黑曲霉短時浸漬法亞麻纖維脫膠研究

田英華，滕蒞倩，楊嘉琪，李 闖，郭宏文，吳紅艷

(1.齊齊哈爾大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院, 黑龍江 齊齊哈爾 161006 1； 2.齊齊哈爾大學(xué) 寒區(qū)麻及制品教育部工程研究中心, 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

麻類纖維是人類最早使用的天然纖維之一，距今已有一萬年以上歷史。亞麻是一年生草本植物，其纖維位于成熟亞麻莖的韌皮部[1-2]。亞麻纖維不僅具有強度高、吸濕快干、挺括涼爽等特性，還具有天然的抗菌抑菌性能，深受消費市場的歡迎[3-5]。

脫膠是提取亞麻纖維的重要加工環(huán)節(jié)，直接影響著亞麻纖維的品質(zhì)和用途。傳統(tǒng)的亞麻纖維脫膠方法有溫水浸泡法和雨露法，上述方法存在對環(huán)境污染較大，受氣候條件的限制，脫膠耗時長，麻纖維品質(zhì)的一致性較差等弊端。為了實現(xiàn)亞麻纖維生產(chǎn)環(huán)節(jié)的綠色環(huán)保，提升亞麻纖維的品質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者將工作重心轉(zhuǎn)移到生物法脫膠[6-8]。生物法脫膠是利用生物酶分解黏結(jié)亞麻纖維的果膠、半纖維素等膠質(zhì)，獲得光潔的亞麻纖維[9]。本文試驗采用前期工作中選育的黑曲霉為菌種，探索黑曲霉孢子懸液進(jìn)行亞麻纖維短時浸漬法脫膠工藝，為降低生物法亞麻纖維脫膠成本及其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

亞麻(產(chǎn)地黑龍江省齊齊哈爾市)；黑曲霉HYA4(齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院)；吐溫20、吐溫80(天津市福晨化學(xué)試劑廠)；拉開粉Bx、滲透劑T、滲透劑JFC-M(青島優(yōu)索化學(xué)科技有限公司產(chǎn)品)；磷酸氫二鉀、硫酸鎂、氯化鉀、硫酸亞鐵、尿素、硝酸鈉、硫酸銨、磷酸氫二銨(天津市凱通化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 黑曲霉固體發(fā)酵

培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件：硝酸鈉3 g，磷酸氫二鉀1 g，硫酸鎂0.5 g，氯化鉀0.5 g，硫酸亞鐵0.01 g，蔗糖30 g，瓊脂20 g，蒸餾水1 000 mL，pH值5.5，32 ℃培養(yǎng)5～7天。

黑曲霉孢子懸液的制備：用生理鹽水沖洗培養(yǎng)成熟的黑曲霉孢子，配置成不同濃度的孢子懸液。

1.2.2 亞麻纖維脫膠方法

短時浸漬法：將去掉根部和梢部的亞麻原莖剪成15 cm的莖段，取亞麻原莖10 g充分浸泡于黑曲霉孢子懸液中30 min，取出麻莖后瀝水至沒有液體流出，置于密封盒中32 ℃恒溫培養(yǎng)。

浸泡法：將15 cm亞麻莖段10 g,以浴比1∶30始終浸泡于黑曲霉孢子懸液中恒溫脫膠，溫度32 ℃，pH值5.5,孢子濃度1×107個/mL，拉開粉Bx5 g/L，氮量0.25 mol/L。

1.2.3 脫膠率、質(zhì)量損失率的測定

脫膠率和質(zhì)量損失率均采用GB/T 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》測定。

W=G1/G0×100%

(1)

η=(A-B)/A×100%

(2)

式中：W為脫膠率，%；G0為NaOH處理前麻莖干質(zhì)量，g；G1為NaOH處理后麻莖干質(zhì)量，g；η為質(zhì)量損失率，%；A為脫膠前麻莖的干質(zhì)量，g；B為脫膠后麻莖的干質(zhì)量，g。

麻莖的干質(zhì)量為在80 ℃烘干至恒質(zhì)量，于干燥器中冷卻，稱量。

1.2.4 亞麻纖維分散度的測定

采用改良Freid評分法[10]研究纖維分散度。共分為5個等級，1級為分散度10%，2級為10%<分散度<30%，3級為30%<分散度<60%，4級為60%<分散度<90%，5級分散度90%以上。

