徐树英，谭蔚，张玉苍

（1天津大学化工学院，天津 300072；2海南大学海口市固废资源利用及环境保护重点实验室，海南 海口 570228）

引言

香蕉是一种重要的水果，生长在全世界的热带和亚热带地区，具有重要的商业价值[1-2]。香蕉是中国热带农业的支柱产业之一，为中国南方农业经济做出巨大贡献。每年香蕉采果后，大部分的香蕉茎秆被丢弃在田间地头或就地焚烧，造成了资源浪费和环境污染。如果能从生物质废弃物——香蕉茎秆中制取纤维素以及纤维素衍生物，将生物质废弃物高值化利用，可以推动中国农业的进步[3]。香蕉茎秆含有优质的天然植物纤维，具有强度高、伸长小、来源丰富、可再生、吸湿放湿快、良好的透气性等优点，可以作为纺织原料，也可用于植物纤维增强复合材料[4-5]。香蕉茎秆纤维含有大量的胶质，必须经过脱胶处理才可能成为纺织原料或纤维增强复合材料。天然植物纤维的脱胶方法有化学法、机械法、生物法、蒸汽爆破法以及这几种工艺联合的脱胶法。目前国内用于香蕉茎秆纤维脱胶的方法主要是化学脱胶法。杨春燕[6]采用碱氧一浴等化学脱胶方法对香蕉茎秆进行半脱胶工艺研究，获得的香蕉茎秆工艺纤维机械性能良好。盛占武等[7]采用俐迪链霉菌对香蕉茎秆进行生物脱胶工艺及脱胶纤维性能研究。脱胶后纤维的纤维素成分提高，但纤维的强力下降，细度增加。说明非纤维素类成分与纤维的强度之间存在依赖关系。化学法脱胶产生的废液，对环境污染，而生物酶法脱胶则是清洁的，所以有必要设计出一套高效的生物酶法脱胶工艺流程。

本文采用超声波及碱预处理香蕉茎秆原料，然后对预处理过的香蕉茎秆粗纤维采用半纤维素酶、果胶酶进行脱胶，研究缓冲液pH、酶浓度、反应温度对脱胶率的影响，并采用傅里叶红外光谱（Fourier transformed infra red spectroscopy，FTIR）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和扫描电镜（scanning electron microscopy，SEM）等方法对酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维与机械法得到的香蕉茎秆纤维的物理化学特性及机械性能对比分析，为酶法较佳工艺制备香蕉茎秆纤维应用提供进一步的理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 材料

试验原料采自海南省澄迈县金江镇的采收果实后的香蕉茎秆。将香蕉茎秆的鞘部及根部去掉，取中间的茎秆部分，将其横切成10 cm的小段。把秆芯去掉，放入鼓风烘箱80℃烘干48 h，干燥至含水率为8 %～10 %范围内。

香蕉茎秆的化学成分分析采用国家标准 GB 5889—1986《苎麻化学成分分析方法》。香蕉茎秆原料中基于绝干物料的纤维素质量分数为24.01%，半纤维素质量分数为 19.70%，木质素质量分数为22.60%，水溶物质量分数为27.30%，果胶质量分数为 2.83%，脂蜡质质量分数为 3.75%，含胶率为42.30%。

NaOH，二水合柠檬酸三钠，一水合柠檬酸，无水乙醇，西陇化工股份有限公司；30%过氧化氢，广州市番禺力强化工厂；浓硝酸（98%），上海穗式公司；甲基橙，天津市永大化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。果胶酶（1 g，lyophilized＞40 u·mg-1，超纯)，半纤维素酶[5 g，≥10 units·(mg solid)-1，CAS：9025-56-3，MYM Biological Technology Company Limited，Japan]。

