纤维素纤维十篇

纤维素纤维篇1

莲纤维的主要组成物质是纤维素,莲纤维在莲秆内呈螺旋状排列,单纤维长度很长,是天然纤维素长丝。探索莲纤维的制取方法,将为新型纤维的工业化生产提供可能。

关键词:莲纤维;纤维素;长丝;形态结构;扫描电镜;红外光谱

Abstract: Cellulose is the main component of lotus fiber. In the lotus,the fiber is spirally arranged. The single lotus fiber is very long, and it is a natural cellulose filament. It will provide possibility for lotus fiber’s industrial production to explore the method of preparation lotus fiber.

Key words:Lotus Fiber;Cellulose;Filaments;Morphology;Scanning Electron Microscopy; Infrared Spectroscopy

1背景

纺织纤维材料在近一个世纪的发展中,不仅在数量上有了巨大发展,而且在纤维品种、性能或功能上突飞猛进。但是,纤维生产数量的增加,主要依赖化学纤维的生产量的增加,而化学纤维原料是来源于地球上石油、煤和天然气等有限资源[1],这些有限的矿物资源的枯竭是可以预见的,为此,人们已经尝试开发了多种天然纤维[2]。

蚕丝是中国织造业应用的优质天然原材料,其细、长、柔、爽、滑的特点为世人所称赞,受此启发,人们采用化学方法生产化学长丝。天然状态下能否获取与蚕丝相类似的优质天然纺织原料呢?笔者进行了一些尝试和探索。

在世界上存在的天然纤维中,蜘蛛丝长期以来凭借其独特的、兼具强度和韧性的性质,被认为是一种奇特的纤维。较早的研究表明蜘蛛丝的强度高达1.75 GPa,断裂伸长达26%以上,它的韧性是芳香族纤维和工业纤维的3倍多。蜘蛛丝将会继续引起科学家们的注意[3]。但是,蜘蛛丝具有黏性,自然获取难度大,同时,蜘蛛的人工饲养难度大。

人工生产蜘蛛丝也有难度。蜘蛛丝吐丝机理的研究尚须深入,这一机理非常复杂,需要科研人员协作攻关才可能完成[4]。

我们设想利用农业生产的废弃物进行简单加工,开发可持续的新型纤维材料,在不增加环境污染的前提下,生产出可以加工和利用的纤维,这是我们的理想选择。

莲是被子植物中起源最早的种属之一,分布很广,南起海南岛,北至黑龙江,东临上海及台湾,西至天山北麓。我国的莲藕种植面积有近千万亩,主要以收获莲藕和莲子为主。大量荷秆,不是枯萎腐烂,就是被随意扔弃,如果每亩荷秆重量按2.5吨计算,每年有上千万吨荷秆被抛弃[5]。如果能够对这种天然的农业废弃物进行科学合理的加工,成为一种新型纤维,将会带来巨大的经济效益和社会效益。图1是成片的莲藕,图2是荷塘内干枯的莲的茎秆。

图1荷塘内的成片的莲藕

图2荷塘内的干枯莲茎秆

2环境保护的要求

地球承担了太多的负担,通过光合作用生产的各种有机天然材料,为我们的生活、生产提供了物质基础,我们要充分利用这类可再生的资源,减轻地球的负担。参照莲纤维及其制备方法与制品发明专利[6],可以采用几种制取方法:人工方法抽取、机械制取、生物制取、化学方法制取、生物与化学方法相结合制取方法等。我尝试用人工方法制取了鲜莲茎秆的纤维,利用机械加工的方法制取了干态莲秆中的纤维。为了避免环境污染,放弃了利用化学方法的制取工艺。

3莲纤维的主要组成物质

经过红外光谱测试,鲜茎秆人工抽取的纤维得到的红外光谱图,如图3;干态机械加工制取的纤维得到的红外光谱图,如图4,可以看出莲纤维主要的组成物质是纤维素。

图3鲜态获得的莲纤维的红外光谱图

图4干态获得的莲纤维的红外光谱图

4湿态莲秆人工抽取莲纤维

将鲜莲秆折断抽取莲纤维,并将纤维并合、适当加捻、干燥,即可以制得莲纤维。这种方法制得的纤维,非常柔软,自然状态下具有天然的螺旋状。如图5是莲的鲜茎秆;图6是莲的鲜茎秆断面,从中容易看出丝状体的出现;图7是人工抽取的莲纤维,带有明显的天然的螺旋形;图8下光学显微镜下的抽出纤维。

图5莲的鲜茎秆

图6莲的鲜茎秆断面

图7从鲜莲茎秆中人工抽取的莲纤维

图8光学显微镜下抽取纤维的形态

纤维主要的组成物质是并排平行的单纤维,可以根据需要将纤维组合成不同的粗细,但是,抽取的加工全靠人工进行,劳动量大,纤维的产量低。

5干态莲秆机械方法制取莲纤维

切取干燥莲秆的长度,经过机械的挤压揉搓,将莲秆内的纤维与较粗硬的杂质分离的加工方法。这种加工方法简单,成本较低,但是纤维中的杂质较多,明显与麻类纤维相类似,纤维细度粗,杂质多,手感硬,弯曲能力差。

干态机械加工的莲纤维,是由多组纤维束依靠莲茎秆内的其他物质连接在一起的,纤维硬挺,色泽棕白。纤维内部的单纤维并未受到太多的牵伸,在纤维中往往会保持原来的螺旋状态。

6莲纤维的形态

莲纤维是由多根纤维平行并列排放在一起,具有弹簧状的圈状螺旋。色泽洁白,抽取过程的外力会将这种螺旋破坏,纤维变成由几根到十几根单纤维组成的复丝,长度很长,主要根据莲茎秆的长度决定纤维的长度,单纤维的纤维截面是圆形或椭圆形的实心体,单纤维的纵向粗细较一致,但有横向连接的缔合组织或微细纤维,细度为4μm左右。

图9较为松散的莲纤维扫描电镜照片

图10紧密黏结的莲纤维纵向排列扫描电镜照片[7]

图9、图10是莲纤维的扫描电镜照片,紧密黏结状态和松散状态下的扫描电镜照片,图10是莲纤维单纤维之间的黏结状态。单纤维依靠连接物质将4到10根左右的单丝连接成一排,形成平行排列的竹排状结构。图11是在莲秆中原始状态的莲纤维,图12是抽出的丝状莲纤维松弛后的纤维状态,从中可以看到部分纤维单丝恢复了在莲秆中的原始状态。

图11在莲秆中的莲纤维形态

图12松弛后的莲纤维形态

7莲纤维长度的理论计算

设定莲纤维在莲秆内的螺旋线状排列为规则的螺旋状态排列,则莲纤维长丝的单丝长度计算公式就是:

L――为莲纤维长丝的理论长度;

L0――莲秆的长度;

D――螺旋线直径;

d――螺距;

∏――圆周率;

n――莲纤维的单丝根数。

经实测:莲纤维的螺旋线螺距d为0.005mm,螺旋线的直径D为0.03mm,并排的单丝根数n为4~10根,取中间值7根,那么,L0为30cm长的莲秆中莲纤维的长度为:

莲纤维单丝的长度为861.43mm,可见莲纤维是长丝状纤维。实际的莲秆长度经常达到1m以上,可以获取莲纤维单丝的长度将会更长。

8结束语

莲纤维是天然纤维素长丝,长度长,细度细,具有纺纱需要的强韧性,是优质天然植物纤维素长丝。探索莲纤维的制取方法,如何能够高效生产莲纤维长丝,将为新型纤维的工业化生产提供可能,将是今后莲纤维生产的研究内容。

参考文献:

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纤维素纤维篇2

纤维素的详细说明:纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶於水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50％以上。棉花的纤维素含量接近100％，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40～50％，还有10～30％的半纤维素和20～30％的木质素。此外，麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。纤维素是重要的造纸原料。

（来源：文章屋网 http://www.wzu.com）

纤维素纤维篇3

关键词：纤维含量；定量分析；纤维素酶；酶法检测

1 引言

纺织品中纤维成分含量，是评价纺织品质量的主要指标，也是纺织检测机构业务量占比最大的项目之一。目前使用最为广泛的定量分析方法为化学溶解法[1]，其利用不同纤维成分在溶剂中溶解性的差异，通过溶解去除可溶组分同时不损伤其他纤维（即选择性溶解），进行质量比例分析。委托样品中又以天然纺织原料纤维素纤维如棉、麻、粘胶纤维、莫代尔纤维等居多，与之相关的主要有硫酸法[2]、锌酸钠法[3]、甲酸-氯化锌法[4]等3种。

