苎麻生物脱胶研究进展王军,夏东升,陈悟,陈洪高,曾庆福3 (武汉科技学院纺织印染清洁生产教育部工程研究中心,湖北武汉430073)摘要 苎麻生物脱胶是一种绿色环保的脱胶方法,相比化学脱胶法,生物脱胶具有提高精干麻质量,不损伤纤维,无污染等优点。
生物脱胶技术成为国内外苎麻研究者的研究热点,也是未来苎麻脱胶的主要发展方向。
综述了生物脱胶的研究进展。
关键词 苎麻;脱胶;微生物;酶中图分类号 S563.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2008)15-06517-02R esearch Advancem ent in the Biologic Degumming of R amieW ANG Jun et al (Engineering Research Center of Textile Printing ,inistry of Education ,W uhan University of Science and Engineering ,W uhan ,Hubei 430073)Abstract T he biologic degumm ing of ram ie bast fibers is a kind of m eth od w ith green and environm ent 2friendly.C om paris on w ith the chem ical degum 2m ing ,the biologic degumm ing sh ows the advantages of quality im provem ent of the refined dried 2ram ie ,w ith out injury fiber and n on 2pollution.T herefore ,the biological degumm ing techn ology ,as a h otspot for ram ie researcher at h om e and abroad ,is m ain developm ent direction of the ram ie degumm ing in the fu 2ture.In this paper the research on the biological degumm ing technique was summ arized.K ey w ords Ram ie ;Degumm ing M icrobiology ;Enzym e.基金项目 武汉科技学院校青年基金(20073204);中国纺织工业协会项目(2006074)。
作者简介 王军(1976-),男,山东高唐人,讲师,从事苎麻生物脱胶及纤维改良的教学和研究。
3通讯作者。
收稿日期 2008203225 我国是苎麻资源大国,其种植面积和纤维产量均占世界的90%以上,其纤维产品具有吸湿散热快、透气好、不贴身、抗菌、挺括美观等优点,是高档天然纤维产品。
苎麻的生产加工程序为:收割→刮制→脱胶→梳理→纺纱→织布→漂整→印染,其中脱胶、漂整和印染是十分复杂的化学反应过程,传统的化学脱胶方式造成严重的水质污染,影响水生动植物的生存和环境污染。
《纺织工业“十一五”发展纲要》明确要求推广应用促进低污染、低能耗脱胶技术。
目前,生物脱胶技术成为国内外苎麻研究者研究的热点。
1 生物脱胶的方法生物脱胶主要包括微生物脱胶和酶脱胶两种方法。
微生物脱胶是把经过筛选的脱胶菌株接种到生苎麻上,以苎麻上的胶质为营养源,让脱胶菌在生苎麻上大量繁殖,在脱胶菌繁殖过程中,分泌出脱胶酶分解胶质,使高分子量的果胶及半纤维素等大分子分解成小分子物质而溶于水中,即在缓和条件下进行的一系列“胶养菌,菌产酶,酶脱胶”的生化反应。
酶脱胶是直接利用脱胶酶制剂或者脱胶菌株产生酶纯化的酶作用于苎麻上,利用酶的生物活性,降解苎麻纤维外包裹的胶质复合体,从而使纤维分离出来。
常用的脱胶酶有果胶酶、半纤维素酶和木质素降解酶等,这3种酶类的组成较复杂。
胶酶大致可分为9种组分,包括果胶裂解酶、果胶甲酯酶和原果胶酶等。
2 微生物脱胶的研究进展中国在麻类微生物脱胶方面进行了一系列的研究,国外开展的研究工作较少,主要是日本和印度[1]。
从工业化角度研究微生物脱胶,我国始于20世纪80年代[2-3],经历了20多年的发展,微生物脱胶方面的研究取得了丰硕的成果,但也存在着不足。
目前,微生物脱胶菌株大多是直接进行筛选,只有少数几例通过生物工程技术来获取。
LiangshuangZheng 等筛选了3株嗜碱性菌株(NT 239、NT 253、NT 276)应用于苎麻的脱胶过程,结果不仅降低了苎麻的残胶率,而且还提高了苎麻的光泽度[4]。
“苎麻生物脱胶工艺技术与设备”已由中国农业科学院麻类研究所成功研制,并已获国家发明专利(C N95112564.8),该所通过大量野生菌株筛选并经种内质粒DNA 分子转化育种,获得一个繁殖速度快、产脱胶关键酶、培养条件粗犷的新菌株T 852260[5]。