1.2 方法

1.2.1 酶法脱胶工艺影响因素分析 香蕉茎秆的半纤维素、木质素含量较高，含胶率高，而纤维素含量较低，未经预处理仅用生物酶处理香蕉茎秆原料，脱胶效果较差。酶作用的单一性使得在酶脱胶工艺中只与胶质分子中某一组分反应，而其他有效成分不发生变化。在亚麻脱胶工艺中常采用由果胶酶和半纤维素酶组成的复合酶。酶处理工艺中主要的影响因素有：缓冲液pH、反应温度及酶和底物浓度[8]。香蕉茎秆胶质主要成分是果胶、木质素、半纤维素和脂蜡质，它们相互之间以不同化学方式链接，半纤维素与果胶以共价键链接，木质素与半纤维素、果胶二者之间常以醚键链接。因此在脱胶工艺中起主要作用的酶有果胶酶和半纤维素酶[9]，木质素降解酶所起的作用较小[10]。本试验选用半纤维素酶及果胶酶对香蕉茎秆粗纤维进行脱胶，采用单因子试验分别考察缓冲液pH、酶溶液浓度及反应温度对脱胶率的影响。

经过前期的探索性试验采用如下的脱胶工艺：试样→超声预处理→碱处理→半纤维素酶处理→果胶酶处理→漂白→水洗→烘干→成品纤维。

超声波预处理及碱处理基本条件：取干燥的香蕉茎秆原料20 g先进行超声波预处理30 min，采用单因素试验考察超声预处理的频率及反应温度，取出后放入105℃的干燥箱中干燥10 h。取出干燥后的样品，称质量，计算脱胶率。将超声处理过的香蕉茎秆原料加入质量浓度为5 g·L-1的NaOH溶液1000 ml，80℃水浴加热并搅拌3 h。然后充分清洗去除样品上的胶质；105℃干燥 10 h，称质量，计算其脱胶率。

酶法工艺基本条件：取经过超声及碱预处理的香蕉茎秆粗纤维；配制200 ml 0.1 mol·L-1的一水合柠檬酸溶液及0.1 mol·L-1的二水合柠檬酸三钠溶液作为缓冲液，并配制不同pH（4.5，5.0，5.5，6.0，6.5），考察缓冲液 pH对脱胶率的影响；称取不同质量的半纤维素酶，形成不同浓度的半纤维素酶溶液（0，0.001，0.002，0.003，0.004，0.005 g·ml-1）考察半纤维素酶浓度对脱胶率的影响；将加入半纤维素酶的缓冲液在不同温度（45，50，55，60，65℃）水浴加热反应，加入磁搅拌，反应3 h，考察反应温度对脱胶率的影响。将反应后的纤维用超纯水清洗3遍，真空干燥10 h，干燥后称质量，计算脱胶率。

《实施意见》提出，中国工商银行将力争未来五年为海洋经济发展提供1000亿元融资额度，并推出一揽子多元化涉海金融服务产品，服务一批重点涉海企业，支持一批重大涉海项目建设，促进海洋经济由高速度增长向高质量发展转变。《实施意见》明确将重点支持传统海洋产业改造升级、海洋新兴产业培育壮大、海洋服务业提升、重大涉海基础设施建设、海洋经济绿色发展等重点领域发展，并加强对北部海洋经济圈、东部海洋经济圈、南部海洋经济圈、“一带一路”海上合作的金融支持。

取半纤维素酶处理过的样品按同样的步骤加入0.1 mol·L-1的一水合柠檬酸溶液及0.1 mol·L-1的二水合柠檬酸三钠溶液形成的缓冲液200 ml，考察缓冲液pH为4.5，5.0，5.5，6.0，6.5时的脱胶率；称取不同质量的果胶酶，将其加入缓冲液中，考察果胶酶浓度为0，0.001，0.002，0.003，0.004，0.005 g·ml-1时的脱胶率；将加入果胶酶的缓冲液在不同反应温度（45，50，55，60，65℃）水浴加热3 h，磁力搅拌，考察反应温度对脱胶率的影响；将反应后的纤维用超纯水清洗3遍，真空干燥10 h，干燥后称质量，计算脱胶率。

