一种桑皮纤维的制备方法

技术领域

本发明属于纤维制备技术领域，涉及一种桑皮纤维的制备方法。

背景技术

桑树在世界范围内分布极其广泛，我国是桑树植物资源的起源地和分布中心，浙江、广东、江苏、四川、山东是我国五大蚕桑基地。以石油和天然气资源为基础的化学纤维工业日渐发展，这不仅会产生庞大而难降解的“白色污染物”，而且石油和天然气资源已经面临枯竭。随着生态、环保、绿色等概念的提出，天然环保的绿色纤维及其制品越来越受到人们的青睐。桑皮纤维属天然纤维素纤维，主要化学成分是纤维素，其性能独特、原料可再生、废弃后可自然降解，对环境无毒无害。近年来，纤维素膜在果汁过滤、保鲜膜、传感器等领域已有研究(Liu L,Li S,Zhao C,et al.Carbonized sunflower core based strainsensor for monitoring human motion[J].Polymer Engineering&Science,2022,62(4):1061-1069.)。将废弃的桑枝回收利用，开发微米级的桑皮纤维，其在水溶液分散烘干形成的纤维素膜抗菌性、可降解、吸附性好，是一种极具应用前景的新型材料，将会带来极大的经济利益和社会效益。

桑皮纤维的纤维素含量仅占到30～40％，因此，脱胶是后续开发研究的前提，目前常用的脱胶方法有化学脱胶法、生物脱胶法、联合脱胶法等。化学脱胶法效果立竿见影，但考虑到桑皮纤维果胶含量高，一般采用二煮法，这就容易造成脱胶过度损伤纤维；生物脱胶法是利用细菌的发酵作用所分泌的酶或直接用脱胶酶来分解胶质，从而使纤维逐步分离，但由于考虑脱胶效率和成本，一般不单独使用。联合脱胶法则是充分利用各种脱胶法的优势，最常用的就是生物脱胶为主，化学脱胶为辅的联合脱胶，一方面可以有效解决生物脱胶不彻底的劣势，也可以减少化学药品的使用，避免对纤维损伤和破坏环境。中国专利CN108588854 A公开了一种桑皮纤维的制备方法，所述制备方法包括除杂、脱胶和给油，所述脱胶的脱胶液通过将发酵好的复合菌群培养液、聚合氯化铝和硅藻粉按特定比混匀，调节pH到特定值制得，此发明的复合菌群制备过程复杂。中国专利CN 104032380 A公开了一种桑皮纤维的制备方法，所述制备方法包括去杂、扎把、装笼，化学预处理、超临界二氧化碳流体脱胶处理和生物酶脱胶处理、水洗、脱水、给油、梳理、烘干，其中所述的化学预处理方法包括浸酸处理和碱氧处理，此发明工艺流程长，消耗的能量和水均比较多，不适合大规模生产。以上这些脱胶方法都存在操作复杂的弊端，且添加了化学药品，会带来环境污染，不符合生态环保和谐发展的理念，因此，有必要发明一种绿色环保、操作简易的桑皮纤维制备方法。

因此，有必要研发一种桑皮纤维的制备方法来获得高品质的桑皮纤维。

发明内容

本发明目的是提供一种桑皮纤维的制备方法，解决上述问题。

本发明的技术方案是：

一种桑皮纤维的制备方法，该方法包括：

(1)除杂：将桑枝蒸煮脱皮，获得桑皮，将所述桑皮水洗后机械捶打，再用温度为75～80℃的除杂液浸泡所述桑皮3～5h；

(2)微生物发酵：将所述桑皮放至温度为26℃的复合菌群培养液中发酵28d，再水洗除去所述复合菌群培养液及部分胶质；

(3)酶脱胶：将所述桑皮放至于温度为40～45℃的脱胶液中处理3～5h，再水洗除去所述脱胶液及胶质，获得桑皮纤维；

(4)超声处理：将所述桑皮纤维放至超声溶液中处理，利用超声波的振动作用分离纤维，水洗去除残留胶质及杂质，得到微米级桑皮纤维。

进一步的，在步骤(1)中，所述除杂液由茶皂素溶解于水制成，所述除杂液的质量浓度为4～6g/L。

进一步的，在步骤(1)中，所述桑皮与所述除杂液的浴比为1g：17～20mL。

进一步的，在步骤(2)中，所述桑皮用复合菌群培养液处理时的质量浓度为24％。

进一步的，在步骤(2)中，所述复合菌群包括地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM菌，所述地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM菌的质量比为1：0.2～0.4：0.5。

进一步的，在步骤(2)中，所述地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM菌均为全水溶菌剂，活菌数≥1000亿/克。

进一步的，在步骤(3)中，所述桑皮与所述脱胶液的浴比为1g：15～20mL。

进一步的，在步骤(3)中，所述脱胶液包括碱性果胶酶、中性蛋白酶、纤维素酶和水，所述碱性果胶酶、中性蛋白酶和纤维素酶的质量浓度分别为1.2～1.5g/L、0.6～0.8g/L、0.2g/L。

