摘 要：基于汉麻纤维的形态结构与化学组成，系统归纳了化学脱胶、生物脱胶、物理脱胶及协同脱胶的作用机理与工艺特点。综合现有研究，采用选择性氧化体系、绿色溶剂及超声/微波等物理场强化的联合工艺，可在提升胶质去除与解束效果的同时，有效降低对环境的影响。未来，汉麻脱胶技术应朝着低能耗、高效率与可循环利用的方向发展，结合生物酶处理，并尽量减少对高强度化学试剂的依赖。
关键词：脱胶；汉麻纤维；生物法；绿色溶剂
在全球可持续发展战略全面推进的背景下，韧皮纤维作为重要的可再生生物质资源，受到学术界和产业界的广泛关注[1-2]。汉麻纤维属于典型的天然可再生韧皮纤维，具有较高的比强度和比模量，并兼具良好的生物可降解性，因此在生态纺织、生物基复合材料及功能材料等领域展现出良好的应用前景[3-4]。
然而，汉麻原纤维通常难以直接加工利用。除纤维素外，其还含有果胶、半纤维素和木质素等非纤维素组分[5]。这些胶质在细胞间层及细胞壁中起黏结与填充作用，使纤维以纤维束形式存在，进而降低分散性与柔顺性，制约可纺性[6-7]。目前工业脱胶仍以化学法为主，尤其是碱法脱胶，高浓度碱性介质可在较短时间内破坏果胶并去除部分木质素，实现纤维束分离，但往往需要较高的反应温度和较大的化学品用量，并可能对纤维素本体造成损伤[8-9]。同时，脱胶废液富含溶解性有机物与无机盐，处理难度大、成本高[10]。
在“碳中和”和绿色制造理念不断深化的背景下，传统脱胶工艺在能耗、排放与资源利用效率方面的局限性日益凸显，难以满足天然纤维加工向绿色化和高品质化发展的需求[11]。因此，开发高效、环境友好的汉麻纤维脱胶新技术，有利于推广其应用与产业化[12]。近年来开始从工艺源头系统探索绿色脱胶路径，更强调在保证胶质去除的前提下降低资源消耗与环境负荷，并通过选择性去除非纤维素组分尽可能保持纤维素结构完整。本文对近年来汉麻纤维绿色脱胶相关的研究进行梳理与归纳，以期为后续工艺优化与产业化应用提供参考。
1 汉麻纤维的结构特征
汉麻植物茎秆具有典型的层级结构，其横截面如图1所示[13]。由外向内依次为表皮层、韧皮层和木质部，其中与纺织加工直接相关的韧皮纤维主要分布在韧皮层内。韧皮纤维通常以纤维束形式存在，由多根单纤维借助细胞间层胶质相互黏结而成；按形成阶段不同，可进一步区分为初生纤维与次生纤维，两者在排列方式、细胞壁厚度等方面存在一定差异[14]。
图1 汉麻茎的横截面
图2展示了汉麻韧皮纤维单纤维的细胞壁层级结构及其化学组成[13]。单纤维由初生细胞壁与多层次生细胞壁构成：纤维素微纤丝提供主要骨架，半纤维素与木质素分布于其间，起填充与加固作用；果胶则主要富集于细胞间层及初生壁区域，在单纤维之间发挥“胶结剂”作用[15-16]。由于中胶层中果胶与半纤维素、木质素之间形成较为复杂的网络与交联结构，汉麻纤维往往难以自发解束，因而以纤维束形态存在并限制其直接纺织加工[17-18]。
图2 汉麻基本纤维结构（右下）和初生细胞壁组成截面（左上）的示意图
