全 文 ：第 44 卷 第 8 期
2016 年 8 月
毛纺科技
Wool Textile Journal
乌拉草生物化学脱胶方法的工艺研究
孙 颖，王大伟，龚珍萍，王 溢，常 江
(齐齐哈尔大学 轻工纺织学院，黑龙江 齐齐哈尔 161000)
摘 要:以残胶率为考察指标，依次分析生物酶脱胶过程中生物酶用量、反应时间、pH 值、反应温度 4 个因素
对生物脱胶的影响，化学脱胶中碱用量、脱胶时间、温度这 3 个影响因素对脱胶过程的影响;运用正交试验方法对
乌拉草的生物化学酶脱胶工艺进行优化。实验结果表明:在乌拉草生物化学脱胶过程中，生物酶用量和碱用量对
脱胶效果影响显著;当生物脱胶酶用量为 10%(owf)、酶反应 pH值为 5. 0、酶反应温度为 60 ℃、化学脱胶碱液用量
10%(owf)、碱煮时间 4 h、碱煮温度 130 ℃时为最优化条件。
关键词:乌拉草;生物化学脱胶;残胶率
中图分类号:TS 194 文献标志码:A DOI:10. 19333 / j． mfkj． 2016000820805
Ｒesearch on biochemical degumming process of meyer sedge
SUN Ying，WANG Dawei，GONG Zhenping，WANG Yi，CHANG Jiang
(Light Textile Institute，University of Qiqihar，Qiqihar，Heilongjiang 161000，China)
Abstract:In this paper，biochemical degumming process was conducted to meyer sedge stems．
Based on the residual gum rate as the study index，orthogonal experiment was proposed to optimize the
biochemical enzymes degumming process and the influence of enzyme concentration，reaction time，pH
value，reaction temperature on biochemical degumming process was investigated and the effects of alkali
concentration，degumming time，temperature on the enzymatic degumming process were also analyzed．
The results of experiments indicated that，effect of enzyme concentration and alkali concentration on the
degumming effect was remarkable on biochemical degumming process of meyer sedge，when the
concentration of enzyme preparation was 10%(owf)，pH value was 5. 0，the reaction temperature was
60 ℃，lye concentration was 10%(owf) ，alkali boiling time was 4 h and the temperature was 130 ℃，
the degumming effect was the best．
Key words:meyer sedge;biochemical degumming;residual rate
收稿日期:2016 － 03 － 21
基金项目:黑龙江省自然科学基金项目(E201342)
作者简介:孙颖，在读博士研究生，主要研究方向亚麻及天然
纤维 的 制 取 和 纺 纱 的 研 究。 E-mail:sunying71750 @
sina． com。
近年来，随着环境问题的日益加剧，人们更多关
注绿色的、健康的纺织材料。乌拉草具有除味祛味、