进一步的，在步骤(4)中，所述超声的频率为20KHz、功率为1000～1500w、时间为135～180min。

本发明提供了一种桑皮纤维的制备方法，所获得的桑皮纤维产品脱胶率高、纤维表面光滑、直径小；制备过程全程没有用到化学药品，对纤维的损伤小，不会对环境造成污染，符合现代绿色环保的要求；纤维在水溶液分散烘干形成的纤维素膜在过滤、保鲜、传感器等领域具有潜在的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的一种桑皮纤维的制备方法在实施例1中经除杂—微生物发酵—酶脱胶—超声处理后所得桑皮纤维的扫描电镜照片(×100)。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种桑皮纤维的制备方法，包括除杂→微生物发酵→酶脱胶→超声处理。

除杂：指桑枝蒸煮脱皮→桑皮水洗后机械捶打→用75～80℃除杂液浸泡桑皮3～5h；除杂液由茶皂素溶解形成，质量浓度为4～6g/L，桑皮用除杂液浸泡，浴比为1g：17～20mL。

微生物发酵：指将除杂后的桑皮放至26℃复合菌群培养液中发酵28d，再水洗除去菌液及部分胶质；桑皮用复合菌群培养液处理时的质量浓度为24％；复合菌群包括质量比为1：0.2～0.4：0.5的地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM菌，地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM菌并非通过菌株培养分离得到，是全水溶菌剂(活菌数≥1000亿/克)。

酶脱胶：指将微生物发酵后的桑皮放至40～45℃脱胶液中处理3～5h，再水洗除去脱胶液及胶质；桑皮用脱胶溶液处理浴比为1g:15～20mL；脱胶液通过以下方法制备：脱胶溶液包括质量浓度为1.2～1.5g/L、0.6～0.8g/L、0.2g/L的碱性果胶酶、中性蛋白酶和纤维素酶。

超声处理：指将酶脱胶后的桑皮纤维放至超声溶液中处理，利用超声波的振动作用分离纤维，水洗进一步去除残留胶质及杂质得到微米级桑皮纤维；超声频率为20KHz；超声功率为1000～1500w，超声时间为135～180min。

通过上述过程获得的桑皮纤维是从桑树皮中提取的，纤维表面光滑，平均直径小；纤维在水溶液分散烘干形成的纤维膜在液体过滤、保鲜膜、传感器等领域具有潜在的应用前景。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

桑皮纤维的制备方法：

(1)除杂：桑枝蒸煮脱皮→桑皮水洗后机械捶打→用80℃除杂液浸泡桑皮3h；除杂液由茶皂素溶解形成，除杂液的质量浓度为5g/L，桑皮用除杂液浸泡，浴比为1：18；

(2)微生物发酵：将除杂后的桑皮放至26℃复合菌群培养液中发酵28d，再水洗除去菌液及部分胶质；桑皮用复合菌群培养液处理时的质量浓度为24％；复合菌群包括质量比为1：0.2：0.5的地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM菌；

(3)酶脱胶：将微生物发酵后桑皮放至40℃脱胶液中处理5h，再水洗除去脱胶液及胶质；桑皮用脱胶溶液处理浴比为1：15；脱胶溶液包括质量浓度为1.2g/L、0.7g/L、0.2g/L的碱性果胶酶、中性蛋白酶和纤维素酶；

(4)超声处理：将酶脱胶后的桑皮纤维放至超声溶液中处理，利用超声波的振动作用将纤维分离，水洗进一步去除残留胶质及杂质得到微米级桑皮纤维；超声频率为20KHz；超声功率为1000w，超声时间为180min，最终获得的桑皮纤维平均直径：(7.11±1.89)μm。

请参阅图1，图1为本发明所述的一种桑皮纤维的制备方法在实施例1中经除杂—微生物发酵—酶脱胶—超声处理后所得桑皮纤维的扫描电镜照片(×100)。如图1所示，桑皮经微生物发酵、酶脱胶和超声处理后提取的桑皮纤维直径小，表面的光滑程度好。这主要是由于桑皮经微生物发酵和酶脱胶后提取的纤维再进行超声作用，利用超声波在传播过程中引起分子的振动运动，空化效应下分子间的距离因振动增加其平均距离，分子间的作用力下降，纤维从表面分离并进一步脱落得到表面光滑、直径达微纳米级的桑皮纤维。

实施例2

桑皮纤维的制备方法：

(1)除杂：桑枝蒸煮脱皮→桑皮水洗后机械捶打→用75℃除杂液浸泡桑皮5h；除杂液由茶皂素溶解形成，除杂液的质量浓度为5g/L，桑皮用除杂液浸泡，浴比为1：20；

(2)微生物发酵：将除杂后的桑皮放至26℃复合菌群培养液中发酵28d，再水洗除去菌液及部分胶质；桑皮用复合菌群培养液处理时的质量浓度为24％；复合菌群包括质量比为1：0.3：0.5的地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM菌；

