苎麻纤维制备研究进展

吕泽瑞黎征帆江惠林孙泽宇

（1.武汉纺织大学，湖北武汉，430073；2.生物质纤维与生态染整湖北省重点实验室，湖北武汉，430073）

苎麻纤维具有抗菌、吸湿排汗等优良性能，是重要的纺织原料。开发好苎麻资源对于提高农民收入和发展纺织原料都有重要意义。苎麻在纺纱之前，需要从苎麻植物中提取出苎麻纤维。脱胶是苎麻纤维提取的关键步骤，脱胶质量的好坏直接影响苎麻纤维性能。本文总结近几年的脱胶技术进展，探讨脱胶技术的发展趋势。

1 苎麻纤维制备的历史、现状和问题

苎麻脱胶历史悠久，我国古代苎麻布的制作由种麻、浸麻、剥麻、漂洗、绩麻、成线、绞团、梳麻、上浆、纺织等12道工序组成［1］。其中浸麻工序又叫沤麻，就是将苎麻浸渍在水中进行天然微生物脱胶，这种方法沤麻时间长，产品质量不稳定，容易受到天气状况的影响，已经不能适应高效率大规模工业化生产要求。20世纪40年代，酆云鹤博士发明了“先酸后碱，两煮一漂”的传统化学脱胶法［2］，从而实现了苎麻脱胶的工业化生产，脱胶品质均匀稳定，该方法一直沿用至今。

传统化学脱胶采用强酸强碱进行脱胶，化学试剂使用多，能耗污染大，脱胶后还需要进行拷麻、水洗、漂白、酸洗、给油等步骤，流程长、工人劳动强度大，已经不符合当前节能减排和自动化生产的趋势。苎麻初加工中存在的脱胶污染大、生产流程长的现状已经成为制约苎麻产业发展的主要问题［3］。

2 苎麻纤维制备技术研究进展

近年来研究者对传统化学脱胶进行工艺改良，进一步研究了生物脱胶和生物化学联合脱胶技术，开发了物理化学联合脱胶技术和新型脱胶后处理技术。

2.1 化学脱胶

研究人员致力于对传统化学脱胶工艺进行改进，以减少化学试剂用量和污染，其中氧化脱胶技术的开发是代表性研究成果。

氧化脱胶主要原理是采用氧化剂降解胶质，而且氧化剂有漂白效果，分解产物污染小。杨涛等初步探索了过氧化氢在苎麻脱胶中的应用［4］，研究得到的最优工艺能够实现一步脱胶。相对传统化学脱胶，该工艺节约脱胶时间一半以上，脱胶后精干麻制成率和白度明显提高，脱胶废液COD值、pH值及色度降低，缺点是脱胶后纤维号数和断裂强度比传统化学脱胶法制备的纤维略差。这是因为氧化脱胶过程中，过氧化氢将纤维素氧化，导致纤维的断裂强度和断裂伸长率降低［5-6］。

研究者在氧化脱胶中添加稳定剂和纤维素保护剂来改善精干麻纤维性能。氧化脱胶中有效 的 纤 维 素 保 护 剂 有 蒽 醌［7］和1，8-二 羟 基 蒽醌［8］，当保护剂的用量为2%时，脱胶后苎麻精干麻纤维质量最佳，脱胶废水的COD值降低。刘凤明等在氧化脱胶过程中加入F107稳定剂取得良好的脱胶效果［9］。MENG Chaoran等用氢氧化镁作为缓释碱源来调整和缓冲脱胶溶液中的pH值［10］，以此脱胶得到精干麻纤维的断裂伸长率和断裂强度提高，废水COD值下降。她还研究发现氧化脱胶过程中溶液中过量的金属离子对纤维性能有不利影响［11］，通过采用Tempo氧化球状细菌纤维素去除金属离子，提高了苎麻纤维的断裂强度。ZHOU J J等开发了Fenton氧化脱胶技术［12-13］，实质上是弱酸性条件下采用亚铁离子催化过氧化氢，氧化苎麻进行脱胶，研究表明Fenton氧化脱胶后精干麻纤维各项性能均优于碱性氧化脱胶，线密度、断裂强度和残胶率稍差于传统化学脱胶，脱胶废液污染比传统化学脱胶和碱性氧化脱胶小。