1.2.5 亞麻纖維分裂度的計算

將處理后的麻莖去除芯部獲得亞麻纖維。隨機抽取亞麻纖維，從中間剪取30 mm，記錄質(zhì)量為10 mg的纖維根數(shù)，采用式(3)計算分裂度。

Nm=30n/G

(3)

式中：Nm為纖維分裂度，Nm；n為纖維根數(shù)；G為纖維質(zhì)量，g。

1.2.6 亞麻纖維微觀結(jié)構(gòu)分析

采用Nikon50i正置顯微鏡觀察分析。將干燥的亞麻莖在無菌水中浸泡8 h。從麻莖上剝離纖維層，將纖維剪至1.5 cm，平鋪于載玻片上置于顯微鏡下觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對短時浸漬法亞麻脫膠的影響

將黑曲霉孢子懸液的pH值分別調(diào)整為5.0、5.5、6.0、6.5，將亞麻原莖分別在32 ℃，濃度1×107個/mL,孢子懸液中浸泡，瀝水后保溫脫膠，對照樣以滅活孢子懸液為脫膠液。脫膠后對麻莖進(jìn)行高溫滅菌，超聲波清洗，干燥后測定亞麻纖維的脫膠率和質(zhì)量損失率，亞麻纖維經(jīng)梳理后測定其分裂度。黑曲霉孢子懸液的pH值對短時浸漬法亞麻脫膠的影響如圖1所示。

圖1 pH值對短時浸漬法亞麻脫膠的影響Fig.1 Effect of pH value on flax degumming by short-time dipping

由圖1可見，隨著黑曲霉孢子懸液pH值的升高，亞麻纖維的脫膠率、質(zhì)量損失率和纖維的分裂度均呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢，在pH值為5.5時均達(dá)到最高值，脫膠率為28.67%，質(zhì)量損失率為15.57%，纖維分裂度為462 Nm。前期研究[11]表明，本文采用的黑曲霉培養(yǎng)過程中能夠產(chǎn)生較高的果膠酶活力和一定的半纖維素酶活力。適宜pH值有利于黑曲霉孢子的萌發(fā)、菌絲的生長及酶與底物的結(jié)合，加速了膠質(zhì)的酶解效率，進(jìn)而增加了麻莖的質(zhì)量損失率，膠質(zhì)酶解使得纖維被更多的釋放出來，也提高了纖維的分裂度，可見適宜pH值為5.5。

2.2 孢子濃度對短時浸漬法脫膠的影響

通過血球計數(shù)法分別調(diào)整黑曲霉孢子懸液的濃度為1×105、1×106、1×107個/mL，pH值為5.5，脫膠溫度為32 ℃，考察孢子濃度對短時浸漬法脫膠的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 孢子濃度對短時浸漬法亞麻脫膠的影響Fig.2 Effect of spore concentration on flax degumming by short-time dipping

由圖2可見，隨著孢子濃度的提高，亞麻纖維的脫膠率和質(zhì)量損失率和纖維的分裂度均提升，這可能是由于孢子濃度的提高，使得萌發(fā)后菌絲體濃度也隨之提高，產(chǎn)酶量增加，促進(jìn)了膠質(zhì)的分解，亞麻纖維的質(zhì)量損失率也增加。

2.3 滲透劑對短時浸漬法亞麻脫膠的影響

滲透劑具有固定的親水親油基團(tuán)，在溶液的表面能定向排列，并能使水的表面張力顯著下降。選擇吐溫20、吐溫80、拉開粉Bx、滲透劑T和滲透劑JFC-M分別添加至黑曲霉孢子懸液中，添加量為5 g/L，以不添加滲透劑作為空白對照樣，研究其對亞麻纖維脫膠的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 滲透劑對短時浸漬法亞麻脫膠的影響Fig.3 Effect of penetrating agent on flax degumming by short-time dipping

由圖3可見，拉開粉Bx對脫膠具有促進(jìn)作用，脫膠率、質(zhì)量損失率和分裂度相對空白對照樣分別提高了7.21%、7.05%和8.46%。添加滲透劑T與空白對照樣所得亞麻纖維的各項指標(biāo)相當(dāng)，而其他滲透劑脫膠效果均低于空白對照樣，這可能是由于脫膠時間較長，吐溫和滲透劑JFC并不能表現(xiàn)出其降低表面張力的作用，還可能對菌體生長產(chǎn)生了負(fù)面影響。

