Биохимическая технология получения котонизированного льняного волокна с использованием ферментных композиций на основе пектиназ

Витебский государственный технологический университет

В настоящее время льняная отрасль Республики Беларусь олицетворяет собой одну из стратегически важных отраслей национальной экономики. Производство льняных тканей и изделий на их основе в Республике Беларусь имеет долгую историю и значительный опыт, что позволяет конкурировать на мировом рынке текстильной продукции. Однако рентабельность льноводства может колебаться из-за различных факторов, таких как изменение мировых цен, урожайность и качество льна [1].

Переработка отходов льняной промышленности и короткого льняного волокна является одним из способов увеличения рентабельности льноводства в Республике Беларусь. Примером такой переработки является получение котонизированного льняного волокна. Котонизация льна – это технологический процесс, при котором льняное волокно подвергается специальной обработке, благодаря чему оно становится мягким, пластичным, происходит его расщепление, и волокно приобретает свойства, схожие с хлопковым [2].

Котонизация может стать одним из способов увеличения рентабельности льноводства по следующим причинам:

• •    Расширение рынка сбыта: котонизированный лен может использоваться в производстве разнообразной текстильной продукции, такой как одежда, домашний текстиль, текстиль для гостиниц и ресторанов. Это поможет привлечь больше покупателей и повысить спрос на льняные изделия.

• •    Диверсификация продукции: производство котонизированного льна позволяет разнообразить ассортимент товаров, производимых из льна, что может привлечь новых потребителей и увеличить доходы производителей.

• •    Замена импортного хлопка: в некоторых случаях котонизированный лен может заменить импортный хлопок, что позволит снизить зависимость от импорта и улучшить баланс внешней торговли страны.

• •    Экологическая устойчивость: лен является более экологичным и устойчивым растением по сравнению с хлопком, поскольку требует меньше воды, пестицидов и минеральных удобрений. Это может стать конкурентным преимуществом котонизированных льняных изделий перед хлопчатобумажными.

• •    Уникальные свойства льна: льняные волокна обладают уникальными свойствами, такими как высокая прочность, гигроскопичность, анти-бактериальность и терморегуляция. Котонизированный лен сохраняет эти свойства, что делает его привлекательным для потребителей.

РУПТП «Оршанский льнокомбинат» является одним из крупнейших предприятий в Республике Беларусь, специализирующихся на производстве льняных текстильных изделий. Комбинат был основан в 1940-х годах и с тех пор развился до крупного производителя льняных изделий на мировом рынке. На РУПТП «Оршанский льнокомбинат» реализована химико-механическая технология котонизации льняного волокна, которая включает механическую стадию котонизации на линии фирмы TEMAFA, и стадию химической обработки полученного волокна щелочным раствором при высокой температуре с последующим белением пероксидом водорода в аппаратах «Эко блок X-1600». Это позволяет получать котонин, пригодный для переработки в пряжу пневмомеханическим способом.

Тем не менее классическая технология щелочной отварки льняного волокна с последующим белением, используемая в производстве, обладает рядом недостатков. Она включает в себя применение агрессивных химических реагентов, высокое потребление энергии и воды, а также негативное воздействие на окружающую среду.

В связи с вышеизложенным, выполненная работа была направлена на разработку новых подходов к производству котонизированного льняного волокна, базирующихся на использовании ферментных композиций на основе пектиназ, что позволяющих снизить экологический след процесса и повысить экономическую эффективность. В статье рассмотрен потенциал применения ферментных композиций на основе пектиназ в качестве альтернативы классической технологии щелочной отварки.

Объекты и методы

Объект исследования

Объектом исследования являлось льняное котонизированное волокно, полученное механическим способом на линии котонизации фирмы TEMAFA на производственных мощностях РУПТП «Оршанский льнокомбинат» (г. Орша, Республика Беларусь).

Ферменты и методы определения активности

Исследовали эффективность различных ферментных композиций на основе пектиназ производства ООО «Фермент», Республика Беларусь.

Полигалактуроназную активность определяли титриметрическим методом. В качестве субстрата использовали 1 % водный раствор пектина из кожуры цитрусовых (Sigma P9135). Раствор ферментного препарата для анализа готовили путем его растворения в 0,1 М цитратном буфере с pH 3,5 с дальнейшим разбавлением до необходимого значения активности. Ферментативную реакцию проводили в течение 30 минут при температуре 50 °C, смешивая 5 см3 раствора пектина, 4 см3 0,1 М цитратного буфера и 1 см3 раствора фермента. Ферментативную реакцию останавливали путем кипячения реакционной смеси в течение 5 минут на водяной бане. После этого отбирали 5 см3 реакционной смеси,добавляли 2 см31 М раствора карбоната натрия и 5 см3 0,05 М стандартного раствора йода. Полученную смесь оставляли на 20 минут в темном месте для протекания реакции между йодом и выделившейся в процессе ферментативной реакции галактуроновой кислотой, после чего добавляли 2 см31 М раствора серной кис лоты и титровали 0,05 М стандартным раствором тиосульфата натрия оставшийся йод до исчезновения синей окраски, в конце титрования добавляя в качестве индикатора 1 % раствор крахмала. За единицу полигалактуроназной активности принимали такое количество фермента, при действии которого на пектин образуется 1 мг галактуроновой кислоты за один час при температуре 50 °C и pH 3,5.