汉麻纤维属于多组分天然纤维体系，以纤维素为主体，同时含有一定比例的果胶、半纤维素与木质素等非纤维素组分[19]。其中，果胶主要分布在初生壁与细胞间层，是维持单纤维黏结的关键物质，其分子富含羧基，常以钙盐或镁盐形式形成交联网络，从而使相邻细胞壁保持紧密结合状态[20]；半纤维素通常以非晶态形式与纤维素微纤丝共存，并通过氢键作用参与细胞壁骨架的构建[21]；木质素的分布更为复杂，主要存在于次生胞壁中，发挥填充与增强作用。其由苯丙烷单元形成复杂的三维交联芳香网络，且具有较强的疏水性，这种复杂的空间结构与疏水特性使其在脱胶过程中表现出极强的稳定性，较难被选择性去除[22]。
基于上述结构与组分特征，汉麻纤维脱胶的关键并非单纯追求脱胶率的提高，而是针对不同非纤维素组分实现更具选择性的调控。传统化学脱胶虽可较快破坏果胶并去除部分木质素，但选择性有限，且可能有纤维素降解的风险。相比之下，绿色脱胶技术更强调从纤维层级结构出发，在温和条件或靶向作用机制下实现对特定胶质组分的定向去除，从而在提升可加工性的同时尽可能保持纤维结构完整。
2 汉麻纤维绿色脱胶技术
2.1 生物脱胶技术
生物脱胶技术主要是利用酶或微生物对汉麻纤维中非纤维素组分进行选择性降解，在相对温和的条件下实现纤维束的分离[23]。与传统化学脱胶相比，该类方法对纤维素主体结构破坏较小，并在降低环境负荷、改善纤维品质方面具有明显优势，因此成为近年来汉麻纤维绿色脱胶研究的重要方向之一[24]。
2.1.1 酶法脱胶
酶法脱胶常用的酶种主要包括果胶酶与木聚糖酶[25]。果胶酶可以直接作用于细胞间层中果胶网络，是纤维束解离的核心；木聚糖酶则主要针对半纤维素，通过削弱其与纤维素之间的结合，进一步促进纤维分散[26]。Henriksson等[27]比较了不同酶体系在韧皮纤维脱胶中的应用，指出细胞间层中果胶是限制单纤维分离的关键组分；果胶裂解酶和聚半乳糖醛酸酶能够有效破坏中胶层结构，使纤维束松解。但仅依靠果胶酶处理，纤维中仍残留较多半纤维素和木质素，脱胶并不充分。Akin等[28]通过酶处理后的纤维结构表征进一步发现，单一酶体系往往只能作用于部分胶质区域，纤维仍以短束形式存在，这一结果促使后续研究开始考虑多酶协同作用的必要性[29]。Zhao等[30]构建了碱性果胶酶-木聚糖酶复合体系，在pH=8.0、55℃条件下实现协同脱胶，果胶去除率约75%，半纤维素去除率约40%。脱胶后纤维素质量分数约79%，保水率为513%、吸湿率为8.9%，细度为17.4dtex、断裂比强度为5.62cN/dtex。该体系协同机理如图3所示，果胶去酯化与主链水解先削弱细胞间层胶结（图3a、b），随后木聚糖主链水解并伴随典型侧基去除作用（图3c），共同促进纤维束解束与非纤维素组分的迁移去除。
图3 （a）果胶甲酯酶去酯化作用；（b）多聚半乳糖醛酸酶对果胶主链糖苷键的水解；（c）半纤维素木聚糖的典型结构及相关酶的作用位置
在复合酶脱胶研究的基础上，Xiang等[31]进一步引入氧化酶，构建了漆酶-半纤维素酶-TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）组成的化学-酶法联合脱胶体系。在pH=5和50℃的温和条件下，漆酶与半纤维素酶协同作用，TEMPO作为氧化介体参与木质素结构的选择性氧化，削弱了木质素及其与多糖之间的交联。处理后纤维中木质素质量分数由13.04%降至2.27%，降低幅度达85%;半纤维素质量分数由19.36%降至8.04%，降低了约58%。此外，该体系可在纤维表面引入大量的醛基和少量的羧基，从而显著提升纤维的吸水性能。