但是目前化学溶解法测试纤维素纤维含量存在一些问题。以硫酸法为例，它所使用的溶剂为浓度为75%的浓硫酸，具强腐蚀性以及接触皮肤脱水碳化危险，清洗过程中必须保证将硫酸完全去除，否则干燥过程中残留微量硫酸浓度变高就会将残留样品碳化，因此清洗过程需要用大量清水进行冲洗，并用氨水进行中和，气味强烈。硫酸使用量很大，会产生大量有毒有害废水排放，废液处理成本较高，还会腐蚀仪器设备。此外75%硫酸溶液溶解能力强专一性差，可溶解蚕丝、腈纶、锦纶、氨纶、维纶等，使得对三组分及以上纺织样品的含量测定困难。鉴于此，发展一种绿色无害、条件温和、过程简单、溶解专一性好的纤维素纤维含量检测方法十分必要。酶是一种高效生物催化剂，具有很高的催化专一性。同时酶促反应多在常温常压、弱酸弱碱或中性条件下进行，反应溶剂多为水，无腐蚀性。酶的这些特点，使得它在纺织纤维成分的定量检测领域有潜在应用。

纤维素酶Cellulase，编号EC3.2.1.4，是由多种水解酶组成的一个复合酶系，主要包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和葡萄糖苷酶，可将纤维素选择性降解成葡萄糖。纤维素酶的降解作用机制，主要有C1―Cx假说、顺序作用假说和协同降解假说，目前普遍认可的是协同作用模型：内切葡聚糖酶随机切割纤维素多糖链内部的无定形区，产生不同长度的寡糖和新链末端；外切葡聚糖酶作用于这些链末端，产生纤维二糖或葡萄糖；葡萄糖苷酶水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖[5]。纤维素酶为我国第一大工业酶种，国内年产量在2000吨以上，其用于处理废旧纤维素制品早在上世纪70年代就有报道[6]。目前纤维素酶已广泛应用在纺织品加工领域，如棉麻织物后整理、牛仔布酶洗、织物减量处理、生物抛光等，需要控制降解程度，使得在不损坏纤维强度的前提下，改善纺织品性能。纤维素酶的另一个重要用途就是生物燃料乙醇，利用纤维素酶将生物纤维质如稻草秸秆、玉米秆、木渣等完全降解为葡萄糖后，用于发酵生产[7]。对于纺织品含量检测而言，并不需要将棉、粘胶纤维等完全降解为小分子糖类物质，只需将纤维素成分部分降解为能溶解在水中的寡糖片段，能进行简单分离即可，此工作尚未得到大家关注。

本文利用纤维素酶的专一催化降解特性，首次探讨了其在纤维素纤维含量检测领域的应用前景，并对最佳酶催化条件、酶催化过程及催化专一性等问题进行了系统研究，以期建立一种新型绿色酶法纺织品成分定量分析技术，取代现有危险性有机溶剂浓硫酸的使用。

2 试验部分

2.1 材料

酸性纤维素酶（Primafast 200），由Genencor （Wuxi） Bio-Products Co.， Ltd提供，为复合酶制剂，外观为棕色液体。棉贴衬、粘胶贴衬、腈纶贴衬、涤纶贴衬、羊毛贴衬（满足标准GB/T 7568―2008 《纺织品 色牢度试验 标准贴衬织物》要求）购于杭州天天检科技开发中心。柠檬酸、柠檬酸三钠、醋酸、三水醋酸钠、磷酸氢二钠购于国药集团化学试剂有限公司，分析纯，直接使用。配制缓冲溶液所用的水为超纯水。

2.2 纤维素酶催化试验

缓冲溶液配制：分别配制pH值为4.8，离子强度为25 mM、50mM、75mM、100mM的柠檬酸-柠檬酸三钠缓冲溶液；pH值为4.8，离子强度为50 mM的醋酸-醋酸钠缓冲溶液和柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液。当离子强度为50mM，定容到1000mL时，配比分别为柠檬酸4.83g-柠檬酸三钠7.94g，醋酸2.31mL-三水醋酸钠8.16g，柠檬酸5.33g-磷酸氢二钠7.00g。

典型酶催化试验过程：用天平（瑞士梅特勒公司，ME204）称取1.0g贴衬，放入100mL锥形瓶中，然后加入30mL酶溶液，缓冲液为pH值4.8，离子强度50mM的柠檬酸-柠檬酸三钠缓冲溶液，酶量为0.3mL，将锥形瓶放进温度为50℃，转速为50rpm的恒温水浴振荡器中，振荡反应24h后取出抽滤，并用超纯水清洗1次后将残留物放入105℃鼓风干燥箱中干燥完全后称重，根据质量变化计算质量下降率（weight reduction ratio）。在高温干燥过程中，酶会完全失活，不需担心可能的残留酶对织物质量下降率的影响。为保证数据准确性，每批次做两个平行样，取平均值。

通过单因素试验方案设计，分别考察离子强度、缓冲液体系、酶量、浴比、反应温度等参数对酶催化活性的影响，获得最佳条件。在最佳酶催化条件下，得到贴衬质量下降率-时间曲线；以及不同纤维贴衬在纤维素酶催化反应24h后的质量下降率，考察纤维素酶法检测专一性。

2.3 测试表征

表征棉和粘胶贴衬在催化过程中纤维表面形貌、化学组成和结晶结构的变化，具体测试条件如下：

美国Phenom Pro台式扫描电镜SEM，样品预先用导电双面胶固定在样品台上，在10mA电流下喷金30s提高导电性，加速电压设定为5kV，image电子束流，背散射电子（BSE）探测器成分模式（Full）成像，拍摄不同放大倍数的电镜照片。

美国Nicolet 6700型傅立叶红外光谱仪，内反射元件Ge晶体。测试时，样品表面紧贴Ge晶体表面，压紧，选择表面衰减全反射ATR模式，设置扫描精度为2cm-1，扫描次数为32次。

德国Bruke D2 Phaser X射线衍射仪XRD，X射线源为Cu靶，Kα射线，电压30kV，电流10mA，贴衬样品平铺在有机玻璃样品台上，扫描范围为8 o～60o，步长0.02o，扫描速度10o/min，样品台转速15 rpm。

3 结果与讨论

3.1 最适纤维素酶催化条件

棉贴衬为标准物质，性质稳定，数据重现性好，因此以棉贴衬为研究对象，探讨不同参数对酶催化活性的影响，恒温水浴振荡器转速固定为50rpm，反应时间固定为24h，以期得到最适纤维素酶催化条件。

3.1.1 缓冲液体系

首先依据轻工行业标准QB 2583―2003《纤维素酶制剂》附录A滤纸酶活力测定方法中适合酸性纤维素酶的条件，以及公司提供的产品说明书，选取pH值4.8（最适pH）的柠檬酸-柠檬酸三钠缓冲液，在40℃和50℃下考察离子强度对酶活性的影响，其他条件固定为30mL酶溶液，0.3mL酶量，结果如图1（a）所示。pH值数值的变化不仅影响纤维素酶的活力，还影响酶的稳定性，只有在最适pH值下，酶分子处于最佳的电离状态，因此需要缓冲液具有足够的缓冲容量，以便pH值保持稳定。当离子强度在50mM时，具有最大的酶活力，75mM活力与50mM接近，而离子强度为25mM和100mM时，活性稍差。离子强度为0mM，即仅仅使用超纯水时，酶活性最低，且50℃下的酶活性比40℃低，而在缓冲液体系中，50℃下的酶活性均比40℃高，说明缓冲盐起到了稳定酶结构的作用。

在pH值4.8、离子强度为50mM、反应温度为50℃的情况下，考察缓冲液种类的影响，如图1（b）所示，发现酶活性在不同缓冲液种类中差别不大，超纯水中活性只有缓冲液中一半左右，按如下顺序排列：柠檬酸-柠檬酸三钠>柠檬酸-磷酸氢二钠>醋酸-醋酸钠>超纯水。因此，缓冲液体系确立为pH值4.8，离子强度50mM的柠檬酸-柠檬酸三钠缓冲溶液。

3.1.2 溶液组成

本试验中纤维不溶于水，为典型的非均相催化反应，进一步考察在40℃和50℃下酶量和浴比对酶催化活性的影响。酶溶液总量固定为30mL，酶量影响结果如图2（a）所示。发现50℃下的酶活性均比40℃高，酶量在0.3mL时，贴衬质量下降率最高，这是因为一定量纤维素能和酶分子结合位点数量有限，当这些位点全部被占据后，再增加酶用量，将起不到酶解作用，从经济角度考虑，酶量确定为1.0g贴衬/0.3mL酶量。固定酶量为0.3mL，考察浴比的影响，如图2（b）所示，发现50℃下的酶活性均比40℃高，酶溶液为30mL时，贴衬质量下降率最高。主要有两方面原因，一是酶溶液量少时，会发生产物抑制效应；二是酶溶液量增加时，酶浓度降低，减弱酶向纤维表面的扩散，两方面因素共同作用下，最佳酶溶液添加量确立为1.0g贴衬/0.3mL酶量/30mL酶溶液。