除了过氧化氢之外，其他氧化剂的氧化脱胶也有研究。刘国亮研究发现过碳酸钠对于苎麻木质素的去除有促进作用［14］。MENG Chaoran等研究了Tempo选择性氧化苎麻脱胶技术［15］，与碱性过氧化氢脱胶相比，Tempo选择性氧化脱胶后纤维的力学性能较好，脱胶时间缩短55 min，废水COD值降低28%。

氧化脱胶技术相对于传统化学脱胶工艺而言确实可以大大减少脱胶时间，提高纤维制成率，这说明脱胶过程中可以使用环保氧化剂来代替部分氢氧化钠达到脱胶效果，从而降低氢氧化钠用量，减少污染。

LI Z L等将摩擦纳米发电机技术引入苎麻脱胶［16］，即利用摩擦发电效应，收集周围环境的机械能转化成电能，用来产生自驱动的电场，促进苎麻纤维脱胶和脱胶废水的电化学降解。在电压为10 V、电流为3.5 mA的条件下，自驱动清洁系统可以在120 min内降解废水中90%以上的污染物。由于具备脱胶效率高、污水处理效率高、处理成本低、工艺简单等诸多优点，基于摩擦纳米发电机的自驱动系统为苎麻脱胶和废水处理提供了高效环保的新选择。

2.2 生物脱胶

生物脱胶是将苎麻浸渍于菌液中进行脱胶，或者用能降解胶质的酶制剂处理苎麻［17］。生物脱胶环境友好，可以降低化学试剂用量和减少污染［18］。生物脱胶包括酶脱胶法和微生物脱胶法两种。

2.2.1 酶脱胶

酶脱胶就是使用酶液浸渍苎麻来脱胶。苎麻脱胶目前需果胶酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶等多种酶协同作用［19］。苏静研究发现，采用果胶酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶3种酶联合脱胶去除的胶质高于3种酶分别单独处理脱去的胶质总和［20］。酶处理过程中加入Ca2+可以提高脱胶效果［21］，成莉凤等将苎麻浸渍在果胶复合酶液里45℃下采用钙离子催化脱胶4 h，酶脱胶后苎麻纤维残胶率为2.52%［22］。ZHOU C等从碱性地衣芽孢杆菌菌株中提取出碱性果胶酶基因［23］，然后将该基因在大肠杆菌中表达生产果胶酶，苎麻经果胶酶脱胶后重量损失了21.5%。酶脱胶优点是环保无污染，工艺简单，可以直接使用现有设备，但是酶制剂成本偏高，产业化应用还需要继续研究降低酶脱胶的成本和缩短脱胶时间。

2.2.2微生物脱胶

微生物脱胶是将微生物施加在苎麻上，微生物以苎麻的胶质为营养源繁殖，分泌酶将胶质分解成低分子物质而溶于水中。获得优良的脱胶菌株是微生物脱胶技术的重要步骤［24］。FAN P等使用芽孢杆菌HG-28进行工业规模微生物脱胶［25-26］，脱胶后苎麻纤维均达到苎麻精干麻一等品的要求。LIU Zhengchu等用欧文氏杆菌变异菌株CXJZU-120进行工业规模脱胶［27］，发现脱胶6 h以后胶质去除超过90%，污染降低80%。

通过菌株配伍研发出脱胶能力彻底且脱胶效率高的复合菌剂是近年来微生物脱胶的一个研究趋势。张非研究表明，复合菌脱胶有利于提高脱胶效果［28］。杜兆芳等采用芽孢杆菌B2和曲霉M2菌株对苎麻进行混合菌脱胶后，苎麻质量损失率可达31.9%，纤维线密度和断裂强度的指标均符合苎麻二级精干麻标准［29］。王茜的研究表明，复合菌脱胶过程中有些菌也有可能阻碍整个菌群脱胶效果［30］。

目前微生物脱胶研究取得很大进展，但脱胶时间仍然长于化学脱胶，培养菌种复杂，需要专用发酵设备，环境条件要求高，这些制约了菌脱胶的工业化发展。

2.3 生物化学联合脱胶

生物化学联合脱胶法先用生物制剂（细菌或酶）处理苎麻，然后用较低的碱浓度去除残余胶质［31］。生物化学联合脱胶法又可分为酶化学联合脱胶和微生物化学联合脱胶。

酶化学联合脱胶采用酶处理苎麻纤维，再用化学试剂进一步处理，以达到完全脱胶的目的，从而提高苎麻纤维性能和减少污染。ZHOU C等采用果胶酶-化学联合处理后纤维质量损失率为29.3%，相比只用酶处理质量损失率明显增加。余秀艳等的研究表明，复合酶SCOURZYME3O1-氢氧化钠联合脱胶处理制备的精干麻纤维要比传统化学脱胶后的纤维柔软［32］。李恩德直接将带壳苎麻不经过刮青直接采用生物酶脱胶制备苎麻精干麻，该技术解决了刮青需要手工操作、劳动生产率低的问题，为苎麻初加工的优化提出新的思路［33］。

