胶麻再用化学脱胶法处理一次,以提高纤维质量。
西北纺院管映亭等[28]采用果胶——化学法研究了苘麻脱胶,证明了联合脱胶所得纤维的品质优于常规化学脱胶。
卢士森[29]等证实了红麻纤维在微生物好氧条件下的脱胶速度比在厌氧条件下快4倍,且前者残胶率也低于后者,其中以氨氮的脱胶速度最快,并从理论上进行了论证。
韩光亭等[30]以铵盐和硝酸盐作为含氮添加剂进行罗布麻脱胶试验。
结果表明氮元素对罗布麻生物脱胶具有不同的影响,并从理论上论证了不同价态的含氮添加剂对罗布麻生物脱胶效果的影响是不同的。
胡延素等[31]研究表明,在脱胶工艺中,预处理时利用高温高压预处理,微生物脱胶时微生物采用混合菌种,通过对脱胶后纤维性质的比较,论证了微生物——化学联合脱胶方法的可行性。
与单纯的微生物脱胶或化学脱胶相比,生物化学联合脱胶精干麻具有柔软、蓬松、卷曲、手感好、耐磨性强等优点,有利于纺纱和改善麻织物的服用性能,且能节省辅料、节约用水、降低耗能。
但该技术仍需进一步完善。
如对现有脱胶菌种加以改造,应用新技术,进一步加强对现有脱胶菌种改造的研究,提高脱胶菌的产酶能力与酶活性,以及酶的活性稳定性,并进一步加强对新菌种的筛选、培养。
2.6 超声波脱胶超声波脱胶是最近出现的一种新工艺,具有“爆炸型”剥离的特征。
它首先使外包胶质层产生大量的裂缝,然后在空化泡进一步连续作用下,形成胶质小团,并使之成团剥落而进入水中,然后借助超声波空化泡膨胀及破裂时产生的巨大压力和拉伸力来粉碎和冲击剥落的胶质团,使之被超声波粉碎成极小的胶质粒,甚至将其分解。
这些胶质微粒被稳定地分散在液体中,从而又快又好地完成了麻脱胶的预处理。
蒋国华[32]探讨了超声波在大麻脱胶预处理中的应用,结果表明采用超声波进行预处理,其时间短,对纤维损伤和环境污染极小。
杨英贤等[33]用超声波技术对罗布麻进行预处理,并与预水处理和预酸处理的脱胶效果进行了比较,结果表明,超声波预处理的罗布麻脱胶工艺比预酸处理的脱胶工艺效果好,具有时间短,胶质去除率高,纤维损伤小等特点。
张书策等[34]通过采用不同频率的超声波和扫频式超声波对苎麻脱胶的对比试验,说明采用扫频式超声波处理苎麻纤维,可以对苎麻纤维表面很不规则的部位,以及微小的孔洞和缝隙的胶杂质产生有效的处理作用,使得脱胶效果更好。
超声波的脱胶加工主要是基于强超声波“空化效应”。
利用超声波可以改善和加速麻类脱胶,而超声波本身的产生及在麻脱胶前处理中所起的作用,不涉及到任何化学药剂,属于物理加工,使它在麻脱胶中具有极大的潜力。