亞麻原莖脫膠技術(shù)研究進(jìn)展

吳真真　趙丹　劉鵬飛　廖上峰

摘要：亞麻纖維具有吸濕透氣的特性和抗菌保健的功效，在紡織品市場(chǎng)倍受青睞。亞麻原莖中的束狀纖維由復(fù)雜膠質(zhì)粘連在一起，去除膠質(zhì)獲得可紡纖維的過(guò)程稱為脫膠。常用脫膠技術(shù)可分為生物脫膠、酶法脫膠、理化脫膠和聯(lián)合脫膠。本文論述了不同類型亞麻原莖脫膠技術(shù)的工藝流程、應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)劣之處。

關(guān)鍵詞：亞麻；纖維；脫膠

中圖分類號(hào)：Q94 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）31-0069-02

亞麻（Linum usitatissimum）是一年生草本植物，在歐洲和亞洲的許多溫帶地區(qū)國(guó)家都有種植。在我國(guó)，亞麻種植區(qū)集中在黑龍江、新疆和湖南等省份。亞麻原莖中的纖維呈束狀，是人類最早使用的天然植物纖維。亞麻纖維具有吸濕透氣的特性和抗菌保健的功效，在紡織品市場(chǎng)倍受青睞，供不應(yīng)求。束狀亞麻纖維存在于亞麻原莖中，由復(fù)雜的膠質(zhì)組分粘連在一起。亞麻原莖脫膠指去除膠質(zhì)獲得可紡纖維的過(guò)程，稱為脫膠：即將收割晾曬好的亞麻原莖浸入水中，利用生物、物理或化學(xué)方法，降解膠質(zhì)，使纖維與膠質(zhì)和韌皮部脫離。脫膠是纖維生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響纖維質(zhì)量[1]。我國(guó)是僅次于歐盟的世界第二大亞麻纖維產(chǎn)區(qū)，但仍需從歐盟進(jìn)口其總產(chǎn)量70～80%的亞麻纖維。為了提高國(guó)產(chǎn)亞麻纖維質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)亞麻原料進(jìn)口從80%降至60%的“十二五”規(guī)劃目標(biāo)，改進(jìn)亞麻纖維生產(chǎn)工藝的技術(shù)革新迫在眉睫。目前常用的亞麻原莖脫膠技術(shù)有生物脫膠、酶法脫膠、物理脫膠、化學(xué)脫膠以及聯(lián)合脫膠。本文將詳細(xì)介紹上述脫膠技術(shù)的流程、原理、應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)劣之處。

一、亞麻原莖生物脫膠

在亞麻原莖的漚制過(guò)程中，原莖及水中天然存在的微生物產(chǎn)生胞外蛋白即脫膠酶，通過(guò)酶促反應(yīng)降解膠質(zhì)，即為生物脫膠。膠質(zhì)組分主要是兩大類物質(zhì)，一是果膠質(zhì)，由D-半乳糖醛酸以1，4-糖苷鍵構(gòu)成的高分子聚合物；二是半纖維素，主要包含甘露聚糖和木聚糖。因此，要徹底降解膠質(zhì)，需要果膠酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶等脫膠酶的協(xié)同作用。

目前我國(guó)亞麻纖維生產(chǎn)行業(yè)應(yīng)用的主要脫膠技術(shù)是溫水漚麻——天然脫膠，即利用亞麻原莖上天然微生物發(fā)酵作用產(chǎn)生的果膠酶和半纖維素酶類等脫膠酶，去除果膠和半纖維素物質(zhì)，使亞麻韌皮部與木質(zhì)部分離，同時(shí)保留部分連接單纖維之間的膠質(zhì)，以保證亞麻纖維的可紡性。與傳統(tǒng)的化學(xué)脫膠和物理脫膠技術(shù)相比，這一過(guò)程依靠酶的作用降解膠質(zhì)，果膠和半纖維素等大分子膠質(zhì)降解為小分子物質(zhì)溶入水中，在緩和的環(huán)境中完成脫膠過(guò)程，提取純凈纖維，具有專一性強(qiáng)、作用條件溫和、纖維產(chǎn)量高、加工質(zhì)量好、環(huán)境污染輕和簡(jiǎn)單易行等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。但是，亞麻原莖上存在的天然微生物種類繁多，產(chǎn)生脫膠酶酶系組分單一、酶活偏低，限制了脫膠的效率和效果。生物脫膠指在漚麻過(guò)程中人為加入具有脫膠酶產(chǎn)生活性的微生物菌株，促進(jìn)“膠養(yǎng)菌、菌產(chǎn)酶、酶脫膠”的高效脫膠進(jìn)程，縮短亞麻纖維生產(chǎn)周期并提高纖維質(zhì)量。為了提高亞麻原莖生物脫膠的效率，許多研究者嘗試將具有脫膠酶活性的微生物接種到溫水漚麻體系中，期望其成為優(yōu)勢(shì)菌群，加速脫膠進(jìn)程。生物脫膠具有反應(yīng)條件溫和、不影響纖維質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。作者所在的課題組從溫水漚麻液中分離出蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）和地衣芽孢桿菌（B.licheniformis）并開展了亞麻生物脫膠的應(yīng)用研究。首先，這兩個(gè)菌株是漚麻系統(tǒng)中的土著細(xì)菌，在脫膠實(shí)踐中具有良好的生物相容性。其次，這兩株菌具有脫膠酶系組分豐富，可同時(shí)產(chǎn)生果膠酶、甘露聚糖酶、半乳糖醛酸酶和木聚糖酶，并且有脫膠酶產(chǎn)量高的優(yōu)良特性。最重要的是，這兩株細(xì)菌均不產(chǎn)生纖維素酶，即脫膠過(guò)程中不損傷亞麻纖維質(zhì)量。將這兩株脫膠細(xì)菌活化、擴(kuò)大培養(yǎng)后回接入漚麻體系，有效促進(jìn)了脫膠進(jìn)程，縮短了纖維生產(chǎn)周期[2-4]。溫水漚麻工藝的改進(jìn)具有現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐指導(dǎo)意義，而且對(duì)振興東北老工業(yè)基地經(jīng)濟(jì)發(fā)展也將起到積極的推動(dòng)作用。此外，生物脫膠技術(shù)在與亞麻相似的經(jīng)濟(jì)作物黃麻[5]和大麻[6]原莖脫膠中也取得了很好的效果。黑龍江省作為我國(guó)亞麻主產(chǎn)區(qū)，具有地域種植及纖維生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