3.1.3 反应温度

最后本文探讨了反应温度的影响，如图3所示，最佳反应温度为50℃。随温度增加，分子运动加速，酶反应还存在活化能，因此在一定温度范围内，反应随温度的升高速度加快。但酶是蛋白质，在一定温度条件下会变性失活，因此当反应温度提高到60℃时，贴衬质量下降率反而从50℃时的25.2%降低到了2.7%。

根据以上试验结果，确定最适纤维素酶催化条件：缓冲液为pH值4.8，离子强度50mM的柠檬酸-柠檬酸三钠缓冲溶液，酶量为0.3mL，酶溶液为30mL，反应温度为50℃。反应24h，棉贴衬的质量下降率在25%左右。在最佳条件下反应24h，粘胶贴衬质量下降率为100%，可完全降解为可溶物。

3.2 酶催化过程研究

在最佳纤维素酶催化条件下，探讨了棉贴衬和粘胶贴衬质量下降率随时间的变化，如图4（a）和（b）所示。棉贴衬质量下降率随着时间延长，呈线性增加趋势，说明此时棉纤维相较酶量一直处于过量状态，酶催化降解速度保持恒定，但催化降解速率较慢，48h后质量下降率才为33.8%。粘胶纤维则不同，4h之后质量下降率就达到了38.6%，16h后为90.7%，24h后已经完成降解为可溶性物质。这主要是由于两者结构不同所致。天然棉纤维中纤维素聚合度在6000～11000之间，结晶度高；而粘胶纤维属再生纤维素纤维，它是以天然纤维素为原料，经碱化、老化、磺化等工序制成可溶性纤维素黄原酸酯，再溶于稀碱液制成粘胶，经湿法纺丝而制成，其纤维素聚合度为500～1000之间，结晶度低。因此纤维素酶对粘胶贴衬表现出了更强的降解能力。

通过SEM、ATR和XRD对降解过程中棉和粘胶贴衬的表面形貌、化学组成和结晶结构变化进行分析。

从图5的SEM图可以发现棉贴衬结构紧密，棉纤维纵向呈扁平的转曲带状，表面略有褶皱；纤维素酶催化24h后，棉贴衬表面断裂纤维增多，纤维表面出现了破碎开孔结构，起到类似剥皮效果；48h后，棉贴衬表面断裂纤维继续增多，纤维表面出现大量的破碎开孔结构，部分纤维已经完全断裂。粘胶贴衬结构紧密，粘胶纤维呈圆形，表面有许多不规则沟槽；8h后粘胶贴衬结构变松散，粘胶纤维分裂为多根细丝；16h后粘胶贴衬已无法看出明显的编织结构，2000x下看，除了多根细丝，还出现了非常多的小碎片。

ATR结果如图6所示，棉贴衬和粘胶贴衬均为典型的纤维素纤维红外谱图，3330cm-1处为O―H基振动峰，2900cm-1处为C―H基振动峰，1650cm-1处是由于水分而引起的吸收峰，在1160cm-1～900cm-1之间的四个峰为―C―O―C―的振动峰，这些峰为纤维素的特征峰[8]。棉贴衬和粘胶贴衬在降解过程中，谱图形状均没有发生变化，说明酶催化降解过程中没有产生新物质或新官能团。贴衬经过酶降解后，O―H峰和―C―O―C―特征峰以及水吸收峰变明显，和SEM结果相对应，说明降解过程中，棉贴衬中纤维素分子组分暴露，同时两种贴衬发生降解，聚合度下降，使得端O―H量增加，吸湿性也增加。

棉贴衬降解过程中纤维素纤维的结晶结构变化结果如图7（a）所示。棉贴衬在2θ为14.90o、16.50o、22.75o、34.26o处出现了4个特征衍射峰，分别对应于纤维素Ι型的（101）、（10ī）、（002）、（040）晶面，说明酶降解过程保持了天然纤维素的Ι型结构[9]。粘胶纤维贴衬因降解后形貌变化较大，因此只测试了未降解样品[图7（b）]，可以发现在2θ在12.25o、19.78o、21.72o处出现了3个特征衍射峰，为纤维素IΙ型结晶结构。通过Bruker EVA软件对结晶度进行半定量分析（表1），可以发现粘胶贴衬的结晶度为31.2%，棉贴衬的结晶度为46.8%，反应24h后结晶度为36.8%，48h后的结晶度为32.5%，说明酶催化降解过程打破了原有的棉天然纤维素结晶结构，使其结晶度降低，但不会改变晶型。

纤维素酶分子由具有催化功能的催化结构域CD、肽连接桥和具有结合纤维素功能的纤维素结合域CBD等三部分组成[10]。结合前人工作基础[5，7，10]，并综合以上试验结果，推测酶催化过程为：由于底物的水不溶性，纤维素酶的吸附作用代替了酶与底物形成复合物的过程，纤维素酶首先特异性地吸附在底物纤维素上，CBD嵌入到纤维素结晶链段区域，使其无定型化，结晶度降低，结晶链段开始溶胀和分散，但不会发生晶型改变以及产生新的官能团；同时各种酶开始协同模式降解，使贴衬质量下降，纤维表面出现了类似剥皮的刻蚀效果；粘胶纤维因有溶解再生的过程，聚合度和结晶度低，因此在24h后可被完全降解完全，棉纤维则随着降解过程的进行，从外向内不断被刻蚀减重。

3.3 专一性分析

混纺织物中不同纤维含量的确定，主要基于“溶解性质”的差异，若在某一溶剂中除目标纤维外其他纤维也会部分溶解，则在计算含量时用不等于1的质量修正值d进行修正，因此对于溶解过程的温度、时间，甚至溶解过程中的手动振荡次数等均有严格要求，容易产生试验偏差。进一步考察了纤维素酶对不同纤维贴衬的催化专一性，结果如表2所示，可以看到，除了对棉和粘胶等纤维素类纤维具有催化降解性能之外，对于羊毛、聚丙烯腈、聚酯等纤维不会产生质量损失，具有优良的催化专一性。将粉碎后的粘胶贴衬和聚酯贴衬按照不同质量配比混匀，进行含量测试，发现测试结果均与投料比吻合。

4 结论与展望

纤维素酶对不同标准贴衬的降解结果表明，纤维素酶有望用于纺织品中粘胶纤维含量的定量检测，但本试验中纤维素酶所需催化降解时间较长，造成检测效率偏低，需对酶及复合酶制剂做进一步筛选。以下问题也有待进一步研究深入：首先是随着纤维素酶活的储存稳定性；其次经过助剂后整理和煮练、印染等过程的面料，其对酶活和降解过程的影响有待探讨；对麻纤维，竹纤维和醋酯纤维的降解能力有待研究；对于其他再生纤维素纤维，如铜氨纤维、莫代尔纤维、天丝纤维等是否具有同样的催化降解效果，还有经过回收处理的再加工纤维，可否利用晶型结构、纤维形貌及纤维素酶催化降解过程差异等进行定性鉴别；基于同样的酶专一性催化降解机理，脂肪酶和蛋白酶是否可用于聚酯类以及蛋白类如羊毛、蚕丝等纤维含量的定量分析。本工作的最终目标是通过纤维素酶、脂肪酶、酰胺酶和蛋白酶等不同酶组合，对纤维素纤维、聚酯纤维、尼龙和蛋白纤维等混纺织物建立一种新型的绿色酶法纺织品成分含量检测技术。

参考文献：

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纤维素纤维篇4

关键词：纤维素酶；微/纳纤丝；机械处理

中图分类号：TQ340.1 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.11.002

21世纪以来，随着资源的严重匮乏和人们对环保的日益重视，可再生生物质资源的利用具有了重要意义[1]。纤维素是地球上极为丰富的可再生生物质资源之一，占地球总生物量的40%[2-3]，广泛应用于造纸、塑料、炸药、电工及科研等方面。从天然纤维中分离出的微/纳纤丝具有高强度、高结晶度、高纯度、生物可降解、亲水性强等特性，因此，微/纳纤丝在高性能复合材料中显示出广阔应用前景。微/纳纤丝（micro/nanofibrils）包括微纤丝（microfibril）和纳米纤丝（nanofibril）两种。微纤丝被定义为直径在0.1～1 μm，长度在5～50 μm的纤维，纳米材料则包括至少一维空间的尺寸为纳米级（1～100 nm）[4]。

微/纳纤丝的制备方法有化学法、机械法、生物法、人工合成法、静电纺织法、酶处理法等[5]。相比较来说，酶处理法制备微/纳纤丝具有反应条件温和、能耗低、设备要求相对简单、经济环保等优势[6]，且所用的试剂酶与纤维素酶均为可再生资源[7]，因此，酶处理工艺更适合今后的大量生产微/纳纤丝。

