韧皮结构对罗布麻生物脱胶的影响

巩继贤， 张秋亚， 张 涛， 李 政， 张健飞(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

韧皮结构对罗布麻生物脱胶的影响

巩继贤1,2， 张秋亚1,2， 张 涛1,2， 李 政1,2， 张健飞1,2
(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

针对目前生物脱胶仍存在的效率低、质量不稳定等问题，以罗布麻为研究对象，从成分组成与结构分布等角度分析了罗布麻韧皮组织对生物作用的的抗性屏障。结果表明：罗布麻韧皮组织胶质组分为45%～55%，是麻纤维中胶质含量最高的；且罗布麻韧皮组织胶质层较厚，纤维束排列整齐有序，直接接触脱胶介质的表层组织中，外为角质层，内层为木质素层，结构致密，疏水性高，可及度低；罗布麻韧皮组织对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为22%和14%；罗布麻韧皮组织中的高含量胶质、特殊超微结构以及抑菌物质的存在，构成罗布麻韧皮组织在生物脱胶过程中所需要破除的多层次抗性屏障。

罗布麻； 生物脱胶； 抗性屏障； 韧皮组织； 抑菌率

在纺织加工过程中，韧皮纤维原料首先要经过脱胶，进行纤维的提取。传统的脱胶方法采用化学处理，该方法对环境污染大，能源消耗高，产品品质低。生物催化[1]技术的发展，促进了工业生物技术发展与应用[2-3]，在韧皮纤维制备方面，生物脱胶成为极具潜力的发展方向[4-5]，但目前韧皮纤维的生物脱胶技术仍不成熟，还有许多问题亟待研究和解决。

作为脱胶对象的麻韧皮组织中的非纤维物质，是由多种化学成分和多层次超分子结构组成的异质高聚物复合体，这种结构的复杂性使得脱胶过程的化学反应具有不均一性，使得生物降解过程需要的酶种类更加多样，而且也增加了脱胶过程中酶解反应过程的复杂性，这种非纤组分组成与结构的复杂性及由此产生的生物降解过程的复杂性，形成麻皮抗生物降解的天然障碍[6-8]。要实现麻纤维的高效生物脱胶加工，有必要深入研究麻皮的抗性屏障。

罗布麻为我国特色植物资源，罗布麻纤维是一种天然功能纤维，具有优良服用性能。本文研究以提高麻纤维生物脱胶效率为目的，分别从胶质成分分布、韧皮组织结构等角度进行分析，研究了罗布麻纤维生物脱胶过程中的抗性屏障。

1 实验部分

1.1 实验材料

手工剥制的罗布红麻麻皮，由新疆戈宝红麻有限公司提供。

试剂：蛋白胨(北京普博欣生物试剂公司)、牛肉粉(北京普博欣生物试剂公司)、氯化钠(天津市医药公司)、浓硫酸(天津市化学试剂六厂)、草酸铵、氢氧化钠(天津市光复精细化工研究所)、苯(天津市化学试剂六厂)、无水乙醇(天津市光复精细化工研究所)、无水碳酸钠(天津市光复精细化工研究所)。

1.2 仪器与设备

分析天平(天津天马衡基仪器有限公司)、生化培养箱(上海新苗医疗器械制造有限公司)、单人单面净化工作台(苏州净化设备有限公司)、数显恒温水浴锅(上海梅香仪器有限公司)、全温振荡器(哈尔滨市东联电子技术开发有限公司)、鼓风电热干燥箱(天津中环实验电炉公司)、数显台式酸度计(美国Operations Manual公司)、蒸汽立式压力灭菌器(上海申安医疗器械厂)、傅里叶红外光谱仪(美国Nicolet iS10)、台式扫描电镜(HITACHI Japan)、超景深三维视频显微镜(基恩士(中国)有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1组分检测

按GB/T 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》进行罗布麻的组分检测。

1.3.2红外光谱检测

将罗布麻麻皮样品在50 ℃下干燥6 h，然后用傅里叶红外光谱仪检测，步数4 cm-1，扫描32次，检测范围4 000～400 cm-1。

1.3.3罗布麻形貌表征

将干燥后的测试样品置于TM-1000型扫描电子显微镜(HITACHI，Japan)样品台，抽真空后，调节放大倍率，观察样品形貌。

将样品干燥处理，制片后，由超景深三维视频显微镜进行观测。

1.3.4抑菌性检测

按照GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价 第三部分：振荡法》的要求，对罗布麻韧皮组织的抑菌性能进行检测。

