亚麻原茎脱胶技术研究进展

吴真真　赵丹　刘鹏飞　廖上峰

摘要：亚麻纤维具有吸湿透气的特性和抗菌保健的功效，在纺织品市场倍受青睐。亚麻原茎中的束状纤维由复杂胶质粘连在一起，去除胶质获得可纺纤维的过程称为脱胶。常用脱胶技术可分为生物脱胶、酶法脱胶、理化脱胶和联合脱胶。本文论述了不同类型亚麻原茎脱胶技术的工艺流程、应用现状及优劣之处。

关键词：亚麻；纤维；脱胶

中图分类号：Q94 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）31-0069-02

亚麻（Linum usitatissimum）是一年生草本植物，在欧洲和亚洲的许多温带地区国家都有种植。在我国，亚麻种植区集中在黑龙江、新疆和湖南等省份。亚麻原茎中的纤维呈束状，是人类最早使用的天然植物纤维。亚麻纤维具有吸湿透气的特性和抗菌保健的功效，在纺织品市场倍受青睐，供不应求。束状亚麻纤维存在于亚麻原茎中，由复杂的胶质组分粘连在一起。亚麻原茎脱胶指去除胶质获得可纺纤维的过程，称为脱胶：即将收割晾晒好的亚麻原茎浸入水中，利用生物、物理或化学方法，降解胶质，使纤维与胶质和韧皮部脱离。脱胶是纤维生产中的关键环节，直接影响纤维质量[1]。我国是仅次于欧盟的世界第二大亚麻纤维产区，但仍需从欧盟进口其总产量70～80%的亚麻纤维。为了提高国产亚麻纤维质量，实现亚麻原料进口从80%降至60%的“十二五”规划目标，改进亚麻纤维生产工艺的技术革新迫在眉睫。目前常用的亚麻原茎脱胶技术有生物脱胶、酶法脱胶、物理脱胶、化学脱胶以及联合脱胶。本文将详细介绍上述脱胶技术的流程、原理、应用现状及优劣之处。

一、亚麻原茎生物脱胶

在亚麻原茎的沤制过程中，原茎及水中天然存在的微生物产生胞外蛋白即脱胶酶，通过酶促反应降解胶质，即为生物脱胶。胶质组分主要是两大类物质，一是果胶质，由D-半乳糖醛酸以1，4-糖苷键构成的高分子聚合物；二是半纤维素，主要包含甘露聚糖和木聚糖。因此，要彻底降解胶质，需要果胶酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶等脱胶酶的协同作用。

目前我国亚麻纤维生产行业应用的主要脱胶技术是温水沤麻——天然脱胶，即利用亚麻原茎上天然微生物发酵作用产生的果胶酶和半纤维素酶类等脱胶酶，去除果胶和半纤维素物质，使亚麻韧皮部与木质部分离，同时保留部分连接单纤维之间的胶质，以保证亚麻纤维的可纺性。与传统的化学脱胶和物理脱胶技术相比，这一过程依靠酶的作用降解胶质，果胶和半纤维素等大分子胶质降解为小分子物质溶入水中，在缓和的环境中完成脱胶过程，提取纯净纤维，具有专一性强、作用条件温和、纤维产量高、加工质量好、环境污染轻和简单易行等优点，应用前景广阔。但是，亚麻原茎上存在的天然微生物种类繁多，产生脱胶酶酶系组分单一、酶活偏低，限制了脱胶的效率和效果。生物脱胶指在沤麻过程中人为加入具有脱胶酶产生活性的微生物菌株，促进“胶养菌、菌产酶、酶脱胶”的高效脱胶进程，缩短亚麻纤维生产周期并提高纤维质量。为了提高亚麻原茎生物脱胶的效率，许多研究者尝试将具有脱胶酶活性的微生物接种到温水沤麻体系中，期望其成为优势菌群，加速脱胶进程。生物脱胶具有反应条件温和、不影响纤维质量的优点。作者所在的课题组从温水沤麻液中分离出蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）和地衣芽孢杆菌（B.licheniformis）并开展了亚麻生物脱胶的应用研究。首先，这两个菌株是沤麻系统中的土著细菌，在脱胶实践中具有良好的生物相容性。其次，这两株菌具有脱胶酶系组分丰富，可同时产生果胶酶、甘露聚糖酶、半乳糖醛酸酶和木聚糖酶，并且有脱胶酶产量高的优良特性。最重要的是，这两株细菌均不产生纤维素酶，即脱胶过程中不损伤亚麻纤维质量。将这两株脱胶细菌活化、扩大培养后回接入沤麻体系，有效促进了脱胶进程，缩短了纤维生产周期[2-4]。温水沤麻工艺的改进具有现实的实践指导意义，而且对振兴东北老工业基地经济发展也将起到积极的推动作用。此外，生物脱胶技术在与亚麻相似的经济作物黄麻[5]和大麻[6]原茎脱胶中也取得了很好的效果。黑龙江省作为我国亚麻主产区，具有地域种植及纤维生产优势。