本研究以杨木纸浆纤维为原料，通过纤维素酶协同机械法处理，致力于以环境友好方式制备出微/纳纤丝，运用高效液相色谱、X射线衍射仪和扫描电子显微镜对制备出的微/纳纤丝进行表征分析，研究其细化后的性能变化。

1 材料和方法

1.1 材 料

杨木纸浆纤维：购置于江苏某造纸厂，纤维素含量为77.44%，半纤维素含量为15.72%，酸不溶木素为5.1%，结晶度为68.2%。纤维素酶：购置于宁夏和氏璧公司，是由青霉菌发酵液精制而成，滤纸酶活为48.86 FPU·g-1。主要试剂：柠檬酸、过氧化钠、亚硫酸钠、硫酸、3，5-二硝基水杨酸、偏重亚硫酸钠等分析纯均购于南京化学试剂有限公司。

主要仪器：高效液相色谱（美国安捷伦公司），高压均质仪（定制于日本某研究公司），超声波细胞粉碎机（南京先欧仪器制造有限公司），马尔文激光粒度仪（马尔文公司），X射线衍射仪（岛津/KRATOS公司），JSM-7600F场发射扫描电镜（日本电子）等。

1.2 酶解杨木纸浆纤维中纤维素/半纤维素的测定[8]

称取（300.0±10.0） mg已用酶处理过的杨木纸浆纤维置于干燥皿中，加入（3.00±0.01） mL72%硫酸，充分润湿混匀。将干燥皿置于（30±3） ℃水浴中振荡反应（60±5） min，振荡须保证所有纳米纤维素浸润于硫酸溶液中，完全水解。水解完成后，从水浴槽中取出干燥皿，加入（84±0.04） g纯水，将硫酸浓度稀释至4%。将样品置于高压灭菌器中，温度设置为121 ℃，时间60 min。反应结束后，冷却至室温。用已准备好的磨成粉状的脱水Ba（OH）2，中和样品pH值至5～6。离心后，取上清液作高效液相分析用，从图谱中计算出葡萄糖、木糖浓度。从而可以计算出样品中纤维素和半纤维素的绝干百分比。公式（1）如下：

纤维素/半纤维素含量=×100%（1）

式中，C为水解后单糖的浓度，单位为g·L-1；MC为杨木纸浆纤维的含水率，0.087为水解液的总体积，单位为L；0.3为酸水解原料的质量，单位为g；0.9为纤维素和半纤维素水解葡萄糖对应的系数。

用蒸馏水洗涤残渣，后将残渣在105 ℃下干燥至恒质量并称质量，将其作为酸不溶木质素的质量；取一定量的水解上清液用分光光度法在205 nm处测定其吸光度AOD，然后按式（2）计算相应的酸溶木素。

酸溶木素=×8.7%（2）

1.3 杨木纸浆纤维预处理

（1）杨木纸浆纤维的粉碎。由于纤维过于粗，用植物粉碎机对杨木纸浆纤维再加工，过0.18 mm筛。

（2）化学处理[9]。由于杨木纸浆纤维中仍然有少量半纤维素、木素及其它杂质，这会影响微/纳纤丝的制备，因此要将其去除。选择固液比为1∶30，在NaSO3浓度为3%，蒸煮时间为2 h，温度为200 ℃，脱去杨木纸浆纤维中的木质素，水洗至中性，收集滤渣；选择固液比为1∶30，NaOH浓度为8%，碱处理时间3 h，温度80 ℃，脱去杨木纸浆纤维中的半纤维素，水洗至中性，收集滤渣；选择固液比为1∶40，H2O2浓度5%，处理时间1 h，温度45 ℃，脱去果胶等杂质，水洗至中性，收集滤渣。经高效液相得出图谱，通过公式（1）和（2）分别计算得出纤维素含量为92.85%、半纤维素含量为1.87%、木质素含量为0.88%，适合作为酶解纤维素的底物。

1.4 正交试验

为了考察最优条件，选择加酶量、酶解时间和料液比作为考察因素，运用3因素3水平作正交试验，确定微/纳纤丝的最佳工艺参数，具体因素水平如表1所示。

1.5 纤维素酶解杨木纸浆纤维

将碱预处理后的纤维素与缓冲溶液以一定的料液比加入纤维素酶液，在适宜的温度以及pH值下酶解反应一定时间，达到纤维素酶的平衡聚合度，灭酶5 min，过滤，滤渣风干，粉碎，即得杨木纸浆微/纳纤丝。

1.6 机械法处理杨木纸浆纤维

由于纤维素酶选择性地酶解掉无定形的纤维素而剩下部分纤维素晶体[10]，因此，可以用机械法加以辅助酶解微/纳纤丝，以较为环保的方式获得结晶度较高、粒径较小的产物。本试验中采用超声波粉碎仪和高压均质仪间歇式处理已酶解过的微/纳纤丝以获得质量更优的微/纳纤丝。

1.7 X射线衍射分析（XRD）[11]

样品按照X射线衍射仪的测试要求装片。X光为铜靶，扫描步长为0.05°，扫描范围为5°～40°，5°·min-1。测试条件为电压40 kV，电流30 mA，采用2θ/θ步进扫描。根据Turley法计算试样的结晶度[11]，计算公式为：

CrI=×100% （3）

式中，CrI为结晶度指数；I002为（002）晶格衍射角的极大强度；Iam为代表2θ角近于18°时非结晶背景衍射的散射强度。I002与Iam单位相同。

1.8 JSM-7600F场发射扫描电子显微镜（SEM）分析

配制已制备好的微/纳纤丝溶液，放入冷冻干燥箱中冷冻干燥48 h后取出并立即存放入干燥器中以备检测微/纳纤丝的长度、粒径、形态等[12-14]。临界点干燥，喷金，放入JSM-7600F场发射扫描电子显微镜（SEM）下观察。

2 结果与分析

2.1 正交试验分析

本试验采用的纤维素酶由青霉菌发酵液精制而成，此种酶经试验在50 ℃下酶解效率最好，因此本试验酶解温度定为50 ℃[15-21]。采用3因素3水平的正交试验，确定制备微/纳纤丝的最佳工艺参数，得到CrI较高的微/纳纤丝。根据公式（3）和XRD图谱算出每组试验的CrI，正交试验结果见表2。

由表2可知，酶处理制备杨木纸浆微/纳纤丝的影响因素依次为A>C>B，即时间、加酶量、料液比。最佳工艺条件为A2B2C1，即最佳工艺条件为加酶量30 FPU，处理时间为36 h，料液比为1∶40。由于酶中含有蛋白质等杂质，使原料中纤维素含量有所降低，可以通过适当的碱处理来去除蛋白质，再进行机械处理以制备粒径更小的微/纳纤丝。

通过马尔文激光粒度仪Zetasizer Nano对酶解后微/纳纤丝的粒径分布进行测量。从图1可以看出，溶液中去除蛋白前后的变化情况。

图1（a）中有2个峰值，在80 ℃下进行热碱处理后得到图1（b），图1（b）有一个峰值，这说明，酶处理后的产物中蛋白质已经去除。因此，可以得出：图1（a）中粒径分布范围在100～1 000 nm，光强小的峰值是试验材料中酶的粒径范围分布情况。从（a）、（b）两图中均可看出，酶处理后的产物粒径分布范围大都在1 m以上，说明酶处理后的微/纳纤丝大部分还是聚集形态的纤丝束，还需要进一步的机械法处理才能获得粒径分布范围更小的纳米纤丝。图1（b）中1 m以上纤丝粒径分布较图1（a）变窄，这是由于纤维在热碱溶液中能够发生剥皮反应（150 ℃下发生），引起纤维素降解。

按照正交试验的结果进行验证试验，由计算可知纤维素酶水解后杨木纸浆纤维的CrI为84.2%，这表明纤维素酶水解作用破坏了纤维素的非结晶区，使酶解后的纤维CrI提高。去除蛋白后纤维素的含量为95.26%。纤维素酶水解后，纤维素的结晶度和含量均有所改善。

2.2 机械法再处理

尽管在本试验的最佳酶解条件下获得纤丝的纤维素含量和结晶度提高较大，但是酶解的作用趋于缓和，在粒径的提高方面明显不够。用机械法加以辅助酶解，不仅较之化学法污染更小，而且可以获得更小粒径的微/纳纤丝[21]。