漂白工序基本条件：将经过上述工序的香蕉茎秆纤维放入150 ml 0.2%的氢氧化钠与0.35%的过氧化氢的混合溶液，水浴加热70℃，加搅拌反应1 h。取出样品用超纯水清洗3遍，放入60℃的烘箱干燥5 h，观察漂白效果。

1.2.2 脱胶率 将脱胶处理前后的香蕉茎秆纤维烘干，通过称量法确定香蕉茎秆纤维的脱胶率，脱胶率根据式（1）计算，式中m0、m1分别为未处理及处理后香蕉茎秆纤维的质量，g[11]。脱胶率越大，说明木质素、半纤维素等杂质被去除得越多[12]。

1.2.3 纤维素含量测定 采用硝酸乙醇法测定纤维素含量[13]。该方法操作简便，耗时短，所需装置简单。 试样中纤维素的含量按式（2）进行计算。

式中，C为试样纤维素含量，%；G1为硝化、干燥后试样与玻璃砂芯漏斗总质量，g；G2为灰化后灰分和玻璃砂芯漏斗总质量，g；G0为绝干试样质量，g。

1.3 纤维分析测试

将酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维样品研磨成粉末，并加入光谱级KBr充分混合，然后压成透明的薄片，采用德国Bruker公司生产的傅里叶变换红外光谱仪（型号TENSOR 27）进行红外光谱测定，范围400～4000 cm-1。

采用广角X射线衍射仪对化学法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维进行结晶度测试。测试条件：粉末法，CuKα射线，扫描范围为5°～70°。

1.4 香蕉茎秆纤维的机械性能测试

在万能材料试验机 WDW-1（山东济南一诺试验仪器公司）上，按ASTM D 3822-01 标准测定香蕉茎秆纤维的拉伸性能，测试速度为2 mm·min-1，夹距为40 mm，环境温度26℃，相对湿度65%。纤维直径测量采用螺旋测微仪取纤维中部测量3个不同位置的直径记录，然后求取平均值。从酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维样品中抽取9根纤维分别进行拉伸试验，在试验过程中，同一根纤维不能重复测试。

2 结果与讨论

2.1 超声预处理条件的影响

2.1.1 超声波频率 超声作用基于空化作用，即在液体中快速形成无数气泡并迅速内爆，由此产生强大的冲击波将浸没在液体中的试样表面的物质剥落下来。随着超声频率的提高，气泡数量增加而爆破冲击力减弱。试验采用超声处理除去香蕉茎秆表面的一部分胶质。超声预处理试验条件为温度50℃，时间30 min。由图1可见，当超声频率从24 kHz增加到40 kHz时，脱胶率从18%增加到21.5%。可以确定超声波处理的较佳频率为40 kHz。

图1 超声波频率对脱胶率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic frequency on degumming rate

2.1.2 超声波处理温度 试验条件为：频率 40 kHz，处理时间30 min，考察较佳的超声波处理温度。选择超声波处理温度为40，50，60，70，80℃，考察脱胶率。由图 2可以看出超声波处理温度为70℃和80℃时，样品的脱胶率相同且为最高值，考虑节能方面因素，确定超声波处理的较佳温度为70℃。

2.2 半纤维素酶处理条件的影响

2.2.1 半纤维素酶缓冲液pH 缓冲液的pH直接影响酶的活性，主要是酶分子上含有许多酸性、碱性氨基酸的侧基，当pH变化时，这些侧基处于不同的离解状态[8]。从图3中可见，对应不同的半纤维素酶溶液pH（4.5，5.0，5.5，6.0，6.5），脱胶率先是上升，在pH为5.5，脱胶率最高，而后随着pH增大，脱胶率急剧下降。对于半纤维素酶而言，较适宜的溶液pH为5.5，此时对应的半纤维素酶活性较高。

图2 温度对脱胶率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic temperature on degumming rate

