大麻脫膠功能菌株在漚麻中的應用

摘要：將實驗室自行分離的功能菌株HDDMM02、HDDMG05培養至最大產酶時期后用于大麻（Cannabis sativa）脫膠漚麻，并對大麻纖維化學成分進行測定。結果顯示兩種菌株最佳的接種量為麻原料體積的0.5%，尿素和NaCl的最佳添加量均為1.0 g/L。在此條件下進行中試，對麻纖維各項指標進行檢測。結果表明加菌漚制麻纖維的平均出麻率比正常漚制時增加了1.45個百分點，平均強度提高了23.67 N，斷裂比強度提高了0.21 cN/dtex，麻束有效強度伸長了0.16 m。掃描電鏡圖片顯示加菌漚麻纖維脫膠完全且粘附在纖維表面，單纖維已基本游離出來。

關鍵詞：大麻（Cannabis sativa）；脫膠功能菌株；漚麻

中圖分類號：S563.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4772-04

Application of Functional Degumming Bacteria in Hemp Retting

YU Wen-jie1，2，WANG Gui-bin1，2，HAN Jie1，2，JIE Wei-guang3，GE Jing-ping1，2，CAI Bai-yan1，2，3

（1.Key Laboratory of Microbiology， College of Life Science， Heilongjiang University， Harbin 150080， China； 2. Engineering Research Center of Agricultural Microbiology Technology， Ministry of Education， Harbin 150500， China； 3. Department of Food and Environmental Engineering， Heilongjiang Oriental College， Harbin 150086， China）

Abstract： Functional hemp degumming strains HDDMM02 and HDDMG05 isolated in laboratory were cultured to maximum enzyme production phase and inoculated for degumming and retting of Cannabis sativa fiber. The chemical composition of hemp fiber was determined； and it was showed that the optimum inoculation dose of the 2 strains was 0.5% of the volume of raw hemp； the optimal dose of urea and NaCl was 1.0 g/L. Pilot test was conducted under these conditions and indexes of hemp fiber was measured. The result showed that adding retting bacteria could increase hemp fiber yield by 12.44%， enhance hemp fiber strength by 23.67 N， improve fiber breakage strength by 0.21 cN/dtex， and increase hemp-fiber-bundle effective length by 0.16 cm. Compared to CK， SEM images showed the gum could be completely removed from the hemp with the bacteria adhered to the fiber surface； and single fiber was nearly dissociated in treatment adding degumming fiber.

Key words： hemp； functional degumming bacteria； hemp retting

大麻（Cannabis sativa）是中國古老的纖維栽培作物，其纖維性能優異，具有耐用、衛生和附加值高等特點，是一種環保型的纖維原料，有著巨大的應用潛力[1，2]。大麻等麻類作物韌皮結構中除65%左右的纖維素外，還含有25%～30%的果膠、半纖維素、木質素等膠質成分。要使大麻具有可紡性，必須先對其作脫膠處理[3-5]。大麻的脫膠工藝一直是制約大麻紡織加工質量的瓶頸問題，脫膠效果的好壞直接影響成紗質量[6]。大麻脫膠的實質是采取化學、物理、生物以及綜合的方法，破壞纖維束與周圍組織、韌皮部與表皮、韌皮部與木質部之間的連接程度[7，8]，在盡可能除去膠質的同時減少對纖維細胞間膠質的破壞，維持纖維束內部纖維細胞間的固有形態與結構[9]。脫膠微生物可利用大麻中的膠質作為營養源而大量繁殖，在繁殖過程中分泌出酶來分解膠質，從而達到脫膠的目的[10-12]。本項研究在小規模試驗的基礎上，將篩選得到的大麻微生物脫膠功能菌株接入漚池中進行漚麻脫膠，考察菌株的脫膠效果，為規模化生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