尽管复合酶及多机制协同在提高汉麻纤维脱胶效率方面表现出明显的优势，但游离酶体系在实际应用中仍面临酶稳定性不足、难以回收利用以及成本较高等问题，制约了其工业化推广[32]。研究开始引入酶固定化策略。Zhang等[33]将果胶裂解酶固定在海藻酸钙微球（CA-PL）上，并将该固定化体系用于含少量化学助剂的协同脱胶体系（总体碱质量分数0.4%，盐质量分数0.8%）。固定化酶在保持较高脱胶效率的同时，其热稳定性和操作稳定性均显著优于游离酶体系，并且可连续重复使用至少3次，其中前两次循环的脱胶效果更佳。对应地，第一次与第二次循环处理后纤维素提取率分别为77.09%和76.94%。循环使用过程中的红外谱图及氢键区分峰分析（图4）进一步表明，不同循环次数下纤维的特征吸收与氢键组分变化趋势具有一致性。
图4 （a）原麻纤维与不同循环次数处理后纤维的FT-IR光谱[33]；（b）原麻纤维氢键区分峰拟合；（c）第1次循环处理后；（d）第2次循环处理后；（e）第3次循环处理后
尽管固定化酶体系在重复使用和稳定性方面具有一定优势，但其在载体选择、传质阻力以及固定化过程对酶活性影响等方面仍需进一步优化。如何在保证脱胶效果的同时兼顾工艺的经济性和操作的简便性，仍是固定化酶脱胶技术亟需解决的问题。总体而言，酶法脱胶技术正由单一酶体系向“多酶协同-过程耦合-工程化利用”的方向发展。
2.1.2 微生物脱胶
微生物脱胶以天然的或投加的微生物在发酵过程中原位分泌果胶酶、半纤维素酶等水解酶为核心，通过优先破坏细胞间层与初生壁中果胶网络，进而削弱纤维束间黏结，实现汉麻韧皮纤维的解束与分离[34]。与外加酶制剂的酶法脱胶相比，微生物脱胶的本质是一个“菌群演替-酶活变化-纤维解束响应”耦合的动态过程，研究重点从能否脱胶，逐渐转向“哪些微生物在起作用、何时起作用、怎样可控化”[35]。
Ventorino等[36]考察了露地雨露预处理对后续实验室水渍脱胶过程中果胶降解酶活性及微生物群落动态的影响，表明不同预处理条件会显著改变水渍阶段形成的优势果胶降解菌群及其酶学行为，从而影响脱胶过程的稳定性与重复性。王齐玮等[37]以汉麻籽为研究对象，在其微生物中筛选得到7株芽孢杆菌属菌株，在酸性条件下HS032菌株的果胶酶活性可达21.78U/mL，表现出相对较好的脱胶效果，表明汉麻籽内生菌资源在脱胶功能菌开发方面具有一定潜力。徐鹏等[38]从传统沤麻液中分离获得一株脱胶性能突出的细菌X-6，并对其产酶条件进行了系统
优化。研究结果显示，该菌株可分泌大量碱性果胶酶，其酶活力最高可达586U/mL，脱胶效果明显优于自然发酵体系。在此基础上，Romano等[39]提出了一种更具工程化意义的策略，构建由4株好氧细菌组成的复合菌群用于强化工业汉麻水渍脱胶。结果显示，投加复合菌群的体系较自然发酵体系提前约一周达到最佳脱胶状态，并具有进一步简化菌群组成以适应放大应用的潜力。