二、亞麻原莖酶法脫膠

由于生物脫膠的實(shí)質(zhì)是微生物胞外蛋白即酶的作用結(jié)果，許多研究者利用微生物粗酶液或純酶進(jìn)行亞麻原莖脫膠。王路等以天然漚麻為對(duì)照，與酶法漚麻脫膠動(dòng)態(tài)做了比較研究，結(jié)果表明：天然溫水漚麻過(guò)程中的總氮含量、總糖含量、還原糖含量均大于酶法脫膠，而pH值則小于酶法脫膠液的pH值[7]。Sampriya等報(bào)道了擔(dān)子菌綱酵母菌Pseudozyma sp. SPJ菌株具有果膠酶產(chǎn)生活性，同時(shí)無(wú)纖維素酶產(chǎn)生能力。該菌能在漚麻液中生長(zhǎng)良好，無(wú)需補(bǔ)充其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并獲得較好的脫膠效果。以桔皮粉這一廉價(jià)原料為碳源，發(fā)酵所得的該菌發(fā)酵液上清為粗酶液。將該菌株粗酶液加入亞麻漚制體系，與不加菌和不加粗酶液的天然漚制亞麻原莖相比，顯著提高纖維失重率和纖維質(zhì)量，同時(shí)降低了生產(chǎn)廢水的污染物含量[8]。Tian等人的結(jié)果表明，酶法漚麻對(duì)于改善亞麻纖維質(zhì)量有顯著促進(jìn)作用，與天然漚麻獲得的纖維相比，具體表現(xiàn)為：果膠質(zhì)降解率顯著提高，纖維素?fù)p傷可以忽略不計(jì)。與此同時(shí)，酶法漚麻周期更短、長(zhǎng)纖維強(qiáng)度更高，漚麻廢水中的污染物濃度顯著降低[9]。與生物脫膠相比，加入粗酶液或純酶雖然顯著提高了脫膠效率，但制備酶液延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，購(gòu)買酶制劑提高了生產(chǎn)成本。因此酶法脫膠技術(shù)在亞麻纖維生產(chǎn)行業(yè)尚未得到廣泛推廣。

三、亞麻原莖理化脫膠

物理和化學(xué)方法也被用于亞麻原莖的脫膠工藝實(shí)踐中。加拿大學(xué)者Nair等的報(bào)道表明，將亞麻原莖在微波（microwave）中預(yù)處理20分鐘后，漚制24～36小時(shí)，這一工藝處理的亞麻原莖可以在縮短生產(chǎn)周期的同時(shí)，也使?jié)a麻廢水中污染物大幅減少，同時(shí)獲得了質(zhì)量?jī)?yōu)良的可紡纖維。微波強(qiáng)度與微波處理時(shí)間，與纖維失重率、纖維強(qiáng)度、膠質(zhì)含量等質(zhì)量參數(shù)顯著相關(guān)[10]。此外，超聲（ultrasonic）在麻類作物的脫膠過(guò)程中能有效降解膠質(zhì)。已報(bào)道用于亞麻原莖脫膠的化學(xué)試劑有尿素過(guò)氧化物[11]、過(guò)碳酸鈉[12]等。物理法和化學(xué)法雖然對(duì)去除膠質(zhì)有一定幫助，但往往具有局限性：物理法需要較為昂貴的設(shè)備投入，化學(xué)法則污染環(huán)境并可能損傷纖維質(zhì)量。

四、亞麻原莖聯(lián)合脫膠

上述亞麻原莖脫膠方法各有優(yōu)劣，因此研究者嘗試將多種脫膠技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，期望獲得最佳纖維生產(chǎn)工藝。Guo等聯(lián)合運(yùn)用生物、化學(xué)和酶法脫膠技術(shù)，利用一株芽孢桿菌屬細(xì)菌Bacillus sp. Y1、過(guò)氧化氫以及蛋白酶的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜膠質(zhì)的快速、徹底降解[13]。Liu等則將酶法脫膠與化學(xué)脫膠技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，在漚麻體系中加入堿性果膠酶與過(guò)碳酸鈉，獲得了高質(zhì)量的亞麻纖維[12]。

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