大麻原莖由黑龍江省延壽亞麻股份有限公司提供。

果膠酶產生菌HDDMG05和甘露聚糖酶產生菌HDDMM02由黑龍江大學微生物重點實驗室自行分離得到。

1.2 試驗方法

1.2.1 實驗室漚麻試驗 ①最佳接種量的確定。將大麻原莖經去土、去雜處理，放入1 L量筒中，加入麻10倍質量的自來水到量筒中，在35 ℃條件下浸漬1 h后將水倒出，重新加入麻10倍質量的自來水。應用優化后的產酶培養條件將所選育的菌株HDDMG05和HDDMM02培育至最佳產酶時期，按照1∶1的比例將兩種菌株接入量筒，接種量分別為麻原料體積的0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，在35 ℃條件下漚麻4 d[5]。②最佳助劑添加量。按優化的接種量將菌株接入量筒中，分別按0、0.5、1.0和10.0 g/mL的添加量加入尿素和NaCl，在35 ℃條件下漚麻4 d。

1.2.2 纖維測定 參考文獻[13]測定大麻原麻中果膠、半纖維素和木質素的含量。

1.2.3 工廠中試 按優化后的接種量和助劑添加量將活化后的菌液加入5 t的中試池，以未加菌的處理作對照進行中試，測定出麻率和大麻纖維強度，并將所得纖維送國家亞麻產品質量監督檢驗中心黑龍江省纖維檢驗局檢測大麻纖維斷裂比強度、麻束有效強度。并取原麻纖維、未加菌的漚麻纖維、加菌漚麻纖維進行電鏡掃描。

2 結果與分析

2.1 實驗室加菌漚麻試驗結果

2.1.1 最佳接種量的確定 麻纖維中各種膠質尤其是木質素的去除會使得纖維光澤好、潔白，柔軟且有彈性，可紡性、染色性好。實驗室漚麻后所得麻纖維的果膠、半纖維素和木質素含量見表1。由表1可知，添加菌株漚麻后所得麻纖維的果膠、半纖維素和木質素含量均有所下降。其中兩種菌株的接種量均為麻原料質量的0.5%時，大麻纖維中果膠和木質素含量明顯低于其他處理，半纖維素含量也有較大幅度的下降，所以確定兩種菌株最佳的接種量為麻原料體積的0.5%。

2.1.2 助劑添加量的確定 大麻的生物脫膠是漚麻液中的微生物以麻莖中的果膠類物質為碳源進行發酵的過程。微生物的生長和產酶需要適宜的碳氮比，為維持漚麻液中碳氮比的平衡，需要添加氮素和一定量的無機離子[17]。考慮到微生物對NH4+的吸收較快，對銨鹽的利用率高，同時兼顧原料的易得性及價格低廉，選擇的助劑為尿素和NaCl。由表2可知，添加助劑后，大麻纖維中果膠、半纖維素和木質素的含量與原麻相比有較大幅度的下降。尿素和NaCl添加量均為1.0 g/L時麻纖維中果膠、半纖維素和木質素的含量分別為5.318%、17.954%和2.105%，與僅添加菌株的處理相比也有所下降，說明適量的助劑可以改善漚麻菌的生長繁殖條件，使其脫膠活力增強，能更好地提高纖維的質量。

2.2 工廠加菌中試

2.2.1 工廠加菌中試結果 將HDDMG05和HDDMM02菌株分別培養至最佳產酶期，并按中試漚麻池所裝原莖質量的0.5%接入黑龍江省延壽縣亞麻紡織廠41、42和43號漚麻池中，以正常生產的36和39號漚麻池為對照池（未加菌），所用漚麻原莖均為三等莖，在漚制中同時上水、同時補溫。漚制結束后應用剝麻機進行制麻加工，所得麻纖維指標測定結果見表3。由表3可知，加菌后大麻纖維的出麻率和強度均有較大幅度的提高。加菌漚制的3個池子的大麻纖維的平均出麻率為13.11%，比正常漚制時增加了1.45個百分點。與正常漚制的大麻纖維相比，加菌漚制的大麻纖維的平均強度提高了23.67 N；斷裂比強度提高了0.21 cN/dtex，麻束有效強度伸長了0.16 m。中試結果表明，將實驗室小規模試驗優化得到的漚制條件應用于工廠中試是可行的，不僅可以提高出麻率，而且加強了纖維的品質，可用于生產實踐。