本试验采用超声波粉碎仪和高压均质仪间歇处理酶解后的微/纳纤丝。配制浓度为0.05%的酶解后的杨木纸浆纤维溶液100 mL（已达到微米级别，见图2中（a）、（b）和（c）），选用1/2″探头（探入式）、振幅为80 μm、处理时间90 min（分3次）、脉冲时间6 s、脉冲间隔4 s。打开高压均质仪的压力阀，调整压力至1 000～1 500 bar，分3组进行均质，每组5次，每次处理时长约为2 min。超声波处理和高压均质处理为间歇式，即：超声波处理高压均质处理超声波处理高压均质处理超声波处理高压均质处理。

2.3 杨木纸浆微/纳纤丝的表征分析

采用JSM-7600F场发射扫描电子显微镜（SEM），分别对酶解后和超声波/高压均质仪处理后的杨木纸浆纤维的形态进行研究，配制浓度为0.05%微/纳纤丝溶液进行冷冻干燥，48 h后放入扫描电镜下观察，结果如图2所示。

图2中的（a）、（b）和（c）图为酶处理后杨木纸浆纤维的SEM图。从图中可以看出，纤维比较疏松多孔，这说明酶处理已经使纤维的初生壁和次生壁外层脱落。但是团聚现象较严重，分散不均匀，粒径分布大都在10 m左右，如图（c）所示。因此，还需机械力辅助使纤维产生纵向分裂，破坏纤丝与纤丝之间的氢键作用以获得分散均匀、粒径达到纳米级的纳米纤丝。

图2中的（d）、（e）和（f）图为酶处理协同机械法处理杨木纸浆纤维的SEM图。从图中可以看出，经过超声波和高压均质间歇处理后的纤维已经分离成纤丝状。纤维素链上的主要功能基是羟基（—OH），羟基不仅对纤维素的超分子结构有决定作用，而且也影响其化学和物理性能。—OH基之间或—OH基与O—、N—和S—基团能够联接，即氢键。因此，只有纤丝与纤丝间的氢键断裂，才能获得微/纳纤丝。酶处理协同机械法处理纤维正是运用于此，才制备出了如图2中（d）～（f）纳米级的纤丝。如图2中（d）、（e）和（f）所示，纤丝具有较大的比表面积，并且长径比大，图2（f）表明：纤维的直径分布在25～55 nm，宽度方向已经达到纳米级纤丝要求。从图2（d）、（e）和（f）中还可以看出，纤丝表面起毛、分丝帚化，这是因为次生壁中层S2上微纤丝暴露，分离出了细小纤维。

3 结 论

（1）酶处理制备杨木纸浆微/纳纤丝的影响因素按大小依次为：时间、加酶量、料液比，最佳工艺条件为：加酶量30 FPU，处理时间为36 h，料液比为1∶40。

（2）热碱处理去除酶解产物中的蛋白质，纤丝的CrI为84.2%，纤维素含量为95.26%。纤丝的CrI和含量均有所改善。

（3）采用超声波粉碎仪和高压均质仪间歇处理酶解后的微/纳纤丝，获得产物达到纳米级别，从电镜图中可看出，次生壁中层S2上微纤丝暴露，纤丝表面起毛、分丝帚化，分离出了细小纤维。纤维的直径分布在25～55 nm，宽度方向已经达到纳米级纤丝要求。

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纤维素纤维篇5

疑问1:只有蔬菜的筋里面才有纤维

纯属误解。每个植物细胞都有细胞壁,而细胞壁的主要成分就是纤维素、半纤维素和果胶,它们都属于膳食纤维。所以,只要吃植物性的食品,必然得到纤维。蔬菜筋并非蔬菜中纤维的唯一来源,没有筋的蔬菜很可能纤维含量更高。比如说,红薯(甘薯)中不含有筋,但它的纤维素含量远高于有筋的大白菜。

此外,主食当中的纤维,也不仅仅是小麦麸皮那种刺口的东西。豆类的纤维含量比粗粮还要高,而人们却并不感觉到其中含有麸皮那样的东西。小杏仁的膳食纤维含量极高,却没人吃得出任何纤维的感觉。

疑问2:把菜切碎,就会失去纤维的保健作用

并非如此。包括白菜筋在内的蔬菜纤维属于不溶性纤维,不溶性膳食纤维的健康作用在于它不能在小肠中被人体吸收,会带着少量胆固醇、脂肪和重金属离子进入大肠,同时发挥增大食物残渣体积、刺激肠道蠕动的作用。白菜的筋是否切碎,和它的保健作用毫无关系。即便吃白菜剁成的饺子馅,也一样能获得膳食纤维。

实际上,蔬菜中的纤维如果能够细小一些,对于部分人反而是有利的,比如说患有肠胃疾病的人。过硬的纤维对发炎、受损的肠胃黏膜有刺激作用。把难嚼的蔬菜切细,也更能让牙齿不好的老年人得到纤维的好处。

疑问3:纤维素会因为加热而被破坏

不会。很多人看到蔬菜烹调之后变软了,就以为其中的纤维素破坏了。其实,纤维素的化学性质非常稳定,加热到100℃是根本不可能让它破坏、分解的。

除了纤维素之外,其他膳食纤维和各种矿物质也一样能够耐受烹调加热。真正会在煮沸加热时被破坏的,只有部分维生素和部分植物化学物,油炸加热时,蛋白质和脂肪也会发生变化。

疑问4:纤维肯定有减肥作用

不一定。很多人都买过纤维片,以为每天吃几片就能瘦下来。但国外研究数据表明,纤维片并不能起到减肥药的作用。它的作用有二:一是让胃里面吸水膨胀,从而少吃一些其他食物;二是可促进肠蠕动,有助于排便。如果在多吃纤维的同时没有减少其他的食品,那么对减肥并没有明显效果。

现在市面上有很多所谓的高纤维食品,比如高纤饼干之类,一些生产商为了让纤维显得不那么刺口,会加入大量的油脂。说这类食品能帮助减肥,就很不可信了。

纤维素纤维篇6

一、清除肠道毒素。蔬菜纤维在人体内不能被吸收，但进入肠道后，能清除肠道中的细菌、病毒、肠道脱落坏死的细胞、有毒物质等,裹挟、伴随着粪便一起排出体外。蔬菜纤维还能刺激肠蠕动，促使人体保持正常的排便。

二、减肥。蔬菜纤维具有强大的亲水性，人们只要摄入少量的蔬菜纤维，就会产生饱腹感。同时蔬菜纤维还可以减少脂肪吸收，排泄胆固醇。它在肠道里大量吸附脂肪，对肥胖、高胆固醇、糠尿病、高血压等患者的治疗十分有利。

三、预防胆结石。蔬菜纤维可以增加粪便胆汁酸的排泄，减少胆汁酸的再吸收，改善食物消化并促进消化道分泌，起到有效预防胆结石的作用。

四、平稳血糖。当人们在食用食物后，食物中所含的碳水化合物经过人体内消化，最终都会变成葡萄糖。而蔬菜纤维可以延缓葡萄糖的吸收，从而消除饭后高血糖，有着平稳血糖，减轻糖尿病症状的作用。

五、增强免疫力。人的肠道内部存在着大量的微生物，也包括有利于人体健康的益生菌，它们能产生人体所必需的维生素K 等营养素，并能提高人体的免疫功能。蔬菜纤维虽然不被人体所吸收，但进到了大肠后，却能被微生物分解、利用，进而成为微生物的饵料，有效促进其生长繁殖，造福健康。

六、减少癌变率。蔬菜纤维的摄入量与乳腺癌、子宫内膜癌的发病率均呈负相关趋势。还有部分实验证明，蔬菜纤维可以降低结肠癌、直肠癌的发病率。蔬菜中含纤维素较多的有：碗豆、扁豆、芹菜、菠菜、韭菜、茭白、苦瓜、南瓜、空心菜等。

纤维素纤维篇7

诺维信中国总裁柯铭在会上表示：“诺纤力・赛力二代是目前全球开发出的成本最低的纤维素乙醇商业化生产技术，商业化设施的逐步建设，将为纤维素乙醇的工艺优化以及酵母活性和适应性提供进一步提升的空间，从而使纤维素乙醇的生产成本进一步降低。”

当代面临的最大的挑战之一就是缺乏可再生且持续的燃料，而生物燃料技术则是目前唯一可用的能够替代石油燃料的技术。近十年来，生物燃料工业界的研究热点一直集中在开发出一种商业上可行的由木质纤维素制造的纤维素乙醇。继上世纪90年代将第一代以粮食为原料的生物乙醇技术带入中国后，诺维信一直致力于第二代纤维素乙醇的技术研究。

与传统汽油相比，纤维素乙醇能够减少二氧化碳排放量达90%。作为发酵法生产纤维素乙醇的一种关键成份，酶制剂可被用来降解生物质中的纤维素，经过预处理和酶解糖化过程发酵生产出乙醇，再以一定的掺混比添加到汽油中成为乙醇汽油。