2.4 氮源對短時浸漬法脫膠的影響

以尿素、硝酸鈉、硫酸銨和磷酸二氫銨作為氮源，按含氮量0.25 mol/L加入至黑曲霉孢子懸液中，以不添加氮源為空白對照樣，考察外加氮源對短時浸漬法脫膠的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 氮源對短時浸漬法亞麻脫膠的影響Fig.4 Effect of nitrogen source on flax degumming by short-time dipping

由圖4可見，尿素、硝酸鈉和硫酸銨對脫膠具有較明顯的促進(jìn)作用，而添加磷酸二氫銨稍低于空白對照樣。與空白對照樣相比較，尿素的促進(jìn)作用最為顯著，脫膠率由32.63%提高至36.58%，質(zhì)量損失率由11.22%提高至13.45%，分裂度由321 Nm提高至399 Nm。這可能是由于尿素能夠更好的促進(jìn)黑曲霉的生長及酶的產(chǎn)量。

2.5 黑曲霉短時浸漬法脫膠效果

采用優(yōu)化工藝條件進(jìn)行短時浸漬法脫膠，即黑曲霉孢子懸液pH值5.5，孢子濃度1×107個/mL，添加拉開粉Bx 5 g/L，尿素0.25 mol/L，脫膠時間為60 h，以不添加滲透劑和氮源的脫膠方法為對照樣，以蒸餾水脫膠組為空白樣，亞麻纖維的脫膠效果比較結(jié)果見表1。

由表1可見，而空白樣亞麻纖維并未分散，對照組和優(yōu)化工藝組均能夠獲得理想的脫膠效果，優(yōu)化工藝脫膠的各項指標(biāo)略高于對照樣，是由于可溶性物質(zhì)的溶出使得脫膠率和質(zhì)量損失率稍有增加。

表1 黑曲霉短時浸漬法脫膠效果Tab.1 Effect of flax short-time dipping degumming by Aspergillus Niger

2.6 亞麻纖維微觀結(jié)構(gòu)

對未脫膠和優(yōu)化條件脫膠后的亞麻纖維進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察分析，結(jié)果見圖5。由圖5可見，未脫膠的亞麻纖維由膠質(zhì)相黏結(jié)、包裹，呈片狀，膠質(zhì)含量較高；脫膠后膠質(zhì)含量明顯減少，纖維間的連接被分解，纖維游離出來，且纖維表面比較光潔，膠質(zhì)很少。

圖5 亞麻纖維的光學(xué)顯微鏡圖(×10)Fig.5 Light microscope of flax fiber.(a)Undegumming；(b)Short-time dipping degumming

2.7 短時浸漬法與浸泡法脫膠對比

采用相同濃度的黑曲霉孢子懸液和優(yōu)化后的工藝條件分別進(jìn)行浸泡法與短時浸漬法脫膠，對比研究2種脫膠方法對脫膠效果的影響，結(jié)果見表2。

表2 短時浸漬法與浸泡法脫膠對比Tab.2 Comparison of degumming between short-time dipping and soaking

由表2可見，短時浸漬法與浸泡法脫膠相比，纖維的脫膠率、質(zhì)量損失率、分裂度和Fried評分均相當(dāng)；在試驗中短時浸漬法孢子懸液的用量約為浸泡法的30%～35%，具有成本優(yōu)勢，但所得纖維的一致性略低于浸泡法。

3 結(jié) 論

采用黑曲霉孢子懸液進(jìn)行短時浸漬法亞麻纖維脫膠，研究脫膠條件對纖維脫膠率、質(zhì)量損失率和分裂度的影響，研究結(jié)果表明，適宜脫膠條件為：脫膠液pH值為5.5，孢子濃度為1×107個/mL，添加拉開粉Bx 1.5 g/L，尿素0.25 mol/L，在此條件下脫膠60 h，纖維分散良好，膠質(zhì)被大量分解；黑曲霉短時浸漬脫膠后，亞麻纖維的脫膠率、質(zhì)量損失率和分裂度分別可達(dá)到34.79%，13.46%，402 Nm；短時浸漬法與傳統(tǒng)的浸泡法脫膠相比，脫膠效果相當(dāng)，大量減少了脫膠液的用量，使得短時浸漬法脫膠成本降低，有利于生物法脫膠的推廣應(yīng)用。