菌群解析方面，蔡柏岩等[40]采用PCR-DGGE技术系统分析了汉麻沤麻过程中细菌群落多样性及其动态变化，发现细菌多样性在发酵中期（约72h）达到峰值，主发酵阶段果胶降解相关细菌占据优势。江云飞等[41]进一步从沤麻液中分离并鉴定了24株可培养细菌，为构建定向脱胶菌剂和可控发酵体系提供了菌种资源基础。在应用研究中，杨庆丽等[42]从汉麻根部土壤中分离获得一株链格孢属真菌，其果胶酶活性约为150.5U/mL，并被成功应用于田间雨露沤麻试验。结果表明可加快沤麻进程，同时出麻率提高1.73%、纤维强度提高17.01%，显示出功能微生物在改善传统微生物脱胶效率和纤维性能方面的应用潜力。
2.2 绿色溶剂脱胶
近年来，绿色溶剂脱胶逐渐成为汉麻纤维脱胶研究的重要方向。目前用于汉麻纤维脱胶研究的绿色溶剂主要包括离子液体（ILs）和低共熔溶剂（DES）[43-44]。其基本思路并非依赖强碱对胶质的快速破坏，而是利用溶剂分子与非纤维素组分之间的定向作用，在较温和的条件下促使胶质结构发生解聚并迁移，从而提高脱胶选择性，并尽量降低对纤维素主体结构的损伤[45]。与传统高浓度碱法相比，绿色溶剂脱胶在减少化学品用量、降低废液排放以及保持纤维结构完整性等方面显示出一定优势。
Vilaro等[46]将离子液体引入汉麻纤维脱胶研究，选取多种胆碱基离子液体作为处理介质，对工业汉麻韧皮纤维进行溶剂处理。离子液体的处理可显著降低纤维中木质素含量，并改善纤维束的分散状态。但离子液体在成本和回收方面存在明显不足，限制了其进一步应用。
近年关于汉麻脱胶的绿色溶剂研究中，DES报道增多。Ma等[47]以氯化胆碱-尿素构建的DES，用于汉麻纤维脱胶处理。该DES体系能够在温和条件下降低纤维中半纤维素和木质素含量，使纤维束结构明显松解，同时纤维素晶型和结晶结构保持稳定。其工艺流程如图5所示：原麻首先在DES体系中处理，使胶质混合物发生松解与迁移；随后再经碱性H2O2后处理，进一步去除残余非纤维素组分并改善纤维品质。
图5 基于DES的汉麻纤维脱胶工艺流程示意
除二元体系外，Haque等[48]提出三元DES路线，即在传统二元DES基础上引入第三组分以构建更复杂的氢键网络。三元DES在一定条件下可增强对半纤维素和木质素的作用，同时纤维素晶区结构变化较小，说明通过调控DES组分设计有望在脱胶效果和保持纤维结构之间实现更好的平衡。
需要指出的是，绿色溶剂脱胶的脱胶效率与处理周期仍受到纤维结构致密性和传质条件的限制。基于此，后续研究尝试在不改变溶剂体系的前提下，通过过程强化手段改善介质渗透与物质迁移，从而提升脱胶效率并缩短处理时间。
2.3 物理辅助绿色脱胶技术
生物法和绿色溶剂法虽然在选择性和环境友好性方面具有明显优势，但脱胶过程受到纤维结构致密、传质阻力较大等因素的影响，导致处理周期偏长或脱胶效率不足。为此，研究者逐渐引入超声、微波等物理场作为辅助手段，通过对纤维结构和传质过程的强化，实现对传统绿色脱胶体系的过程放大与效率提升[49]。
2.3.1 超声辅助绿色脱胶
超声通常被用于“前置强化”，它并不改变反应本身，对纤维束结构做一次“松动”[50]。细胞间层胶质连续相被扰乱后，溶剂/酶更容易渗入到果胶、半纤维素富集区域，使后续脱胶更快[51]。
Qin等[52]用乙二醇溶剂脱胶与超声预处理联合处理汉麻纤维（图6）。结果表明，超声作用有效松弛了细胞间层中胶质网络，使溶剂更容易渗透至胶质富集区域；在反应温度降低约10℃的情况下，仍可获得约68%的纤维得率，处理后纤维素质量分数超过91%，结晶度约为78%，断裂比强度达到6.13cN/dtex。与此同时，超声辅助缩短了脱胶时间并减少了化学品用量。