会上，诺维信亚太区生物燃料市场经理封雯瑞介绍了诺纤力赛力二代的领先性能，它内含独特的蛋白质复合体，能促进酶性能的发挥并可减少用于将纤维素转换为可发酵糖类的酶使用剂量，从而有效地加快转化过程并增加乙醇的产量。“二代酶的添加量与第一代相比可以降低一半以上，并可在更高总固形物含量下实现良好的转化率，有助于生产商减少固定资产投入”。

纤维素纤维篇8

1 Lyocell的主要发展历程及国外生产现状

自1980年荷兰Akzo（阿克苏）公司取得Lyocell纤维的生产工艺和产品专利之后，英国Courtaulds（考陶尔兹）公司和奥地利的Lenzing（兰精）公司分别于1992年和1997年实现了纤维的工业化生产。其中，兰精公司于1997年建成的产能为1.2万t/a的Lyocell短纤生产线在奥地利Heiligenkreuz投产，纤维商品名为“Lenzing Lyocell ”；1999年与Akzo Nobel（阿克苏・诺贝尔）公司合作，在德国Obernburg地区建立了一个产能为5 000 t/a的Lyocell长丝工厂，纤维商品名为“Newcell ”；2000年、2004年，兰精公司相继投资的Lyocell生产线正式投入运营，其在Heiligenkreuz的总产能达 4 万t/a；同年，兰精收购Tencel集团公司，自此拥有12万t/a的总产能；从2005年3月起，兰精公司决定将商品名“Tencel ”用于旗下所有的Lyocell短纤维。2008年，其位于Heiligenkreuz工厂的第 2 条生产线投产，自此，其Lyocell纤维的全球总产能达到13万t/a。2012年之后，又新建了单产6.7万t/a的生产线。发展至今，兰精集团已成为全球最大的Lyocell纤维生产商。

此外，1998年德国Rudolstadt地区的TITK Lyocell纤维投产，以短纤为主，商品名为“Alceru ”；韩国Hanil开发的Lyocell纤维商品名为“Acell ”，以短纤为主，产能为 2 万t/a；印度Birla（博拉）公司产能为0.5万t/a；俄罗斯制造的Lyocell纤维商品名为“Orcel ”；日本也有小批量生产。

2 我国Lyocell的发展现状

我国从20世纪90年代初期开始对Lyocell的纺丝工艺技术进行探索试验，走在前列的是成都科技大学和宜宾化纤厂，前期两者联合攻关探索工艺条件，并获得阶段性成果；1994年，东华大学对Lyocell纤维进行研究，并建成100 t/a的小试生产线；1999年，四川大学对NMMO的合成及回收进行了系统研究，并建立了50 t/a的NMMO小规模生产装置；上海里奥化纤有限责任公司引进德国LIST公司技术，并于2006年底实现了1 000 t/a的生产线正式投产。

自2005年开始，中国纺织科学研究院就启动了新溶剂法纤维素纤维国产化工程技术的研究开发工作，并于2006年和2007年分别完成了 5 L和100 L间歇溶解纺丝工艺的研究开发，以及连续浸渍混合溶解设备的设计和制造；2008年打通了送料-预溶-薄膜蒸发-纺丝全连续化流程，制备出了合格的新溶剂法纤维素纤维。2012年9月，中国纺织科学研究院和新乡化纤股份有限公司共同承担的“千吨级Lyocell纤维产业化成套技术的研究和开发”项目通过科技成果鉴定；2015年，中国纺织科学研究院、新乡化纤股份有限公司、甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司共同投资设立“中纺新乡绿色纤维科技股份有限公司”，拟建规模年产3 万t，目前一期1.5万t/a的国产Lyocell纤维生产线正在建设中，预计2016年底投产。

河北保定天鹅新型纤维制造有限公司Lyocell项目生产线一期1.5万t/a的生产线于2014年正式开工生产；2016年1月，其承担的“新溶剂法再生纤维素纤维产业化技术”项目通过科技成果鉴定。该项目开发了相关的配套工艺技术，据称可实现浆粕的高效溶解，有效控制纤维素降解和NMMO分解，并制备出了可纺性优良的纺丝原液，研发了一种新型的复合无醛交联剂及其处理技术，可生产抗原纤化的交联型Lyocell纤维。

山东英利实业公司的Lyocell纤维项目一期规划 3 万t/ a，其中1.5万t/a的生产线于2015年4月生产，目前已经实现连续生产，并通过科技成果鉴定。据介绍，该项目在新溶剂法纤维素纤维的工艺技术、装备制造、产品开发等方面进行了系统创新，工艺技术路线合理、可靠，产品质量优良。

3 我国Lyocell纤维生产面临的问题

目前国内虽有两条年产1.5万t的Lyocell纤维生产线实现了顺利开车生产，但在规模、成本等方面与国外先进水平存在一定的差距。当前问题主要集中在知识产权、运行成本、品牌建设、技术装备等方面。

3.1 核心技术及知识产权问题

自1980年被研发成功后，国外企业就一直掌控着Lyocell纤维的核心技术和专利。目前，兰精公司拥有的1 400个专利中绝大多数是关于Lyocell纤维，其中在63个国家获得了授权专利248个。并且利用品牌优势形成了供应链协同发展，具有强大的技术支撑和稳固的市场支撑。

我国对这一领域的研究起步较晚，近几年虽有发展，但核心技术仍受控于人。企业缺乏成熟的技术和稳定运转的经验；关键设备制造难度大，生产工艺尚需优化，如浆粕预处理流程工艺优化、活化反应器国产化、高效薄膜蒸发器国产化、纺丝机的工艺设计和调整、后处理系统的开发等；溶剂回收技术与国外尚有差距，大幅提高了运行成本。

3.2 单线产能低，配套条件弱，运行成本高

目前我国Lyocell相关的研究和生产企业尚未摸索出成熟的生产技术，相关项目的设计、建设及大规模生产经验不足，且生产人员专业性不够；目前国内的单线产能仅为1.5万t/a，而国外已经达到了6.5万t/a；从规模化生产角度来看，Lyocell纤维在我国的规模化生产还存在配套工程缺乏的问题，包括纤维专用浆粕、NMMO溶剂的开发等。

3.3 应用推广能力与品牌意识不强

目前我国Lyocell纤维企业的产品应用推广能力较弱，尚未形成产业链合作创新的模式；企业的品牌意识不强，对终端消费的引导和服务能力较弱。

4 我国Lyocell纤维的发展方向

Lyocell纤维性能优良，但由于目前产量有限，其应用主要集中在中高端纺织品领域，但随着相关生产技术的应用推广，国产化进程的推进，政府政策的大力支持，其将会逐步替代部分传统工艺生产的粘胶纤维，推进国内绿色纺织的进程。

差别化和功能性产品成为Lycoell纤维领域的研究热点。如：细旦Lyocell纤维、异形Lyocell纤维可用于针织内衣与女士外衣面料；高吸水保水Lyocell纤维主要用于面膜；高强低伸Lyocell纤维主要用于综合指标佳、高性能的轮胎帘子线等。此外还有混入季铵盐、铜系、银系抗菌粉体制备的抗菌纤维，将玉石、珍珠粉与纤维共混制成的凉感纤维，引入光敏基团制备的发光纤维素纤维，以及具有生物相容性的纤维素/碳纳米管生物复合增强纤维材料等。

目前，复合功能性纤维是一个新的发展方向，如阻燃纤维除具有阻燃功能外，还兼有抗静电、抗起球、抗菌和防霉等功能。

5 对行业发展的建议

通过分析可知，我国Lyocell纤维的发展仍面临着诸多问题和挑战，为此提出如下政策建议与措施。

（1）Lyocell纤维工程技术难度大，其发展必须依靠自主研发与创新，需要通过国家政策引导，积极推出相关补贴政策，并且制定中长期规划，防止盲目无序上新项目。

（2）建立Lyocell纤维研发平台，以企业为主体，产学研用结合，准确凝练关键科学、技术和设备问题，组织不同学科的专家开展系统攻关，提高单线生产能力，降低生产成本。例如企业可与高校建立Lyocell研发中心，以提供基础理论支撑，优化流程、工艺、关键设备、产品性能等，建立微观结构与性能表征方法，探索新技术、新方法、新设备在Lyocell工程中的应用。

（3）建立Lyocell纤维生产服务平台，设置下游用户试点，针对下游用户建议加以改进，提高应用推广能力；加强品牌推广能力，明确产品和品牌发展方向，注重营销组合策略；注重新产品研发，如抗菌、阻燃、抗静电、面膜用、滤布用等新产品。

（4）建立Lyocell纤维国产化技术和设备的研究基地，针对关键设备和工艺进行优化，如浆粕预处理系统、活化反应器、纺丝系统、后处理系统和溶剂回收系统（高效蒸发器）；建立Lyocell纤维人才培养计划，培养工程技术人才和一线操作人员；建立与我国自行研制工艺相配套的浆粕及其他辅助原料的专业生产厂。