冬暖夏凉、消除疲劳、通经活络、提高免疫力、改善血
液微循环的主要作用。乌拉草作为一种天然绿色纤
维，同时具有优良的性能，备受人们的期待［1］。但
由于地域原因以及乌拉草本身所固有的一些特性，
国内外目前对乌拉草研究的关注度并不是很高，对
其脱胶工艺的研究也不多，使乌拉草的纺织加工技
术还不够成熟。到目前为止对乌拉草产品的开发仅
局限于乌拉草原草，制品还比较粗糙，比如乌拉草鞋
垫、乌拉草腰椎保护器、乌拉草药物床垫、乌拉草药
物绒毡、乌拉草药物枕头等产品等［2］。要想获得较
高质量的乌拉草产品，就必须对其进行良好的脱胶。
孙颖等［3］采用预氧处理和二煮法的化学脱胶方法，
王春红等［4］对物理化学联合脱胶法(主要是超声
波—碱氧一浴联合法)进行了研究，孙颖等［5］对乌
拉草生物脱胶工艺进行了研究。在这些脱胶方法中
化学脱胶消耗的时间多，药品消耗大，脱胶消耗资本
大，脱胶效率低，对环境资源造成大量损耗，对环境
造成破坏［6］。生物脱胶绿色环保，但存在菌种产酶
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能力低，菌种脱胶关键酶活力不高或分泌的酶系不
全，脱胶效果不稳定等因素［7］。生物化学脱胶是利
用生物酶的作用分解部分胶质，再辅以化学脱胶脱
去尚未脱除的少量胶质，减少能源和化学品的消
耗［8］。本文研究生物化学脱胶的方法的工艺，力求
减少乌拉草脱胶过程中造成的污染。
1 试 验
1. 1 主要仪器和材料
HH． S精密恒温水浴锅(武汉格莱莫检测设备
有限公司)，Y802N 型八篮恒温烘箱(常州纺织仪
器厂)，PHS-25 酸度计(上海仪电科学仪器股份有
限公司)，电子万用炉(天津市泰斯特仪器有限公
司)，单纤维强力仪(莱州市电子仪器有限公司)。
乌拉草为 8 月采摘自黑龙江省齐齐哈尔市江
桥，阴凉处放干备用，生物酶(果胶酶、半纤维素酶、
木聚糖酶)购于江苏锐阳生物科技有限公司。乙二
胺四乙酸(EDTA)(郑州通捷化工产品有限公司)、
氢氧化钠(沧州建国化工有限公司)。
1. 2 工艺流程
研究表明，酶法脱胶中通过加入 EDTA，可以破
坏 Ca2 +、Hg2 +等金属离子以及未甲醋化的果胶酸的
连接［9］，从而防止半乳糖醛酸链与 Ca2 +交联发生的
分子间缔合，并加快果胶分子的降解与溶出，并且能
够降低丹宁对果胶酶活的影响，在 30 ℃以下，用
EDTA处理 1 h后再进行酶法脱胶，脱胶后纤维的所
得率和各项物理性能都有所提高［10］。根据分析确
定最终的工艺流程:乌拉草→EDTA 浸泡预处理→
酶脱胶→水洗→氢氧化钠脱胶→水洗→乌拉
草纤维。
1. 3 实验方法
1. 3. 1 生物酶单因子实验
通过单因子实验确定酶反应条件范围。pH 值
会影响到酶蛋白质和酶分子的构象分析时的条件，
从而或多或少影响酶的活性。在一个特定的 pH
值，酶促反应速率达到最大值，此时将其称为酶反应
的最佳 pH值。本文实验 pH 值选择 4、4. 5、5、5. 5、
6、6. 5 作为考察值，以残胶率为考察指标，研究不同
pH值下脱胶的情况，从而确定较适合的范围。温度
对脱胶率有直接的影响。温度合适，可以提高酶的
影响力，加快脱胶，脱胶效果很好;低温酶活性降低，
甚至阻止他们的生命活动;高温会使酶死亡，将酶置
于这二者中间得不到有好的脱胶效果的。本文实验
中，温度选择 40、45、50、55、60、65 ℃作为考察值，以
残胶率为考察指标，研究不同温度值下脱胶的情况，
从而确定较适合的范围。增加酶用量，酶促反应速
率会不断增加，最佳用量的选择要考虑节约生产成
本、同时调节酶恰好脱胶完成所需要的时间以及所
能达到的胶效果等因素。本文酶用量选择质量分数
6%、7%、8%、9%、10%、11%作为考察值，以残胶率
为考察指标，研究不同温度下脱胶的情况，从而确定
较适合的范围。根据以往的研究工作，确定酶胶胶
比较适宜的时间为 8、10、12 h，在单因子实验中不做
考查。
1. 3. 2 化学脱胶单因子实验
碱质量浓度、时间、温度这 3 个影响因素对纤维
的表面形态影响较大。碱处理去除了纤维表面的非
纤维素物质，如半纤维素、果胶、木质素等，让纤维的
纤维素含量增加，提高了纤维的性能。合适的碱用