图3 缓冲液pH对脱胶率的影响Fig.3 Effect of pH of buffer solution on degumming rate

图4 半纤维素酶浓度对脱胶率的影响Fig.4 Effect of concentration of hemicellulase on degumming rate

2.2.2 半纤维素酶浓度 从图4可以看出当半纤维素酶浓度在0.001～0.004 g·ml-1时，脱胶率显著提高；而半纤维素浓度从0.004 g·ml-1到0.005 g·ml-1时，脱胶率几乎不变。原因可能是随着半纤维素酶浓度增大，细胞内膜的渗透性增大，传质阻力降低，对细胞壁的破坏程度也增加。在酶浓度过大时，香蕉茎秆纤维中的不溶的半纤维素水解得到可溶性成分，而部分可溶性成分降解成醇不溶性小分子，使得脱胶率变化不大[14]。可以得到较佳的半纤维素酶浓度为0.004 g·ml-1。

2.2.3 半纤维素酶溶液温度 温度是酶处理的另一个重要因素。从图5中可以看出，反应温度分成两个阶段：从45到50℃，脱胶率是上升的；温度超过50℃，脱胶率降低。主要的原因是酶活力与温度的关系表现为开口向下的二次曲线抛物线的函数关系。在一定范围内，温度与酶反应速度呈线性正相关；当温度升至某一数值，酶反应速度达到最大值然后随着温度进一步增加，酶活力下降，反应速度降低[8]。因此半纤维素酶溶液的较佳的反应温度为50℃。

图5 半纤维素酶溶液温度对脱胶率的影响Fig.5 Effect of temperature of hemicellulase solution on degumming rate

2.3 果胶酶处理条件的影响

2.3.1 果胶酶缓冲液pH 从图6可以看出，缓冲液pH在4.5～6.0之间时，脱胶率是上升的。而pH为6.5时，脱胶率显著降低。因此，可以得出，香蕉茎秆纤维果胶酶处理的较适 pH为 6.0，脱胶率为11.6%。

2.3.2 果胶酶浓度 当果胶酶浓度较低，而缓冲液浓度比果胶酶浓度高时，果胶酶浓度与反应速度呈正比；而当缓冲液浓度一定时，果胶酶浓度增加，反应速度接近平缓。因此，果胶酶浓度的过度增加达不到预期效果[8]。从图7中可以看出随着果胶酶的浓度增加，脱胶率是逐渐增大的。当果胶酶浓度为0.005 g·ml-1时，脱胶率最高，但是综合经济效益方面因素，选择果胶酶浓度为0.003 g·ml-1较合适。

图6 缓冲液pH对脱胶率的影响Fig.6 Effect of pH of buffer solution on degumming rate

图7 果胶酶浓度对脱胶率的影响Fig.7 Effect of concentration of pectinase on degumming rate

图8 果胶酶溶液温度对脱胶率的影响Fig.8 Effect of temperature of pectinase solution on degumming rate

2.3.3 果胶酶溶液温度 由图8可知，当果胶酶溶液温度在45～55℃时，随着温度升高，脱胶率增大。而当温度在55～65℃时，脱胶率下降。原因是酶反应都有最适温度：温度过低，酶催化活性低；温度过高，酶又会失活[15]。因此选择果胶酶较佳的反应温度为55℃。

2.4 酶法制备香蕉茎秆纤维工艺优选

取20 g干燥的香蕉茎秆原料，超声波处理频率40 kHz，温度70℃处理30 min，取出后放入烘箱105℃干燥10 h。干燥后，称质量计算脱胶率为20.95%。然后进行碱处理，水洗干燥，称质量计算其脱胶率为 86.36%。从图 9（a）可见超声及碱预处理得到的香蕉茎秆纤维较粗糙，纤维上可见较多的杂质，呈棕色。经过超声及碱预处理的香蕉茎秆纤维的纤维素含量为60.05%。

图9 酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维Fig.9 Image of enzyme treated banana pseudostem fibers