微生物化学联合脱胶则用微生物分泌脱胶酶降解胶质，后续工艺使用较低浓度碱煮便可将残胶除去。胡延素采用混合菌进行微生物化学联合脱胶，纤维残胶率仅有2.04%，脱胶后的纤维性能比化学脱胶和酶脱胶的性能好，氢氧化钠用量为原麻的6%［34］。王成国等将苎麻鲜麻采用细菌和化学联合脱胶后制备得到的精干麻性能和传统化学脱胶性能一样［35］，而氢氧化钠用量减少到原来的一半，废水的COD值和色度均明显降低。

苎麻生物化学联合脱胶综合生物脱胶和化学脱胶的优点，减少用碱量绿色环保，脱胶质量更好，但仍然需要进一步降低化学试剂用量和节约时间。

2.4 物理化学联合脱胶

物理化学联合脱胶是采用物理方法与化学方法联合作用进行脱胶。目前研究的物理脱胶方法有软麻开纤和蒸汽闪爆。张勇等研究表明，物理脱胶后苎麻胶质去除了75%～86%，再通过温和化学精练后，精干麻纤维残胶率低于2%，断裂强度大于4.8 cN/dtex［36］。该技术比传统化学脱胶减少化学试剂用量43%、用水46%、用煤52%、用工35%以上。JIANG Wei等将苎麻用蒸汽闪爆处理后用过碳酸钠进行脱胶［37］，脱胶后苎麻精干麻断裂强度为5.4 cN/dtex，细度细于6.25 dtex（1 600公支）。该工艺化学试剂用量只有传统化学脱胶的50%，废水COD值只有传统脱胶的35%。物理化学联合脱胶相对传统化学脱胶而言，化学试剂和污染减少，但是需要对设备进行大幅改造，并需要探索其工业规模的应用效果。

2.5 脱胶后处理

苎麻脱胶后处理的优化比较有代表性的是带状精干麻制备技术的研究。带状精干麻生产技术采用一条连续后处理生产线，将苎麻纤维束保持原有的纤维排列状态情况下进行拷麻、牵伸、水洗和给油，制备出来的精干麻平行顺直，可以直接经过并条后进入后纺加工［38］。苏工兵等设计了ZMFQSL-1型苎麻开纤水理连续化设备［39］，该设备生产效率大于120 kg/h，生产的苎麻纤维残胶率低于2.0%，并丝率低于0.2%，束纤维断裂强度4.3 cN/dtex。苎麻生物脱胶和水理连续化生产工艺已有实际应用，实现了节能减排和省工环保的目标，并通过了常德市科技局的科技成果鉴定［40］。带状精干麻制备技术大大缩短了纺纱工序，节约用工用水。

3 分析与展望

传统化学脱胶对自然环境有较大破坏，随着我国对纺织企业污染排放法规的逐渐完善，研发新型环保且高质量的脱胶方法是必然的趋势。总结近年来的脱胶技术研究进展，首先，氧化脱胶技术、物理脱胶技术特别是工业规模的纯生物脱胶技术的最新研究成果，为苎麻工业化生产最终实现低污染乃至无污染的脱胶带来了曙光，今后可以进一步综合各种脱胶技术的优点，选用高效脱胶菌或者菌群，辅以物理脱胶或者氧化脱胶，进一步稳定工业规模的脱胶效果，节约脱胶时间。其次，带状精干麻技术和带壳苎麻脱胶技术的提出为脱胶技术的研究提供新的思路，目前脱胶技术研究大部分都是在关注原麻脱胶，而实际上脱胶前道工序（剥皮、刮青）和脱胶后处理均存在劳动生产率低、工人劳动强度大的问题，而新技术的提出为苎麻初加工实现自动化连续生产带来了希望。未来可以将剥皮、刮青、脱胶以及脱胶后处理工序统筹考虑，最终实现苎麻初加工的清洁、自动化和连续化生产。