酶法去除棉织物上残留棉籽壳的基础研究

摘要

近年来，酶在纺织工业中的应用迅速发展起来。与化学试剂相比，酶反应要求低温，棉布清洗水用量降低，环境污染也相应较低。诸如纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶在棉纤维上的应用目前已经普及。目前，纺织染整行业最大困难还是预处理中棉籽壳杂质的去除。棉籽壳结构的复杂性和成分的多样性使得在传统的化学处理过程中棉籽壳的去除需要浓度更高的化学试剂、更长的蒸浴时间和更高的处理温度。
　　 本文对棉籽壳的结构和成分做了细致的鉴定，同时对主要成分——半纤维素的结构做了深入的研究。为了更好的了解棉籽壳的酶法去除，关于棉籽壳对木聚糖酶的吸附机理也做了相关研究。最后，初步实验了半纤维素的木聚糖酶水解和棉籽壳的纤维素水解，并做了优化实验。
　　 本文首先针对棉籽壳的结构做了切片分析。切片染色实验表明棉籽壳存在七层构象和成分均不一致的细胞层。实验表明，棉纤维上残留的仅是天然棉籽壳的2～3层的细胞。这部分细胞排列紧密，形态相对较小。
　　 棉籽壳的主要成分经过抽提分离实验表明，半纤维素(36.5％)、木质素(30.3％)和纤维素(23.1％)是主要成分。12种半纤维素经不同浓度的NaOH溶液在25℃抽提12h分离收集，发现水溶性和水不溶性的半纤维素质量百分比含量相当。经GC、GPC、FT-IR和NMR检测，棉籽壳中的半纤维素多为低分支的β-(1，4)-木聚糖和部分的4-O-甲基-葡木聚糖。相对来讲，水不溶性的半纤维素的直链性及稳定性都比水溶性的要高。而且，棉籽壳中的半纤维素的分子量相对较高（最高高达1453000gmol-1）。
　　 对于棉籽壳的酶解过程，研究其对酶的吸附动力学、吸附平衡及吸附热力学是非常有帮助的。本文研究了在283，298，310K三个温度下棉籽壳对木聚糖酶的吸附作用。实验数据经吸附方程，动力学方程和内部扩散方程模拟，同时也做了热力学分析。动力学方程模拟结果显示棉籽壳对木聚糖酶的吸附符合二级动力学方程。同时，Freundlich方程和D-R方程的吸附模拟效果也不错。热力学分析表明，该吸附过程的△G0，△H0和△S0分别为-3.17kJmol-1(298K)，-6.29kJmo1-1，-10.73Jmol-1K-1。负的焓变值表示该吸附是放热的，负的吉布斯自由能说明吸附可自发进行。
　　 此外，本文还进行了酶水解的初步实验。首先对棉籽壳的主要成分半纤维素用木聚糖酶进行了水解研究。实验表明，最佳的水解条件是60℃，pH为5.5，反应80min。当木聚糖酶与半纤维素固体的比值为0.24mlmg-1时，可以达到57.5％的降解率。大部分的金属离子（除了0.5mmolL-1的K+）对酶的水解起到了抑制作用，而螯合剂EDTA的作用效果很复杂。
　　 而棉籽壳本身当使用纤维素酶时的降解率可以高达80％（水解条件为30℃，pH为6.0，80min），此时固液比为0.075mlmg-1。正交试验表明，对于棉籽壳的纤维素酶水解，各实验条件的影响程度大小如下:温度＜反应时间＜pH＜固液比。上述基础研究为预处理中棉织物上残留棉籽壳的酶法去除做了理论铺垫。

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摘要

第一章 绪论

1．1 棉织物前处理简介

1．1．1 棉织物前处理在染整加工中的地位

1．1．2 退浆

1．1．3 煮练

1．1．4 漂白

1．1．5 棉织物练漂工艺简介

1．2 棉织物上残留棉籽壳的去除

1．2．1 棉籽壳结构简介

1．2．2 现阶段印染厂棉织物上残留棉籽壳的去除方法

1．2．3 绿色化学的要求

1．2．4 生物酶的环境友好性

1．2．5 生物酶法去除棉织物上残留棉籽壳的研究现状

1．2．6 生物酶法去除棉织物上残留棉籽壳存在的问题

1．3 论文的选题及主要研究思路

1．3．1 棉籽壳的结构组成分析

1．3．2 酶法去除棉织物上残留棉籽壳的初步研究

第二章 棉籽壳的结构层次研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料

2．2．2 实验设备

2．2．3 棉籽壳制备

2．2．4 切片方法

2．2．5 染色

2．2．6 显微镜观察

2．3 结果与讨论

2．3．1 棉籽壳七层细胞结构形态

2．3．2 天然与棉织物上残留的棉籽壳中不同成分的不同分布

2．4 小结

第三章 棉籽壳组成成分研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料

3．2．2 实验设备

3．2．3 棉籽壳预处理

3．2．4 棉籽壳中有机质的抽提

3．2．5 棉籽壳中果胶的抽提

3．2．6 亚氯酸钠法制综纤维

3．2．7 棉籽壳中半纤维素的分级抽提

3．3 结果与讨论

3．4 小结

第四章 棉籽壳中半纤维素的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料与试剂

4．2．2 主要仪器

4．2．3 棉籽壳中半纤维素的分级抽提分离

4．2．4 半纤维素单糖种类的鉴定

4．2．5 半纤维素的糖链结构分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 棉籽壳中不同浓度NaOH抽提所得半纤维素含量

4．3．2 半纤维素单糖种类分析

4．3．3 半纤维素的糖链结构分析

4．4 小结

第五章 木聚糖酶在棉籽壳表面的吸附研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 材料

5．2．2 实验设备

5．2．3 实验方法

5．2．4 考马斯亮蓝法测蛋白质含量及标准曲线制作

5．2．5 棉籽壳吸附木聚糖酶的吸附机理研究

5．3 结果与讨论

5．3．1 吸附等温线

5．3．2 吸附动力学

5．3．3 吸附热力学

5．4 小结

第六章 棉籽壳酶水解的初步研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 材料

6．2．2 实验设备

6．2．3 实验方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 棉籽壳半纤维素的酶水解

6．3．2 棉籽壳的纤维素酶水解

6．4 小结

第七章 总结及展望

参考文献

硕士期间发表和投稿论文及专利申请

致谢