量、时间和温度可以得到表面形态好的纤维，当处理
的碱用量、时间和温度过高时，纤维本身会受到破
坏，反而会破坏纤维的表面形态，使得纤维性能降
低。所以选择适合的反应条件十分重要。本文实验
中，碱用量选择 2%、4%、6%、8%、10%、12%(owf)
作为考察值，以残胶率为考察指标，研究不同温度
下，脱胶的情况，从而确定较适合的范围。本文实验
中，时间选择 0. 5、1、2、3、4、5 h，以残胶率为考察指
标，研究不同温度值下，脱胶的情况，从而确定较适
合的范围。本文实验中，温度选择 90、100、110、
120、130、140 ℃作为考察值，以残胶率为考察指标，
研究不同温度值下，脱胶的情况，从而确定较适合的
范围。
1. 3. 3 正交试验
在单因素分析的基础上，利用正交分析法，达到
优化脱胶处理工艺的目的，最终找到最佳的生化联
合脱胶工艺参数。在正交分析法中，首先选用的因
素有:酶用量、酶反应 pH 值、酶反应温度、酶反应时
间这 4 个因素，每一个因素选取 3 个水平，完成正交
试验。在最佳生物酶脱胶工艺基础上，对其继续进
行化学脱胶相关因素的正交试验，选用的因素有:碱
用量、碱煮时间、碱煮温度 3 个因素。
2 结果与讨论
2. 1 生物酶单因子实验结果
通过单因子实验确定酶反应条件范围。在实验
条件为酶反应温度 50 ℃，酶用量 10%(owf)，酶反
应时间 10 h时，酶反应 pH 值单因子实验的结果见
表 1。在实验条件为酶反应温度 50 ℃，酶反应 pH
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值 5. 5，酶反应时间 10 h时，酶用量单因子实验结果
见表 2;在实验条件为酶用量 10%(owf)，酶反应 pH
值 5. 5，酶反应时间 10 h时，酶反应温度单因子实验
结果见表 3。
表 1 酶反应 pH值单因子实验
酶反应 pH值 残胶率 /%
4. 0 42. 50
4. 5 39. 06
5. 0 38. 45
5. 5 38. 50
6. 0 41. 67
6. 5 42. 78
表 2 酶用量单因子实验
酶用量 /%(owf) 残胶率 /%
6 40. 98
7 40. 67
8 39. 08
9 38. 85
10 38. 51
11 38. 48
表 3 酶反应温度单因子实验
酶反应温度 / ℃ 残胶率 /%
40 40. 85
45 40. 02
50 38. 96
55 39. 07
60 38. 86
65 39. 88
由表 1 可以看出，在其他参数相同的情况下，酶
反应 pH值在 4. 5 ～ 5. 5 之间时残胶率较少。因此，
在正交试验选择因子时，选择酶反应 pH 值因子为
4. 5、5. 0、5. 5。
由表 2 可以看出，在其他参数大致一样的情况
下，在酶用量在 8% ～ 11%(owf)之间时残胶率较
少，说明在此范围内酶活性最好，反应最剧烈，当酶
用量为 10%和 11%时，残胶率变化不大，从减少酶
用量的角度考虑，选用 10%(owf)，最终确定范围为
8% ～10%(owf)。因此，在对正交试验选择因子时，
选择酶用量因子为 8%、9%、10%。
表 3 中数据显示，在其他参数相同的情况下，在
酶反应温度 50 ～ 60 ℃之间时脱胶效果较好，为所选
酶的最适反应温度，因此，在对正交试验选择因子
时，选择酶反应温度因子为 50、55、60 ℃。
2. 2 化学脱胶单因子实验结果
碱用量、脱胶时间、温度 3 个影响因素对脱胶过
程中纤维的表面形态影响较大。通过单因子实验确
定化学脱胶过程中主要影响因素的最佳作用范围。
在实验条件为碱处理温度 110 ℃，碱处理时间 3 h
时，碱用量单因子实验结果见表 4。在实验条件为
碱处理温度 110 ℃，碱用量 10%(owf)时，碱处理时
间单因子实验见表 5;在实验条件为碱用量 10%
(owf)，碱处理时间 3 h 时，碱处理温度单因子实验
结果见表 6。
表 4 碱用量单因子实验
碱用量 /%(owf) 残胶率 /%
2 30. 89
4 28. 34
6 25. 67
8 24. 87
10 23. 51
12 23. 48