图6 超声辅助乙二醇体系脱胶汉麻纤维的工艺流程与作用示意
2.3.2 微波辅助绿色溶剂脱胶
与常规加热相比，微波能够在较短时间内实现体系的快速、相对均匀加热，从而增强脱胶介质与纤维内部胶质组分之间的相互作用，加快脱胶反应的整体动力学过程[53]。
Ahmed等[54]将微波能量与DES体系相结合用于汉麻纤维脱胶。在纤维与DES质量比为1∶20的条件下，微波辅助处理后汉麻纤维的总纤维素质量分数提高至约98.63%，与传统碱法处理效果基本相当。同时热焓值由原始纤维的272.09J/g降低至171.34J/g，其热行为发生变化。结构分析表明，纤维的结晶结构保持良好，且所得纤维紫外线防护系数（UPF）可达114~118，符合抗紫外线纺织材料的相关标准。微波辅助DES脱胶在实现较高脱胶效率的同时，并未对纤维素主体结构造成显著破坏。
2.3.3 其他辅助脱胶手段
除能量场辅助外，还可以通过调控脱胶介质的理化环境或引入协同处理策略来强化生物脱胶过程，本文将其归入“其他辅助脱胶手段”。
Sun等[55]采用次亚硫酸钠电解水对工业汉麻纤维进行浸泡预处理，随后进行复合生物酶脱胶。响应面优化分析确定的最优条件为次亚硫酸钠质量浓度40g/L、浸泡液与纤维质量比为1∶50、浸泡24h。该条件下，预处理纤维在酶解过程中释放出的还原糖、总糖和总酚类更多，表明非纤维素组分更易被降解；脱胶后纤维断裂比强度约为5.41cN/dtex、细度约为2.22dtex，在70/30汉麻/棉混纺纱中表现出良好的纱线均匀性，显示该协同工艺可在提升脱胶效率的同时改善其可纺性与力学性能。
物理辅助脱胶技术通过引入超声、微波等物理方法，在不改变脱胶反应本质的前提下，强化了传热与传质，有利于提升绿色脱胶体系效率。但在实际应用中仍需要综合评估能耗、设备适配性及与现有脱胶工艺的耦合程度；如何在提升脱胶效率的同时兼顾工艺经济性和可持续性，是物理辅助绿色脱胶技术进一步发展的关键问题。
3 结束语
脱胶环节直接影响汉麻纤维的解束程度、结构保持与后续加工。近年来，为兼顾减排降耗、品质与效率，研究逐步由强碱法转向更温和且可控的绿色脱胶路线，并呈现多技术协同与过程强化的趋势。生物脱胶以条件温和和选择性较强为主要优势，已由单一酶发展到多酶协同，并结合化学-酶法耦合与固定化等策略提升效率与稳定性。但酶制剂成本、体系稳定性及放大后的过程控制要求仍限制其连续化与规模化应用。绿色溶剂脱胶通过溶剂对非纤维素组分的选择性作用促进胶质解聚与迁移，有助于降低纤维素连带损伤并减少化学品投加。相较离子液体，DES在组分可设计性与原料可得性方面更具吸引力；但致密纤维束中的传质限制易导致效率下降、周期延长，后续需从溶剂体系优化与过程强化协同推进。物理辅助绿色脱胶主要通过超声、微波等强化传热传质，提高酶/溶剂可及性，从而缩短时间、降低温度并减少化学品用量；电解水等预处理亦可改善润胀与酶-底物接触。但其工程化推广仍需系统评估能耗、设备适配及过程稳定性与可控性。
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文章摘自：胡连意,赵鹏,董锦昊,等.汉麻纤维绿色脱胶技术研究进展[J].印染,2026,52(6)92-96.