取经过超声及碱处理香蕉茎秆粗纤维2.02 g加入200 ml缓冲液，调节pH为5.5；加入浓度为 0.004 g·ml-1的半纤维素酶，水浴加热 50℃，加入磁搅拌，反应3 h；反应结束用超纯水洗3遍，真空干燥10 h，干燥后称质量1.62 g，计算脱胶率为19.80%。经半纤维素酶处理过的香蕉茎秆纤维见图 9（b），从图中可见，对比经过超声及碱预处理过的纤维，颜色变浅棕色，纤维变细，可以看到分离出的白色微纤维。

取半纤维素酶处理过的样品1.62 g加入缓冲液200 ml，调节缓冲液pH为6.0；再加入浓度为0.003 g·ml-1的果胶酶，水浴加热 55℃，加入磁搅拌，反应3 h；将反应后的纤维用超纯水清洗3遍，真空干燥 10 h，干燥后称质量 1.46 g，计算脱胶率为9.88%。经过果胶酶处理过的香蕉茎秆纤维见图 9（c），可以看出果胶酶处理过的香蕉茎秆纤维较松散，颜色与经过半纤维素酶处理的香蕉茎秆纤维相差不大，纤维仍较硬较脆。经过酶法处理的香蕉茎秆纤维的纤维素含量达到 65.06%。图 9（d）为经过漂白后的香蕉茎秆纤维，纤维洁白，手感柔软，分离度较好，表面光洁。

2.5 香蕉茎秆纤维理化特性

2.5.1 FTIR分析 经酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维的红外光谱如图10所示。在酶法制备的香蕉茎秆纤维的光谱图中，3443 cm-1处有一个强圆底峰型是分子间或分子内的-OH伸缩振动峰，表明香蕉茎秆纤维存在分子间和分子内氢键；2915 cm-1处的吸收峰对应的是-CH伸缩振动峰。1735 cm-1附近的小尖峰为 C=O的伸缩振动峰，为半纤维素的特征吸收峰[14]，可以看到相比机械法制备的香蕉茎秆纤维，经过半纤维素酶处理的香蕉茎秆纤维的1735 cm-1处的吸收峰消失，说明酶法去除了大部分的半纤维素。1642，1507，1429，1379 cm-1对应的是芳香族的骨架振动，与木质素的C-O伸缩有关。这几处吸收值无明显变化，说明经酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维仍有大部分木质素残留。在1058 cm-1处出现的较强的伸缩振动，对应的是纤维素和半纤维素的C-O伸缩振动。而在898 cm-1处出现的小尖锐吸收峰对应的是半纤维素和纤维素的β-葡萄糖苷键连接，表明纤维素在酶法处理过程中结构变化不大[16-17]。在曲线b中2131 cm-1处出现吸收峰对应的是*OH的吸收水分的伸缩振动[18]。

2.5.2 XRD分析 图11展示了酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维经X射线扫描后得到的XRD图。由图11可见，香蕉茎秆纤维具有纤维素的特征衍射峰。即在2θ=16°～18.5°（I101晶面）范围内有一个小峰。在22.5°附近有一个大峰（I002晶面），该峰是纤维素Ⅳ的单斜晶特征峰，相对结晶度计算的近似公式为[19-20]

图10 香蕉茎秆纤维的红外光谱分析Fig.10 FTIR spectra analysis of banana pseudostem fibers

图11 酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维XRD图Fig.11 XRD of enzyme treated banana pseudostem fibers

式中，H22.5是2θ=22.5°处的衍射峰强度，近似等于纤维中结晶态和非结晶态组分；H18.5是2θ=18.5°处的衍射峰强度，表示的是纤维中的非结晶态组分。经过式（3）计算结晶度可以得到酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维的结晶度为 66.4%。酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维具有较高的结晶度，这主要是由于脱胶过程中半纤维素、果胶等非纤维素成分的降解，从而提高了纤维素的含量，而半纤维素为无定形结构[7]。