(3)酶脱胶：将微生物发酵后桑皮放至45℃脱胶液中处理3h，再水洗除去脱胶液及胶质；桑皮用脱胶溶液处理浴比为1：18；脱胶溶液包括质量浓度为1.3g/L、0.6g/L、0.2g/L的碱性果胶酶、中性蛋白酶和纤维素酶；

(4)超声处理：将生物脱胶后的桑皮纤维放至超声溶液中处理，利用超声波的振动作用分离纤维，水洗进一步去除残留胶质及杂质得到微米级桑皮纤维；超声频率为20KHz；超声功率为1200w，超声时间为180min，最终获得的桑皮纤维平均直径：(7.04±2.30)μm。

实施例3

桑皮纤维的制备方法：

(1)除杂：与实施例1相同；

(2)微生物发酵：与实施例1相同；

(3)酶脱胶：将微生物发酵后桑皮放至45℃脱胶液中处理3h，再水洗除去脱胶液及胶质；桑皮用脱胶溶液处理浴比为1：20；脱胶溶液包括质量浓度为1.4g/L、0.6g/L、0.2g/L的碱性果胶酶、中性蛋白酶和纤维素酶；

(4)超声处理：将生物脱胶后的桑皮纤维放至超声溶液中处理，利用超声波的振动作用分离纤维，水洗进一步去除残留胶质及杂质得到微米级桑皮纤维；超声频率为20KHz；超声功率为1500w，超声时间为180min，最终获得的桑皮纤维平均直径：(6.64±3.10)μm。

实施例4

桑皮纤维的制备方法：

(1)除杂：桑枝蒸煮脱皮→桑皮水洗后机械捶打→用80℃除杂液浸泡桑皮4h；除杂液由茶皂素溶解形成，除杂液的质量浓度为5g/L，桑皮用除杂液浸泡，浴比为1：20；

(2)微生物发酵：将除杂后的桑皮放至26℃复合菌群培养液中发酵28d，再水洗除去菌液及部分胶质；桑皮用复合菌群培养液处理时的质量浓度为24％；复合菌群包括质量比为1：0.4：0.5的地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM菌；

(3)酶脱胶：与实施例1相同；

(4)超声处理：将生物脱胶后的桑皮纤维放至超声溶液中处理，利用超声波的振动作用分离纤维，水洗进一步去除残留胶质及杂质得到微米级桑皮纤维；超声频率为20KHz；超声功率为1500w，超声时间为135min，最终获得的桑皮纤维平均直径：(7.76±2.41)μm。

物理力学性能测试

采用Image-pro Plus 6.0软件随机测定SEM图片上100根纤维的直径，计算其平均值，如下表1所示：

表1

从表1可以看出本发明所制得的桑皮纤维直径在7μm左右，可以在水溶液中分散烘干形成膜，在保鲜、过滤、传感器等领域具有潜在的应用前景。

通过对比可以发现，CN 108588854 A和CN 104032380 A皆是为了研发一种高脱胶率的桑皮纤维制备方法，并期望提高其可纺性，使其在纺纱方面有所应用。CN 104032380 A所述的一种桑皮纤维的制备方法包括去杂、扎把、装笼、化学预处理、超临界二氧化碳流体脱胶处理和生物酶脱胶处理、水洗、脱水、给油、梳理、烘干，工艺流程长且化学处理过程会带来严重的环境污染。CN 108588854 A所述的一种桑皮纤维的制备方法包括除杂、脱胶、给油，虽然其总体步骤只有3步，但是其脱胶溶液的制备过程所用到的复合菌群包括特定比的假丝酵母菌C G M C C No.3000和嗜麦芽寡养单胞菌CGMCC No.8294，皆需通过培养基培养分离得到，其过程繁琐、增加了操作难度。本发明在桑皮纤维的制备过程中，其方法简单易操作，产品经济效益高，适合大规模生产加工。制备过程仅需要通过除杂、微生物发酵、酶脱胶和超声处理这4个步骤。在酶脱胶前进行微生物发酵可大大减少酶的用量及脱胶时间，且所用的地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和EM是水溶性菌剂，价格便宜、获取方便。

综上所述，本发明所述的一种桑皮纤维的制备方法，该方法简单易操作，产品经济效益高，适合大规模生产加工。提取纤维前，对桑皮进行捶打和皂洗等预处理，可以有效减少微生物-酶联合脱胶不彻底的问题。微生物发酵过程中，细菌以胶质为营养物质，损坏桑皮中胶质的大分子结构，大分子之间的空隙增大，纤维集合体变得疏松，有利于微生物所分泌的酶对桑皮进行初步脱胶。接着通过纤维素酶、碱性果胶酶和中性蛋白酶联合处理进行生物酶脱胶得到桑皮纤维。进一步利用超声波细胞粉碎机的振动作用分离纤维得到微米级的桑皮纤维。所制得的桑皮纤维表面平滑、脱胶率高、纤维损伤小，全程没有用到化学试剂，符合绿色环保的要求。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。