Пектатлиазную активность определяли спектрофотометрическим методом по количеству ненасыщенных продуктов деструкции полига-лактуроновой кислоты под действием ферментного препарата на полигалактуроновую кислоту по известной методике [3] с небольшими изменениями. В качестве субстрата использовали 0,2 % раствор полигалактуроновой кислоты (Sigma 81325) в 0,2 М глицин-NaOH буферном растворе с pH 9,0, содержащем 1 мМ хлорида кальция. За единицу пектатлиазной активности принимали такое количество фермента, при действии которого на полигалактуроновую кислоту за одну минуту при температуре 45 °C и pH 9,0 образуется 1 микромоль ненасыщенных олигос-ахаридных продуктов реакции.

Целлюлазную активность определяли спектрофотометрическим методом с 3,5-динитри-салициловой кислотой (ДНС реактивом), основанной на протоколе Миллера [4]. В качестве субстрата использовали 1%-ый раствор натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Sigma 21902, medium viscosity) в 0,1 М ацетатном буферном растворе с pH 5,0 при определении активности кислой целлюлазы и в 0,1 М фосфатном буферном растворе с pH 6,0 при определении активности нейтральной целлюлазы. За единицу целлюлазной активности принимали такое количество фермента, при действии которого на натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы за одну минуту при температуре 40 ° C и pH 6,0 образуется 1 микромоль восстанавливающих сахаров в пересчете на глюкозу.

Определение липазной активности проводили согласно [5] c модификациями. Метод основан на фотометрическом определении п-нитро-фенола, образующегося в результате действия липазы на субстрат п-нитрофенилпальмитат. За единицу липазной активности приянто такое количество фермента, при действии которого на субстрат образуется 1 мкмоль п-нитрофенола за одну минуту при температуре 40 °C и pH 8,0.

Методики оценки физико-механических свойств волокна

Физико-механические характеристики (линейная плотность, массовая доля сорных примесей и костры, массовая доля коротких волокон до 15 мм , массовая доля волокон длиной свыше 40 мм , средняя массодлина волокна) исходного и обработанного котонина определяли по [6, 7].

Диаметр волокна определяли на микроскопе Альтами MET 5T, предварительно подготавливая штапель путем расчесывания пучка волокон. Для каждого образца проводили 210 измерений. Статистическую обработку полученных данных, а также значения среднего диаметра, процентилей D10, D50 и D90 получали при помощи программного обеспечения TIBCO Statistica 13.5.017.

Результаты и обсуждение

Опираясь на результаты предыдущей работы [8] были разработаны ферментные композиции нескольких составов, характеристика которых приведена в таблице 1.

Апробация ферментных композиций состава № 1 и состава № 3 была проведена на производственных мощностях РУПТП «Оршанский льнокомбинат» по технологической схеме, приведенной на рисунке 1, а ферментной композиции состава № 2 – по технологической схеме, приведенной на рисунке 2. Традиционный процесс на предприятии реализуется с использованием щелочной отварки при температуре 100 – 110 ° C в течение 3 часов при общей щелочности раствора 11 г/л при получении отваренного волокна, и в течение 1 часа при общей щелочности раствора 5,5–5,7 г/л с последующим белением при получении отбеленного волокна.

Таблица 1 – Характеристика ферментных композиций

Ферментная композиция	Ферментативная активность*, ед/мл
	ПГ	ПЛ	Ц	Л
Состав № 1	360	330	-	-
Состав № 2	320	300	205	-
Состав № 3	320	300	400	300

Примечание: *ПГ – полигалагтуроназная, ПЛ – пектатлиазная, Ц – целлюлазная, Л – липазная

Рисунок 1 – Схема биохимического способа получения отбеленного котонизированного волокна

Рисунок 2 – Схема биохимического способа получения отваренного котонизированного волокна

Для подтверждения эффективности предложенной биохимической технологии были проведены исследования физико-механических свойств обработанного льняного волокна в сравнении с волокном, обработанным традиционным способом (ходовой режим) (таблица 2).

Сравнивая два технологических режима, можно заметить, что в отваренном волокне по предложенному технологическому режиму с ферментной композицией наблюдается небольшое увеличение массовой доли коротких волокон до 15 мм и снижение массовой доли волокон длиной свыше 40 мм .

Снижение средней массодлины волокна после обработки по предложенному технологическому режиму с ферментной композицией составляет 7,5 мм ,тогда как для ходового технологического режима это снижение составляет всего 1,2 мм . Это означает, что снижение массодлины волокна при использовании предложенного технологического режима с ферментной композицией оказывается более выраженным, чем при ходовом технологическом режиме. Это может указывать на то, что биохимическая обработка с использованием ферментной композиции может вызывать некоторое разрушение волокон.