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纤维素纤维篇9

关键词：纤维素;预处理

1.纤维素概述

纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子化合物，是取之不尽用之不竭的人类最宝贵的可再生资源。纤维素工业始于十八世纪中叶，是高分子化学诞生及发展时期的主要研究对象，纤维素及其衍生物的研究成果为高分子物理和化学学科的创立、发展和丰富做出了重大贡献。

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。

纤维素是地球上最丰富的资源 ，长期以来 ，一直是纺织、造纸工业的主要原料。纤维素以其可再生性、生物可降解性及成本优势日益受到人们的重视，在新材料、化工原料、医药、食品、环境等领域对纤维素应用的研究十分活跃。继微晶纤维素后，近年来国际上对粉末纤维素的研究崭露头角，在药物控制技术、膜材料、功能化学品及添加剂等方面已显示出良好的发展前景。

2.纤维素的性质

2.1 纤维素的溶解性

由于纤维素分子之间存在氢键，因此，常温下纤维素性质比较稳定，既不溶于水和稀碱溶液，也不溶于一般的有机溶剂，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。

2.2 纤维素的水解

在一定条件下，纤维素可以与水发生反应。反应时氧桥断裂，同时水分子加入，纤维素由长链分子变成短链分子，直至氧桥全部断裂，变成葡萄糖。

2.3 纤维素的氧化

纤维素与氧化剂发生化学反应，生成一系列与原来纤维素结构不同的物质，这样的反应过程，称为纤维素氧化。

2.4 纤维素的柔顺性

纤维素柔顺性很差，是刚性的，因为：第一，纤维素分子有极性，分子链之间相互作用力很强;第二，纤维素中的六元吡喃环结构致使内旋转困难;第三，纤维素分子内和分子间都能形成氢键特别是分子内氢键致使糖苷键不能旋转从而使其刚性大大增加。

3.纤维素预处理

3.1 纤维素物理预处理方法

常规的物理活化方法包括干法或湿法磨、蒸汽爆炸、氨爆炸、溶剂交换或者浸润等。

利用磨盘对硬木纤维素进行预处理。磨盘机械预处理硬木纤维素效率大大提高，磨40次后平均粒径减小到21μm，比表面积增加至0.8 m2/g。机械球磨也导致氢键断裂和结晶度降低。磨40次纤维素的结晶度从原来的65%降低至22%。热分析和溶解性实验说明，磨盘预处理的纤维素具有较低的热稳定性和碱溶液中较高的溶解度。微晶纤维素在200～315℃的亚临界水短时间接触处理（3.4～6.2s）下，结晶度有所提高，低温处理（≤275 ℃）的微晶纤维素转化成水溶性的量很低（

3.2 纤维素化学预处理方法

纤维素化学预处理最常见的是碱法处理，也称墨塞丝光处理法。碱处理后，纤维素束可变小，纤维直径减小，长宽比增大，形成粗糙表面，从而提高纤维素表面黏结性能和力学性能。此外，碱处理的纤维素增加了反应位点，提高了溶胀性能。有研究发现，10%～30%的NaOH 溶液处理天然纤维素效果最好。用2.5%、5%、10%、13%、15%、18%、20%、25%和 30%的 NaOH溶液浸泡亚麻纤维得出5%、18%、10%浓度的NaOH溶液浓度合适。用5%的NaOH溶液在30℃下分别处理黄麻纤维0、2h、4h、6h、8h，然后室温干燥48h，再100℃干燥6h。对温度的影响一般认为：纤维素的碱化为放热反应，随温度提高，纤维素润胀程度下降，碱纤维的反应活性降低。因此，碱处理一般在较低温度下进行（如20℃）进行为宜。从多位研究者对纤维素碱处理的报道中得出，该方法使无定形纤维素增加的同时，结晶纤维素及纤维网络结构中氢键减少。用水泡、墨塞丝光法、初级墨塞丝光法、15 bar（1 bar=105 Pa）压力下墨塞丝光法、蒸汽爆炸法处理不同植物纤维，初级墨塞丝光法处理之后，纤维素特性黏度、平均氢强度和相对显色指数下降，改进了亲和性和反应性。水浸泡、初级墨塞丝光、压力下的墨塞丝光和蒸汽爆炸法增加了蕉麻纤维的亲和性和反应性。这些预处理对不同的一年生植物纤维素影响不同，表明物种是主要的影响因素。

为了提高拉伸性能，用不同辐射强度的紫外线和伽玛射线处理纤维素以及在不同强度的紫外线和伽玛射线下用碱（5%NaOH）处理纤维素，然后在紫外辐射下接枝30%的丙烯酰胺。各种处理方法中，碱+紫外线照射的样品力学性能（抗张强度200%，断裂伸长率250%）最好。也可用其它化学试剂对其进行适当的预处理。如用氯化锌处理纤维素，可提高纤维素酶水解的速率和产率及纤维素的接枝率。甲胺、乙胺等胺类试剂对棉纤维素有消晶作用，同时可提高纤维素酯化反应的反应活性等。

纤维素纤维篇10

关键词：纤维素酶；奶牛营养；应用

中图分类号：S816.7 文献标识码：B 文章编号：1007-273X（2013）07-0067-04

反刍动物特殊的消化系统，决定其可以利用大量的粗饲料，通过瘤胃发酵可提供大约70%～80%的能量需要。纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。为充分利用纤维素资源，目前许多国家已利用微生物发酵法生产纤维素酶来降解纤维素，在技术研究开发方面已初见成效。

纤维素酶是指能催化纤维素水解成较小的寡糖或者低聚糖的一种酶，它通过破坏纤维素内部的糖苷键而起作用，主要由各种细菌和真菌等产生。纤维素酶具有高效性和安全性，是当前开发非常规饲料及提高现有常规饲料资源利用率和提高畜禽生产性能的重要途径之一。

中国是一个农业大国，纤维废弃物数量巨大。据统计，我国每年有农作物秸秆9亿～13亿t，甘蔗渣400多万t，森林采伐加工纤维剩余物1 000多万t[1]。对于反刍动物，粗饲料的有效供给十分重要，虽然只有约50%的纤维素能被其很好地消化利用，但它依然是反刍动物能量的主要来源[2]。开发和利用纤维素作为饲料来源，对解决我国饲料资源紧张具有重大现实意义，也是促进我国畜牧业可持续发展的有效途径。因此，饲用纤维素酶将在未来的动物生产中具有不可低估的作用。

1 粗纤维对反刍动物的作用及提高粗纤维利用率的措施

1.1 粗纤维对反刍动物的作用

粗纤维是反刍动物的一种必需营养素，对维持动物胃肠道的健康起着重要作用。其主要功能有：提供能量；控制采食量；维持瘤胃正常生理功能；促进胃肠道的消化吸收；维持乳脂率和产奶量。但是粗饲料也存在自身固有的营养缺陷，容积大、适口性差、采食量低、粗蛋白含量低，总能高但消化能低等。虽然随着作物育种和先进栽培技术的发展，粗饲料在家畜体内的消化率有所提高，但低消化率依然是限制反刍动物能量摄入的主要因素[3]。

1.2 提高粗纤维利用率的措施

提高粗饲料利用价值的关键在于破坏植物细胞壁，弱化或破坏木质素与纤维素或半纤维素之间的酯键，促进纤维素和半纤维素在瘤胃内的发酵，软化粗饲料，提高其适口性。

对粗纤维行之有效的加工方法主要有物理、化学和生物学方法。物理方法是将粗饲料切短及粉碎，破坏纤维素的结构，增加其与消化液的接触面积。该方法在提高粗饲料适口性与采食量方面有一定作用，但对提高粗饲料的营养价值作用不大。化学方法是利用化学试剂对粗饲料进行处理，使其内部化学结构发生改变，更易被瘤胃微生物所消化，主要方法有碱化法和氨化法。生物学方法主要是利用酶制剂-复合纤维素酶对粗纤维进行处理，该方法有用量小、可明显提高饲料利用率、安全系数高、使用方法简便等优点，具有广阔的应用前景。

2 纤维素酶的分类及作用

2.1 饲用纤维素酶的分类

纤维素酶的种类很多，根据功能的差异分为3类，即内切纤维素酶、外切纤维素酶、β-葡萄糖苷酶[4]。①内切纤维素酶（又称内切-β-1，4-葡聚糖酶，羧甲基纤维素酶）。主要作用：在纤维素酶分子内部随机断裂β-1，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量小分子纤维素，如纤维素糊精、纤维二糖及葡萄糖；②外切纤维素酶（又称外切-β-1，4-葡聚糖酶、微晶纤维素酶或纤维二糖水解酶）。主要作用：可将短链的非还原性末端纤维二糖残基逐个切下。③β-葡萄糖苷酶。主要作用：可将纤维二糖及其他低分子纤维糊精水解成葡萄糖或芳基残基。