2.2.2 大麻纖維電鏡掃描結果 為了觀察脫膠過程中膠質的去除效果，分別對原麻纖維、未加菌的漚麻纖維、加菌漚麻纖維進行電鏡掃描，結果見圖3。圖3A顯示原麻韌皮纖維從梢部到根部表面都有木質素等非纖維素物質，麻纖維被緊密包被在果膠質內，沒有明顯的分散纖維，韌皮纖維細胞間組織如導管和篩管等清晰可見。根部比較粗糙，不平整，表面有裂痕，梢部的纖維束有扭轉的現象，同時可清楚地看到原麻根部的纖維束在膠質的粘著下呈現平行的排列，原麻的中部表面有很多細長的突起且韌皮上有節。圖3B顯示未加菌的漚麻纖維的胞間組織結構成分如導管已部分消失，纖維呈現一定的分散度。纖維表面疏松有微孔和裂痕，有部分膠質粘附在纖維表面，部分纖維束仍然存在。大麻根部、中部和梢部3個部位的脫膠效果呈現出明顯的差異：大麻梢部較細，組織結構較松弛，可溶性果膠質含量較高，酶促反應速度快，脫膠效果最好；大麻中部次之；而大麻根部纖維較粗，組織老熟致密，果膠質與鈣、鎂等離子結合形成難溶性的復合物，脫膠困難，大麻失重率低，脫膠效果最差。這說明大麻纖維粗細程度和結構的致密度是影響大麻脫膠效果的重要因素。圖3C為加菌漚麻纖維掃描電鏡圖，其纖維分散度已超過90%，纖維表面大部分膠質變得更加疏松，出現很多微孔和裂痕，粘附在纖維表面，單纖維已基本游離出來。經HDDMM02、HDDMG05菌株脫膠后大麻纖維從梢部到根部纖維束清晰、表面光滑且未遭破壞，證明大麻的微生物脫膠是半脫膠，對大麻纖維結構無不良影響[14]。試驗用菌株不僅可以使果膠呈游離狀態，還可以隨之使表面其他雜質脫落。由于微生物菌株的處理過程中未采用機械攪拌作用，膠質與微生物作用后的水解產物不易從纖維上脫離，仍然粘附在纖維表面，不利于菌懸浮液向纖維內部滲透。有關大麻脫膠后的纖維制成率與殘膠以及纖維支數還有待進一步研究分析。

3 小結與討論

微生物脫膠已被廣泛應用于食品[15]、紡織[16]等各個領域，其不僅可以提高大麻微生物脫膠的纖維素平均出麻率，而且提高了纖維的品質[17]。果膠和半纖維素的大分子中都包含有游離的羥基及羧基，纖維細胞間無空間阻礙時這些物質就依靠游離的羥基、羧基進行結合，使膠質分子之間相互連接，形成更復雜的聚合體。因而使用單種菌株培養液進行脫膠時，菌株所產酶很難滲透到膠質內部與其作用，一部分被降解的膠質大分子片段也會與其他大分子連接在一起而不能從膠質體系中游離出來。而果膠酶產生菌HDDMG05和甘露聚糖酶產生菌HDDMM02兩種功能菌株的協同作用可使分解的膠質更易從膠質復合體中釋放出來，同時也使脫膠酶進一步向膠質復合體滲透，增強脫膠效果，這與王貴賓[18]對大麻脫膠功能菌株在漚麻中應用的研究結果相符。

微生物法脫膠不僅能提高脫膠制成率，而且可以保持纖維固有的形態結構，改善其紡織性能，節省經濟開支[19-22]。黑龍江省發展大麻生產具有基礎條件好、自然生態環境適宜、良好的技術支持和完善的產供銷經營體系等優勢，其得天獨厚的自然條件可為黑龍江省地域經濟創立新的經濟增長點[23]。

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收稿日期：2011-11-04

基金項目：哈爾濱市科技攻關計劃項目（2007AA6CN032）；黑龍江省教育廳面上項目（11531271）；黑龍江省博士后啟動基金（LBH-Q05113）；

黑龍江省自然科學基金項目（C200505）；黑龍江省人事廳留學回國擇優資助項目；黑龍江省教育廳振興老工業基地成果轉化項目

（1152GZH03）

作者簡介：于文杰（1986-），女，黑龍江青岡人，在讀碩士研究生，研究方向為微生物生態學，（電話）13804533425（電子信箱）yuwenjiedf@163.com；

通訊作者，蔡柏巖（1968-），男，教授，博士，主要從事生態學研究，（電話）13936139957（電子信箱）caibaiyan@126.com。