表 5 碱处理时间单因子实验
碱处理时间 /h 残胶率 /%
0. 5 31. 89
1 30. 64
2 27. 56
3 25. 67
4 24. 02
5 23. 98
表 6 碱处理温度单因子实验
碱处理温度 / ℃ 残胶率 /%
90 27. 78
100 25. 42
110 24. 06
120 23. 37
130 22. 86
140 22. 79
表 4 数据显示，在碱用量为 2% (owf)和
4%(owf)时，残胶率较大，脱胶效果较差，用量为
10%(owf)和 12%(owf)时，残胶率差别不大，考虑
到节省资源减少环境污染，选用 10%(owf)的碱用
量，最终确定范围为 6% ～ 10%(owf)。因此，在做
正交设计时，选择碱用量为 6%、8%、10%(owf)。
根据表 5 实验结果，可发现在乌拉草碱处理
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0. 5 h时残胶率很大，时间太短，反应不充分，在 4 h
左右，脱胶基本完成，5 h 时残胶率已经无明显变
化，提高脱胶效率，不考虑 5 h，最终确定范围 2 ～
4 h，因此，在做正交设计时，选择碱处理时间因子为
2、3、4 h。
由表 6 可见，随着碱处理温度的增加，残胶率递
减，到 140 ℃时变化甚微，节省能源，不取 140 ℃，最
终确定范围 110 ～ 130 ℃，因此，在做正交设计时，选
择碱处理温度因子为 110、120、130 ℃。
2. 3 正交试验结果
在正交分析法中，首先选用的因素有:酶用量、
酶反应 pH 值、酶反应温度、酶反应时间这 4 个因
素，每 1 个因素选取 3 个水平，4 因素 3 水平正交分
析表见表 7。酶脱胶正交试验结果见表 8。
表 7 酶脱胶正交试验因素水平表
水平
生物酶用量
A /%(owf)
酶反应温度
B / ℃
酶反应
pH值 C
酶反应时
间 D /h
1 8 50 4. 5 8
2 9 55 5. 0 10
3 10 60 5. 5 12
表 8 酶脱胶正交试验结果
试验号 A B C D 残胶率 /%
1 1 1 1 1 37. 08
2 1 2 2 2 36. 67
3 1 3 3 3 36. 36
4 2 1 2 3 36. 45
5 2 2 3 1 35. 98
6 2 3 1 2 36. 07
7 3 1 3 2 36. 32
8 3 2 1 3 35. 56
9 3 3 2 1 35. 86
K1 36. 83 36. 62 36. 24 36. 31
K2 36. 17 36. 07 36. 33 36. 34
K3 35. 91 36. 09 36. 22 36. 12
Ｒ 0. 92 0. 55 0. 11 0. 24
根据对生物脱胶的正交试验结果分析，对酶脱
胶后乌拉草纤维残胶率的影响大小依次为:A ＞ B ＞
D ＞ C，即生物酶用量 ＞反应时间 ＞处理温度 ＞ pH
值;本文实验中，当 A3B2C3D3 条件时其残胶率是最
低的，即脱胶效果是最好的。由此得出生物酶脱胶
的最优工艺条件为:生物酶用量 10%(owf);反应温
度 55 ℃;反应时间 12 h;pH值 5. 5。
在此最佳工艺基础上，对其继续进行化学脱胶
相关因素的正交试验，选用的因素有:碱用量、碱煮
时间、碱煮温度这 3 个因素，每个因素选取 3 个水
平，完成 3 因素 3 水平的正交分析，化学脱胶正交试
验因素水平表见表 9，化学脱胶正交试验结果见
表 10。
表 9 化学脱胶正交因素水平表
水平 碱用量 A /%(owf) 碱煮时间 B /h 碱煮温度 C / ℃
1 6 2 110
2 8 3 120
3 10 4 130
表 10 化学脱胶正交试验表
试验号 A B C 残胶率 /%
1 1 1 1 20. 09
2 1 2 2 19. 89
3 1 3 3 18. 65
4 2 1 3 16. 45
5 2 2 1 17. 09
6 2 3 2 16. 07
7 3 1 2 16. 32
8 3 2 3 15. 56
9 3 3 1
K1 19. 54 17. 62 17. 98
K2 16. 50 17. 48 17. 42