绘制脱胶用枯草芽孢杆菌在自然状态和脱胶过程中的生长曲线，检测罗布麻对脱胶菌的抑制性。

2 结果与讨论

2.1 罗布麻韧皮组织成分分析

罗布麻韧皮组织的组成成分是对罗布麻抗性屏障分析研究的内容之一，根据GB/T 5889—1986对罗布麻韧皮组织以及其他几种麻韧皮纤维进行成分测定，结果如表1所示。

表1 不同种类麻韧皮纤维化学成分Tab.1 Component of different bast fiber

罗布麻韧皮组织中的纤维素成分含量在 45%～55%，其他几种分别为65%～75%、60%～70%、50%～65%，在罗布麻、亚麻、大麻、苎麻等几种主要麻类的韧皮纤维中，罗布麻韧皮组织中非纤维素组分含量是最多的，这使得罗布麻纤维的提取难度最大。

麻皮在脱胶过程中被去除的杂质主要有果胶质、木质素、和半纤维素等。由表1可看出，罗布麻的半纤维素、果胶、木质素组分分别为15%～17%、8%～10%、11%～13%，其中果胶和木质素2种物质在4种韧皮纤维中的占比是最高的，半纤维素的含量水平与其他3种韧皮纤维的含量水平相差无几。

一般认为，果胶分布于韧皮纤维的细胞间质中，对纤维素、半纤维素、木质素等有黏合作用，能够将韧皮纤维中的多种物质结合到一起。果胶质越多，麻皮中各杂质之间结合更紧密，而罗布麻纤维的提取难度就会增大。

木质素属芳香族高分子聚合物，由苯甲醚键、缩醛键等与半纤维素结合，为植物细胞壁主要成分之一。目前相关研究并未发现木质素与纤维素间有化学结合，但是较高含量木质素的存在会在一定程度上影响罗布麻纤维的提取。

从表1中还可看出，罗布麻韧皮组织蜡质含量为2.5%～3.5%。与其他几种麻韧皮纤维比较，罗布麻的蜡质含量最高。蜡质在天然韧皮纤维中是常见的非纤维素物质，一般存在于韧皮纤维的上表皮，有较强的疏水性。在罗布麻韧皮组织脱胶过程，仅靠水分子或者酶的作用难以去除蜡质，需要通过物理和化学因素的共同作用。

罗布麻韧皮组织中水溶性物质含量为14%～17%，在几种麻中的含量也是最高的。水溶性物质包括一些无机盐、色素、鞣质、含氮物质等。有些可溶性物质如可溶性酚类等，对罗布麻纤维的生物脱胶过程也起着负面的影响。

2.2 罗布麻韧皮组织超微结构分析

为分析罗布麻韧皮组织的超微结构，用显微镜对罗布麻韧皮纤维进行观察，结果如图1所示。

图1 罗布麻韧皮纤维组织显微镜照片Fig.1 Ttissue microscope photos of Apocynum bast fiber.(a)Cross section (×500)；(b)Longitudinal section(×250)

图1(a)为超景深三维视频显微镜下放大500倍时，罗布麻韧皮组织横截面的纵向效果图。可看出，纤维呈束状排列于胶质组织内部，纤维直径20 μm左右，纤维横截面为椭圆状，中有空腔，纤维层整体厚度约100 μm。

图1(b)为罗布麻韧皮组织放大250倍的显微镜图片，明亮部分为纤维，暗部是韧皮组织的胶质，其覆盖在纤维束的表面。可看出，纤维之间以及纤维束之间也有胶质组织。纤维束和上表皮以及内部胶质一起构成韧皮部组织。

由显微镜的观察结果可得出罗布麻韧皮组织的横截面结构示意图，如图2所示。

图2 罗布麻韧皮组织横截面示意图Fig.2 Sketch of bast fiber cross section

在罗布麻韧皮组织的外表面分布着一层角质层，而纤维被果胶质、半纤维素和木质素等构成的胶质体系包裹，呈束状于胶质组织内部排列。这些上表皮组织和纤维束之间的胶质组织构成了生物脱胶的抗性屏障，也是在罗布麻脱胶过程中所要去除的物质由显微镜的观察结果，可得出罗布麻韧皮组织的纵向结构示意图，如图3所示。在罗布麻韧皮组织中，绝大部分麻纤维在胶质组织中呈紧密的平行排列，单纤维及纤维束之间的连接紧密，加之果胶质和半纤维素的联结作用，构成结构致密的纤维网络，形成麻皮的抗性屏障结构。