实际上在分解晶体纤维素时任何一种酶都不能单独裂解晶体纤维素，只有这3类酶共同存在、协同作用方能完成水解过程。

2.2 饲用纤维素酶的作用

反刍动物瘤胃内微生物自身能够合成一定量的纤维素酶，使粗饲料的消化吸收受到一定程度的限制。有研究证实，外源酶在瘤胃和十二指肠内都具有稳定的活性[5]。外源性纤维素酶可以提高纤维素在瘤胃内的消化率，增加可利用能量的摄入[3]。使用酶制剂可以：①打破细胞壁。纤维素是植物体内的重要结构性多糖，是细胞壁的主要组成成分。细胞壁阻碍畜禽体内消化酶与细胞内营养物质的接触，纤维素酶与半纤维素酶、果胶酶等协同作用，可破坏植物的细胞壁，使细胞内营养物质外泄，从而被淀粉酶和蛋白酶等内源酶进一步降解，所以除了细胞壁被降解供能外，还提高了胞内物质的消化率，从而有效地提高了饲料的有效能值。②补充内源酶不足。反刍动物体内虽有一定量的分解纤维素的微生物存在，但其产生的纤维素酶有限。添加纤维素酶可补充内源酶的不足，提高动物对粗纤维的利用率。③消除抗营养因子。日粮中添加纤维素酶后，在半纤维素酶、果胶酶等共同作用下，可将植物性饲料中的纤维素、半纤维素、果胶等大分子物质降解为单糖和寡糖，从而加速内源酶的扩散，增大酶与营养物质的接触面积，提高营养物质的消化率。

3 纤维素酶在奶牛营养与饲料中的作用

早期，在生产中对反刍动物添加外源性酶制剂的做法并不被人们认可，认为酶蛋白会被瘤胃内的蛋白酶所降解[6]。而后来许多学者的研究结果则反驳了这样的说法。Fontes等[7]报道某木聚糖酶在瘤胃液中非常的稳定。另外，Hristov等[8]报道纤维素酶直接加入瘤胃依然能保持部分活力。

3.1 纤维素酶在奶牛精料中的应用

Yang等[9]报道，在奶牛泌乳早期的精料中添加纤维素酶和木聚糖酶后其干物质、有机物、粗蛋白质的消化率由63.9%、64.7%、62.7%提高到66.6%、68.4%、67.0%。日产奶量也由35.3 kg提高到37.4 kg（提高了6%）。Hristov等[8]报道在日粮中添加纤维素酶和木聚糖酶，可提高可溶性糖的含量（P

3.2 纤维素酶在青贮饲料中的应用

青贮饲料在我国已成为奶牛日粮中不可缺少的常规组成部分，也是反刍动物日粮中采食量最大的一类饲料。在青贮饲料调制过程中，添加纤维素酶制剂可以加快青贮发酵进程，改善青贮饲料品质，降低青贮饲料中NDF的含量，提高青贮饲料利用率和奶牛生产性能。

Eun等[11]在以青贮玉米和苜蓿干草为主的饲料中使用纤维素酶和木聚糖酶（1.4 mg/g干物质）饲喂奶牛，青贮玉米和苜蓿干草NDF的降解度分别提高到60.3%和20.6%。Kung等[12]在饲草中喷洒纤维素酶和木聚糖酶可以显著提高反刍动物瘤胃内挥发性脂肪酸产量，这与Wallace等[13]的结果相一致。Stokes 等[14]报道在奶牛粗饲料中喷洒纤维素酶可以使干物质采食量提高10.7%，产奶量提高14.7%。Schingoethe等[15]的试验结果表明当奶牛饲喂纤维素酶和木聚糖酶处理后的玉米和苜蓿混合青贮时2～4周后其产奶量提高10.8%，但对泌乳中期奶牛的产奶量影响较小，饲喂加酶青贮和低精粗比（45︰55）日粮的奶牛生产性能和饲喂未加酶青贮和高精粗比日粮（55︰45）相比无显著差异。

4 不同饲料条件和奶牛泌乳阶段对纤维素酶利用效果的影响

4.1 不同饲料条件对纤维素酶利用效果的影响

酶制剂的不同的饲料条件，如添加在干燥的饲草、新鲜的饲草、青贮饲料中[16，17]或者纤维素酶直接灌注瘤胃、添加在全混合日粮或者精料部分[18，19]添加效果并不相同。还有研究者表明纤维素酶添加在干燥的饲料中比相对湿润的饲料中利用效果更好[16，17]。Rode等[20]和Yang等[10]都报道在精料和干草中添加液体纤维素酶均可提高产奶量，但是在TMR中效果并不明显。Beauchemin等[16]研究提出，干燥的饲料中添加酶制剂可以增强酶与饲料中酶底物的结合力，使酶抵抗瘤胃内蛋白酶水解力增强，从而延长酶在瘤胃内的停留时间。Morgavi等[21]也提出向干燥的饲料喷洒纤维素酶，外源酶和瘤胃微生物酶产生协同作用，可提高粗纤维在瘤胃中的消化率。在瘤胃中，瘤胃微生物与饲料颗粒相结合，各种消化酶作用于各自的酶底物。但在青贮饲料或者TMR等含水量较大的饲料中添加酶制剂，酶与饲料结合不紧密而易被溶入瘤胃液中，并在酶制剂发挥作用之前就随瘤胃液通过瘤胃。因此酶制剂并不能充分发挥其作用[9]。在奶牛精饲料中添加纤维素酶可提高干物质消化率，增加产奶量。但干物质采食量并没有明显增加。而在TMR日粮中添加纤维素酶虽然可以提高饲料有机物和蛋白质消化率，但是对产奶量提高效果并不明显[9]，这与Beauchemin等[16]报道相一致。

4.2 奶牛不同泌乳阶段对纤维素酶利用效果的影响

Schingoethe等[15]报道对泌乳初期奶牛饲喂纤维素酶处理过的饲草效果较好，而对泌乳中、后期奶牛效果并不明显。Nussio等[22]同样发现纤维素酶对泌乳初期奶牛产奶量有较大的提高。日粮中添加纤维素酶可以提高粗纤维的消化率，增加消化能的摄入，可以减弱能量负平衡对泌乳早期奶牛的影响，增加产奶量[17]。

5 纤维素酶应用中存在的问题

纤维素酶作为一种新型饲料添加剂，已显示出良好的应用前景。但还是存在以下问题：①缺乏基础理论研究。对于饲用纤维素酶的应用研究很多，基础理论研究却很少有人问津。纤维素酶与基础日粮及其他酶类的互作关系、在消化道内的作用模式、对于生理及内分泌的影响等尚需进一步研究。②添加量问题。外源纤维素酶可以提高瘤胃对粗纤维的消化率，其中酶的用量和活性是关键因素[11]。虽然国内外有关纤维素酶应用的研究报道很多，但添加水平和结论并不一致。对于不同酶活性的产品、不同动物种类、不同生理阶段以及不同饲料品种的适宜添加量尚未明确。③纤维素酶的使用与动物消化生理条件相适应的问题。饲喂纤维素酶对于不同种类、不同发育阶段动物消化酶系的变化及纤维素酶添加后对内源酶活力影响的研究尚不够深入，难以合理地根据动物内源酶状况补充各种纤维素复合酶制剂，以改善纤维素酶单独使用效果不佳的状况。Eun等[11]报道大部分外源纤维素酶都含有纤维素酶和木聚糖酶，但是两种酶之间的比例以及酶制剂对不同的饲草发挥作用的最适条件都还不明确。④稳定性问题。纤维素酶是一种微生物制剂。对温度、湿度、酸、碱等敏感，处理不当易失活，导致饲用效果不稳定。⑤纤维素酶作为新型饲料添加剂进入我国市场时间不长，所以纤维素酶的质量标准、检验方法标准特别是添加纤维素酶以后的饲料产品质量标准在我国还是空白。因此，建立一种检测饲用纤维素酶活性的标准方法，是饲料工业发展的迫切需求。

6 小结

纤维素酶作为新型饲料添加剂进入我国市场时间不长，近年来的研究结果也表明在奶牛饲料中无论以何种形式添加纤维素酶均可提高饲料利用率，改善粗饲料的营养价值，提高生产性能，降低饲料成本，这是对传统的反刍动物营养理论的一种突破。因此纤维素酶具有广阔的开发应用前景。随着现代生物技术的飞速发展，随着纤维素酶的检测方法、作用机制、酶系组成、耐热性、作用温度、pH和抗蛋白酶水解能力等方面的深入研究，纤维素酶在未来的动物生产中将会起到不可低估的作用。

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