K3 15. 91 16. 86 16. 89
Ｒ 3. 63 0. 82 1. 09
表 10 显示，在化学脱胶中影响最大的因素是碱
用量。本文实验中，当 A3B3C3 条件时其残胶率是最
低的。因此综合以上分析讨论确定工艺为:生物脱
胶酶用量 10%(owf)、酶反应 pH 值 5. 5、酶反应温
度 55 ℃、酶反应时间 12 h;化学脱胶碱用量 10%
(owf)、碱煮时间 4 h、碱煮温度 130 ℃。
2. 4 脱胶乌拉草纤维物理性能研究
由最佳的生物化学脱胶工艺得到的乌拉草纤
维在 YG(B)003A 型单纤维强力测试仪进行拉伸
性能测试，得出乌拉草纤维断裂强度为 3． 52 ～
4． 02 cN /dtex，断裂伸长率为 2． 9% ～ 8． 1%。实验
过程中可能出现脱胶不均匀，导致纤维的断裂强
度结果有差异，但是差异并不大;而断裂伸长率的
差异较大。
3 结 论
根据本文脱胶工艺的实验数据及分析总结，得
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出:生物酶用量和碱用量对脱胶工艺的影响较大;同
时依次选出了生物脱胶以及化学脱胶的最佳工艺，
此工艺下的残胶率最小，脱胶效果最好。确定工艺
为:生物脱胶酶用量 10%(owf)、酶反应 pH 值 5. 0、
酶反应温度 60 ℃;化学脱胶碱用量 10%(owf)、碱
煮时间 4 h、碱煮温度 130 ℃。
参考文献:
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11．
中国纺织工程学会参与主办的第十四届“6·18”海峡
项目成果交易会成功召开
6月 18 日，第十四届中国·海峡项目成果交易会在福建福州海峡国际会展中心隆重举行。中国·海峡项目成果交
易会，简称“6·18”海交会，搭建了高校、科研机构、企业和投资者之间深度交流对接的平台，目的是推进科技成果向现
实生产力转化、促进产学研深度融合、以科技创新驱动经济发展，是中国海峡两岸最大的展会之一。本次“6·18”海交
会由福建省政府联合中国纺织工程学会、中国电子学会等 26 家国家相关部门、单位共同主办，规模较往届更大、规格更
高，展会总面积约 9 万 m2，共有包含 30 多家台湾企业在内的 2 200 多家企业参展。中共中央政治局委员、中央统战部部
长孙春兰出席开幕式并致辞。中国纺织工程学会副理事长伏广伟出席会议。
中国纺织工程学会为本次大会带来了纺织领域最新的科技成果。其中，“熔体直纺全消光聚酯纤维开发应用与产业
化”项目是国内最先进的全消光聚酯纤维生产加工技术，产品质量优良，物耗及综合能耗水平先进，单位投资及成本低但
产能高，项目整体技术达到国际先进水平，部分技术达到国际领先水平，吸引了众多投资者的眼光。
纺织业是福建省的传统支柱产业之一，在取得一系列的辉煌成绩之后，目前面临着产能过剩、产品附加值不高等一
系列问题，加之国外贸易壁垒政策的打压，一些纺织企业陷入困境。中国纺织工程学会在本次大会上展示的高新科技成
果，为纺织企业转型升级指明了一条发展之路:以高新技术替代过剩产能、以产品创新代替价格竞争、以科技红利代替人
口红利、以科技创新驱动企业转型升级。这对福建当地纺织行业发展有着启示性意义。
本次大会上，中国纺织工程学会副理事长伏广伟代表中国纺织工程学会分别与晋江市隆盛针织印染公司、新昌市宇
峰印染机械有限公司、长乐市长源纺织有限公司、常州宏大电器股份有限公司、泉州南新漂染有限公司、福建凤竹纺织科
技股份有限公司、山东康平纳集团，晋江佶龙机械工业有限公司、湖州诚鑫纺织印染公司签订了“针织弹力布平幅精炼增
白定形工艺装备”“环锭纺纱智能信息化管控系统”“智能化筒子纱染色生产线”“智能化纺织染化料自动配给装备系
统”“涂料数码高精细圆网印花短流程工艺装备”5 份中国科协创新驱动助力工程学会服务站科技成果转化任务意向书。
这为更好地实施中国科协科技创新助力工程、打造新兴科技纺织产业链、形成科技成果转化特色模式、推动福建省纺织
产业转型升级起到积极的促进作用。
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