图3 罗布麻韧皮组织纵向结构示意图Fig.3 Sketch of longitudinal section of Apocynum bast fiber

2.3 罗布麻韧皮组织界面分子结构分析

同其他植物一样，罗布麻韧皮组织外层也有角质层，主要成分为角质和蜡质。角质层的作用是使植物能够抵抗外界侵扰，这一结构是植物与外界环境的第1道屏障[9-11]。

在本文研究中，用红外光谱法对罗布麻韧皮组织外表层进行了检测，结果如图4所示。

图4 罗布麻韧皮组织外表层红外光谱图Fig.4 FT-IR (ATR) of outer surface layer in Apocynum bast fiber

图4结果显示2 920和2 850 cm-1处有非常尖锐的吸收峰，这应是饱和烷烃的C—H伸缩振动形成的，结合对罗布麻韧皮组分分析，蜡质和角质组分很可能是使此峰形呈现非常尖锐形状的主要原因。蜡质不溶于水，成分复杂，主要组分是长链的脂肪族化合物以及环状萜类，脂肪族类化合物[11-12]。角质较难溶于溶剂，含C16和C18族脂肪酸类物质，如棕榈酸、棕榈醇、硬脂酸及硬脂醇等[12-13]。由于胶质和蜡质组成的特殊性，使得罗布麻韧皮具有高疏水特点，对酸碱等化学物质也具有一定稳定性。而且角质与蜡质的存在也降低了微生物酶对内部胶质的可及性，给脱胶过程带来一定的困难。图5示出角质层的分子式。

注：R为—COOH、—CHO、—CH2OH、—CH3，n=16～72。图5 角质层的分子式Fig.5 Formula of cuticle.(a)Alkane compounds;(b)Alcohols

同样，罗布麻韧皮组织内表层也是在生物脱胶过程中酶所直接接触的部位，由红外光谱法对罗布麻韧皮组织内表层进行检测，结果如图6所示。

图6 罗布麻韧皮组织内表层红外光谱图Fig.6 FT-IR (ATR) of inner surface layer in Apocynum bast fiber

由图6可看出，罗布麻韧皮纤维内表层在1 601、1 035 cm-1处皆有明显的吸收峰，其中 1 601 cm-1处的吸收峰为伯醇C—O伸缩振动和愈创木基团C—H伸缩振动，而1 035 cm-1处为芳香族骨架振动。由此推测，罗布麻韧皮纤维内表层主要是木质素结构。图7示出木质素的基本结构单元。罗布麻韧皮部已木质化的细胞会在韧皮组织内表层分布，而韧皮组织内表层的木质素结构在脱胶过程中难以被去除，这形成了脱胶过程中罗布麻韧皮的又一抗性屏障。

图7 木质素基本结构单元Fig.7 Structural formula of lignin.(a) Guaiacyl propane unit; (b) Syringyl propane unit; (c) Hydroxyl propane unit

2.4 罗布麻韧皮组织抑菌性分析

罗布麻中的一些抑菌物质对生物脱胶过程而言，是微生物生长的抑制性因素，也发挥着抗性屏障的作用。罗布麻韧皮中含有鞣质等酚类物质以及异槲皮甙、金丝桃苷等黄酮类物质，对革兰染色阳性菌与革兰染色阴性菌都具有一定的抑菌作用。

罗布麻的精干麻纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为15%和11%，而罗布麻韧皮组织对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为22%和14%。这表明罗布麻精干麻纤维以及韧皮纤维中都有抑菌物质，而在脱胶后纤维的抑菌性能有所减弱，这意味着抑制物质在脱胶过程中会有所流失或发展转化。

罗布麻韧皮组织所含的抑菌物质，会在一定程度上影响微生物生长，这也是罗布麻生物脱胶过程所要面临的问题之一。自然生长和脱胶过程中的枯草芽孢杆菌的生长曲线如图8所示。

图8 枯草芽孢杆菌生长曲线Fig.8 Growth curves of Bacillus subtilis

在20 h以前，脱胶状态下的菌株可利用麻皮上溶出的营养物质，所以增殖速度较快，但在20 h以后，营养液中自然生长的菌仍保持较快的增殖速度，脱胶液中的菌生长速度变缓，接近对数末期，枯草芽孢杆菌是革兰氏阳性菌，生长也受罗布麻韧皮组织中的抑菌物质抑制。