应用该菌株进行上百次苎麻脱胶试验,最终研究形成了“苎麻生物脱胶工艺技术与设备”[6],但是其效果众说纷纭,至今在生产应用中仍辅以化学脱胶工艺生产的精干麻才能达到纺织工业的要求;黄俊丽等在克隆脱胶关键酶基因木聚糖酶基因的基础上,成功构建了该基因的表达载体,将该表达载体转化进黑曲霉菌株An1的原生质体,获得黑曲霉转化子A T1[7]。
甄东晓等利用PCR 技术从耐热梭状芽孢杆菌中扩增得到产耐热果胶裂解酶的结构基因pel 9A ,将其克隆于表达载体pET 28a 中,并将重组质粒转化入受体菌E.coli B L 221,诱导后的粗酶液果胶去除率为81.00%[8]。
储长流等以枯草芽孢杆菌B13为原菌株,通过紫外诱变育种法,筛选出产高活性果胶酶和半纤维素酶的菌株S2[9]。
刘正初研究了两株脱胶菌T 66和T 1163的脱胶酶系,结果发现二者的脱胶能力相对T 852260较弱[10]。
此外,武汉大学成功研究了苎麻快速生物脱胶新技术,也已申请了专利号C N89104529.5。
曾莹等针对现在国内外存在筛选的微生物脱胶菌株关键酶活力不高或分泌酶系不全、苎麻经微生物脱胶处理后仍然达不到纺纱要求等缺陷,研究了脱胶菌株黑曲霉An6,通过优化脱胶条件,使脱胶麻的平均残胶率达到14.42%,再结合0.5%的NaOH 碱煮,生产的精干麻达到了纺织工业的要求[11]。
对筛选的脱胶菌株进行原生质体融合研究,目前只有山东大学微生物技术国家重点实验室开展的融合子菌株苎麻脱胶研究。
金玉娟等采用G +的芽孢杆菌B1221322和G 2的欧文氏菌E262223原生质体进行融合,获得284株融合子,经初筛和复筛获得2株脱胶能力强于2个原始菌株的融合子菌株[12-13]。
上述菌种大多是好氧菌或者兼性菌,厌氧菌方面,何绍江从沤麻泥、麻地和菜园土采集土杨,用亨氏厌氧技术分离到5种苎麻厌氧脱胶菌,其中4种菌进行了脱胶试验和鉴定工作,结果表明总残胶可降至安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.Sci.2008,36(15):6517-6518 责任编辑 李玮 责任校对 况玲玲15%以下[14-15]。
胡国全应用亨氏厌氧技术从麻厂污泥和沼气池中优选出8种脱胶性能较好的杆菌,并进行组合测定了其代谢特性,探讨了生物脱胶与化学脱胶先后效果的差异[1,16]。
3 酶脱胶的研究进展Akbil K umar等利用多种酶制剂,包括纤维素酶、果胶酶、脂肪酶和蛋白酶来处理苎麻,以去除胶质,取得了一定的效果[17-19]。
管映亭研究了果胶酶-化学法苎麻脱胶过程,确定了这一联合脱胶方法的工艺及其参数,证明联合脱胶法所得纤维的品质优于常规化学脱胶[20]。
Fredi Br thlmann等研究表明,不同的多聚糖降解酶不具有协同增效作用[21]。
Liangshuang Zheng等通过两株菌进行脱胶试验,得出不同多聚糖降解酶似乎具有协同作用的模糊结论,刘唤明等用果胶酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶进行苎麻酶法脱胶,进行了每种酶的单一酶脱胶和3种酶的联合脱胶试验,结果表明,只用果胶酶脱胶,只能去除约4.30%的胶质,单一木聚糖酶只能去除约1.20%的胶质,单一甘露聚糖酶果胶去除率仅为1.00%;3种酶联合脱胶最终残胶率为5.20%[22],虽然达不到可纺标准,但是该研究进一步证实了多种酶间协同作用的存在。
李德舜等利用丙酮分级沉淀法,将Bacillus sp.N o.16A 发酵液中的果胶酶和甘露糖聚酶处理成不同活性比例的3组脱胶酶液,进行脱胶试验,发现甘露聚糖酶对果胶酶的脱胶效果有一定的协同作用,前者能增加后者的脱胶效果[23]。
另外,由于酶是一种特殊的蛋白质,其结构精细,环境、温度和pH值的变化都会对酶的催化活性产生影响,因此,储长流等从酶液活性中心、金属离子、温度和pH值等角度研究了产高活性果胶酶和半纤维素酶的菌株S2分泌酶液的稳定性[24]。
4 苎麻生物脱胶的分析及展望到目前为止,国内苎麻生物脱胶法未普及生产,国外也停留在试验生产阶段。
脱胶法菌种产酶能力低、菌种脱胶关键酶活力不高或分泌的酶系不全、脱胶效果不稳定等使脱胶处理达不到麻纺对纤维残胶率的要求,主要是因为:①苎麻胶质成分十分复杂,根据酶的专一性原理,需要相应的复杂酶系,而自然界的菌株往往只具有1种或几种相关的酶类,或者缺少脱胶关键酶,故需要复合菌群的作用降低苎麻胶质,达到脱胶的目的;②人们对苎麻脱胶的机理还不清楚,到底是只需要少数几种关键酶来协同破坏胶质与纤维素的共价联系来改变生纤维的空间构象而达到脱胶目的,还是需要更多酶的协同作用来彻底降解胶质;③微生物培养工艺要求高,不易于企业产业化作业。
目前,国内外研究对微生物脱胶的效果还没有达到预期的目的,但是微生物脱胶的众多优点仍鼓励着众多科研工作者在不懈的努力。
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