2.5.3 扫描电镜分析 图 12为香蕉茎秆纤维的SEM图。图12（a）为酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维的纵向结构图。从图中可以观察到经半纤维素酶、果胶酶处理的香蕉茎秆纤维表面比较粗糙，沟槽分明，但仍然黏附着细小胶质。图 12（b）为酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维的横向结构图。从图中可以观察到纤维的管状结构被挤压，断面不规则，管状结构之间彼此粘连，呈脆性断裂型式。图 12（c）为机械法香蕉茎秆纤维纵向结构图，可以观察到纤维表面平整，在图中的下部有杂质呈网状结构，凹凸不平，有许多横截竖纹，说明在香蕉茎秆纤维外层的胶质中各大分子确实是以共价键相连而形成网络状的胶质复合体[21]。图 12（d）为机械法香蕉茎秆纤维的横截面图，可以看到纤维表面被厚厚的胶质所覆盖。

2.6 酶法制备香蕉茎秆纤维机械性能

图12 香蕉茎秆纤维的扫描电镜图Fig.12 SEM image of longitudinal and transverse section view of mechanical and enzyme treated banana pseudostem fibers

图13 酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维的应力应变曲线Fig.13 Stress-strain curve of enzyme treated banana pseudostem fibers

香蕉茎秆纤维的拉伸机械性能是酶法制备工艺的一项重要的指标，对其在天然纺织原料及增强复合材料中的应用有着重要影响。图13为酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维中随机抽取的9根纤维的应力应变曲线。从图中可以看出酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维是一种中强低伸型纤维，符合纤维素纤维的机械性能。酶法制备的香蕉茎秆纤维的直径范围为0.115 mm。香蕉茎秆纤维的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率测试结果如表1所示。拉伸强度是纤维抵抗外界破坏能力的指标，酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维的拉伸强度下降，说明其抵抗外力的作用能力差；杨氏模量的大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚度，酶法制备的香蕉茎秆纤维的杨氏模量小，说明纤维手感比较柔软[22]。酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维与机械法制备的香蕉茎秆纤维相比较，拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率均不同程度地下降，原因可能是预处理工艺中超声波的空化作用造成纤维内部出现小的裂纹或者是半纤维素酶对纤维进行脱胶过程中不可避免会对纤维素进行部分降解，双重的作用下使得相比机械法制备的香蕉茎秆纤维的拉伸强度下降了74%。

表1 香蕉茎秆纤维的机械性能对比Table 1 Tensile properties of mechanical and enzyme treated banana pseudostem fibers

3 结 论

（1）通过酶法脱胶工艺处理，从香蕉茎秆中制备了具有一定拉伸强度和断裂伸长率的香蕉茎秆纤维。香蕉茎秆酶法脱胶较佳工艺条件为：超声波预处理频率为40 kHz，超声处理温度70℃，然后进行碱处理，NaOH溶液质量浓度5 g·L-1，80 ℃水浴加热3 h，得到香蕉茎秆粗纤维，其纤维素含量为60.05%。香蕉茎秆纤维酶法脱胶较佳工艺条件为：半纤维素酶缓冲液较佳pH为5.5，较佳半纤维素酶浓度为0.004 g·ml-1，较佳反应温度为50℃；果胶酶缓冲液较佳pH为6.0，较佳果胶酶浓度为0.003 g·ml-1，较佳反应温度为 55℃。酶处理后的纤维素含量为65.06%。

（2）FTIR及XRD分析结果表明酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维的半纤维素特征峰消失，保留了大部分的纤维素成分，其相对结晶度为66.4%，纤维有序度较高。SEM结果表明酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维表面粗糙有沟槽，可以看到沟槽外黏附了较多细小杂质，断裂截面图可以看出维管束管状结构被挤压，截面不平整，呈脆性断裂型式。机械性能测试表明，酶法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维的机械性能下降，特别是拉伸强度显著下降。这为酶法脱胶工艺提供了依据。

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