二、亚麻原茎酶法脱胶

由于生物脱胶的实质是微生物胞外蛋白即酶的作用结果，许多研究者利用微生物粗酶液或纯酶进行亚麻原茎脱胶。王路等以天然沤麻为对照，与酶法沤麻脱胶动态做了比较研究，结果表明：天然温水沤麻过程中的总氮含量、总糖含量、还原糖含量均大于酶法脱胶，而pH值则小于酶法脱胶液的pH值[7]。Sampriya等报道了担子菌纲酵母菌Pseudozyma sp. SPJ菌株具有果胶酶产生活性，同时无纤维素酶产生能力。该菌能在沤麻液中生长良好，无需补充其他营养物质，并获得较好的脱胶效果。以桔皮粉这一廉价原料为碳源，发酵所得的该菌发酵液上清为粗酶液。将该菌株粗酶液加入亚麻沤制体系，与不加菌和不加粗酶液的天然沤制亚麻原茎相比，显著提高纤维失重率和纤维质量，同时降低了生产废水的污染物含量[8]。Tian等人的结果表明，酶法沤麻对于改善亚麻纤维质量有显著促进作用，与天然沤麻获得的纤维相比，具体表现为：果胶质降解率显著提高，纤维素损伤可以忽略不计。与此同时，酶法沤麻周期更短、长纤维强度更高，沤麻废水中的污染物浓度显著降低[9]。与生物脱胶相比，加入粗酶液或纯酶虽然显著提高了脱胶效率，但制备酶液延长了生产周期，购买酶制剂提高了生产成本。因此酶法脱胶技术在亚麻纤维生产行业尚未得到广泛推广。

三、亚麻原茎理化脱胶

物理和化学方法也被用于亚麻原茎的脱胶工艺实践中。加拿大学者Nair等的报道表明，将亚麻原茎在微波（microwave）中预处理20分钟后，沤制24～36小时，这一工艺处理的亚麻原茎可以在缩短生产周期的同时，也使沤麻废水中污染物大幅减少，同时获得了质量优良的可纺纤维。微波强度与微波处理时间，与纤维失重率、纤维强度、胶质含量等质量参数显著相关[10]。此外，超声（ultrasonic）在麻类作物的脱胶过程中能有效降解胶质。已报道用于亚麻原茎脱胶的化学试剂有尿素过氧化物[11]、过碳酸钠[12]等。物理法和化学法虽然对去除胶质有一定帮助，但往往具有局限性：物理法需要较为昂贵的设备投入，化学法则污染环境并可能损伤纤维质量。

四、亚麻原茎联合脱胶

上述亚麻原茎脱胶方法各有优劣，因此研究者尝试将多种脱胶技术联合应用，期望获得最佳纤维生产工艺。Guo等联合运用生物、化学和酶法脱胶技术，利用一株芽孢杆菌属细菌Bacillus sp. Y1、过氧化氢以及蛋白酶的协同作用，实现了复杂胶质的快速、彻底降解[13]。Liu等则将酶法脱胶与化学脱胶技术联合应用，在沤麻体系中加入碱性果胶酶与过碳酸钠，获得了高质量的亚麻纤维[12]。

参考文献

[1]Yan L，Chouw N，Jayaraman K. Flax fibre and its composites-a review[J].Composites Part B：Engineering，2014，56：296-317.

[2]Ge J P，Liu P F，Ling H Z et al. Using bacteria addition and reusing retting water technologies to accelerate flax degumming[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，522：374-379.

[3]平文祥，葛菁萍，赵丹，等.沤麻系统中一株甘露聚糖酶产生菌产酶条件的优化[J].黑龙江大学自然科学学报，2008，25（6）：784-789.

[4]葛菁萍，凌宏志，宋刚，等.微生物快速脱胶法在温水沤麻中的应用研究[J].黑龙江大学自然科学学报，2006，23（3）：307-310.

[5]Das B，Chakrabarti K，Ghosh S et al. Effect of efficient pectinolytic bacterial isolates on retting and fibre quality of jute[J].Industrial Crops and Products，2012，36（1）：415-419.

[6]Di Candilo M，Bonatti P，Guidetti C et al. Effects of selected pectinolytic bacterial strains on water-retting of hemp and fibre properties[J].Journal of Applied Microbiology，2010，108（1）：194-203.

[7]王路，刘晓兰，郑喜群，等.亚麻温水浸渍法与酶法脱胶动态过程比较[J].江苏农业科学，2013，41（9）：262-264.

[8]Sampriya S，RishiPal M，Jitender S. Pseudozyma sp. SPJ：an economic and eco-friendly approach for degumming of flax fibers[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology，2011，27（11）：2697-2701.

[9]Tian Y，Liu X，Wang L. Characterization of the enzyme-retting flax fibers[J].Polymer Preprints，2010，51（2）：417.

[10]Raveendran Nair G，Rho D，Yaylayan V et al. Microwave assisted retting-A novel method of processing of flax stems[J].Biosystems Engineering，2013，116（4）：427-435.

[11]Liu G L，Li Z F，Ding R Y et al.Urea Peroxide： New Degumming Agent Impact on the Effect of Oxidation Degumming of Ramie[J].Applied Mechanics and Materials，2012，121：3039-3043.

[12]Liu G L，Cui Q L，Ding R Y et al. Research on the Oxidation Degumming of Ramie with Alkaline Pectinase and Sodium Percarbonate[J].Applied Mechanics and Materials，2012，121：573-577.

[13]Guo F F，Zou M Y，Li X Z et al. An effective degumming enzyme from Bacillus sp. Y1 and synergistic action of hydrogen peroxide and protease on enzymatic degumming of ramie fibers[J].BioMed research international，2013，2013（2013）：212315-212321.