Таблица 2 – Физико-механические характеристики исходного (сурового) и отваренного льняного волокна
Волокно	н и о Z н ? 5 £ Z си Z S с;	g II о и	S 1 Ок» R ^ 5S о R § Ч   S к “ го х *л о х - U о S	5 N 5 | N го 5 о СО J 'Ф 8 I S и о 3 го —	га 8 Ч Z о си О
Суровое волокно для предложенного технологического режима	1,82	1,7	9	59,5	51,6
Отваренное волокно по предложенному технологическому режиму с ферментной композицией (состав № 2)	1,38	1,4	17	48,5	44,1
Суровое волокно для ходового технологического режима	1,74	0,8	10	56,0	48,0
Отваренное по ходовому технологическому режиму	1,47	1,1	19	53,0	46,8

Однако стоит отметить, что предложенный технологический режим с ферментной композицией позволяет получить волокно с меньшей линейной плотностью, что указывает на более мягкие и гибкие волокна. Кроме того, этот метод также обеспечивает более высокую эффективность удаления сорных примесей и костры.

Результаты анализа отбеленного волокна, полученного традиционным способом и по предложенной биохимической технологии представлены в таблице 3.

В опыте I предложенный технологический режим с использованием ферментной композиции (состав № 1) приводит к менее значительному снижению средней массодлины волокна по сравнению с ходовым технологическим режимом. В тоже время среднее значение диаметра полученного волокна обоими методами сопоставимо, что указывает на возможность использования полученного биохимическим способом волокна для производства тонких пряж и тканей. Однако массовая доля коротких волокон увеличивается по сравнению с традиционным способом, что может влиять на качество готовой продукции.

В опыте II предложенный технологический режим с использованием ферментной композиции (состав № 3) показывает различные результаты в зависимости от эксперимента. В целом, средняя массодлина волокна снижается, а

Таблица 3 – Физико-механические характеристики исходного (сурового) и отбеленного льняного волокна Волокно 2 ^. ° । u Ь к о 5 и о " и 2 и х га о. 2 с X § 68 к тН со х о о 2 ° X 68 и о Э 3 оз га и оз га х 2 5 га 8 Ч =1 “ си О ф 5 Я X га х 5 га си х CL С[ О си си го N Ф ГО Л ф 2 си го N га 2 N а N о о N а N о о N а N о о Опыт I Суровое волокно 1,7 10 61 53,9 44,6 10 204 14 30 95 Отбеленное волокно по предложенному технологическому режиму с ферментной композицией (состав № 1) 1,5 20 49 44,6 39,8 10 208 16 27 85 Обработанное по ходовому технологическому режиму 0,4 14 42 37,1 38,7 9 164 12 24 93 Опыт II Суровое волокно для предложенного технологического режима 2,3 13 54,5 45,2 44,6 10 198 15 32 97 Отбеленное волокно по предложенному технологическому режиму с ферментной композицией (состав № 3). Опыт № 1 1,8 22 34,5 31,5 27,9 9 175 12 18 56 Отбеленное волокно по предложенному технологическому режиму с ферментной композицией (состав № 3). Опыт № 2 1,7 18 34,5 33,2 23,5 8 133 13 19 38 Отбеленное волокно по предложенному технологическому режиму с ферментной композицией (состав № 3). Опыт № 3 1,7 23 39,5 33,6 23,2 8 125 13 20 36 массовая доля коротких волокон увеличивается в сравнении с опытом I. Вероятная причина этого явления связана с наличием целлюлазной активности в ферментной композиции (состав №3).

Волокно, обработанное предложенным биохимическим технологическим режимом с использованием ферментных композиций (составы № 1 и № 3), демонстрирует снижение среднего значения диаметра волокна по сравнению с суровым волокном. Это указывает на эффективность ферментной обработки в разрушении и удалении нежелательных примесей, и создании более однородной структуры волокна. Предложенная ферментная композиции (состав № 3), содержащая целлюлазу и липазу, позволила получить льняное волокно с диаметром более чем на 35 % меньше, чем с композицией, не содержащей данных активностей.

Результаты также показывают, что биохимическая технология обработки льняного волокна приводит к снижению разброса значений диаметра волокна, что может свидетельствовать о более контролируемом и стабильном процессе обработки.

Предложенный биохимический способ обработки льняного волокна также показывает положительные изменения в параметрах D10, D50 и

D90, что свидетельствует о более узком распределении размеров волокон и более однородной структуре.

В целом, результаты анализа диаметра волокна указывают на положительное влияние биохимических способов подготовки льняного волокна. Это открывает новые возможности для применения таких технологий в текстильной промышленности, снижая затраты и уменьшая экологическую нагрузку.

ВЫВОДЫ

Предложенный биохимический способ получения льняного котонина с использованием ферментных композиций на основе пектиназ позволяет улучшить качество льняного волокна, при этом снизив негативное воздействие на окружающую среду. Результаты исследований, представленные в данной статье, могут стать основой для внедрения новых технологий в льняную отрасль Республики Беларусь и повышения ее конкурентоспособности на мировом рынке.

*Работа финансировалась в рамках выполнения задания Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований, проект № Т22УЗБ-062.