3 结 论

1)罗布麻韧皮组织的成分中存在45%～55%的胶质，包括果胶、半纤维素、木质素等，这些非纤维结构的胶质物质的大量存在，给脱胶过程带来较大的困难。

2)从罗布麻韧皮组织超微结构看，韧皮组织上层胶质组分较厚，在生物脱胶过程中屏障作用明显，并且罗布麻纤维排列紧密，单纤维彼此之间排列规则有序，由此形成的致密结构，降低酶分子的可及度，给生物脱胶造成一定困难。

3)就罗布麻韧皮表层结构而言，发现韧皮组织外表层具有角质层，内表层主要为木质素层，这种疏水特性的结构，使得在水相体系为介质的脱胶过程中，作为生物催化剂的酶分子对麻皮内部胶质的可及性减小，影响生物脱胶的进行。

4)罗布麻胶质组分中存在一定量的抑菌成分，也给脱胶过程中的微生物生长带来负面的效果。

5)对生物脱胶来说，韧皮组织中高含量的胶质物质、角质层构成的表皮组织以及抑菌物质的存在是罗布麻韧皮组织在生物脱胶过程中所需要破除的多层次抗性屏障。

FZXB

[1] FUKUDA H, HAMA S, TAMALAMPUDI S, et al. Whole-cell biocatalysts for biodiesel fuel produc-tion[J]. Trends in Biotechnology, 2008, 26(12): 668-673.

[2] 郭营，丁若垚，郁崇文. 亚麻原麻及其粗纱生物酶处理工艺条件的优化[J]. 纺织学报, 2016, 37(4): 70-74.

GUO Ying，DING Ruoyao，YU Chongwen.Optimizing of enzyme treatment process conditions of scotched flax and flax roving[J]. Journal of Textile Research， 2016, 37(4): 70-74.

[3] 巩继贤，王宏阳，李辉芹，等. 聚酯生物加工技术研究进展[J]. 纺织学报, 2016, 37(3): 166-172.

GONG Jixian, WANG Hongyang, LI Huiqin, et al. Research progress and prospect of bioprocessing technology on poly(ethylene terephthalate)[J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(3): 166-172.

[4] 汪学军，闵长莉，杨艳，等. 大麻微生物脱胶特异放线菌菌株的筛选与鉴定[J]. 纺织学报, 2014, 35(11): 102-106.

WANG Xuejun, MIN Changli, YANG Yan, et al. Isolation and identification of actinomycete strain DM182 for microbial degumming of hemp[J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(11): 102-106.

[5] 陈景浩，卢必涛，王天佑，等. 苎麻微生物脱胶菌株的最佳脱胶条件[J]. 纺织学报, 2014, 35(12): 91-95.

CHEN Jinghao，LU Bitao，WANG Tianyou，et al. Optimal degumming conditions of strains for microbial degumming of ramie[J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(12): 91-95.

[6] SILVEIRA R L, STOYANOV S R, GUSAROV S, et al. Plant biomass recalcitrance: effect of hemicellulose composition on nanoscale forces that control cell wall strength[J]. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(51): 19048-19051.

[7] ZHAO X, ZHANG L, LIU D. Biomass recalcitrance: part I: the chemical compositions and physical structures affecting the enzymatic hydrolysis of lignocellulose[J]. Biofuels Bioproducts & Biorefining, 2012, 6(4): 465-482.

[8] PU Y, HU F, HUANG F, et al. Assessing the molecular structure basis for biomass recalcitrance during dilute acid and hydrothermal pretreatments[J]. Biotechnology for Biofuels, 2013，6(1):15.

[9] DOMINGUEZ E, HEREDIA GUERRERO J A, HEREDIA A. The biophysical design of plant cuticles: an overview[J]. New Phytol, 2011, 189(4): 938-949.

[10] HEREDIA A. Biophysical and biochemical characteristics of cutin, a plant barrier biopolymer[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 2003, 1620(1/2/3): 1-7.

[11] NAWRATH C. Unraveling the complex network of cuticular structure and function[J]. Current Opinion in Plant Biology, 2006, 9(3): 281-287.

[12] 魏雪琴，张长峰，庞杰，等. 植物角质层生物学特性及水分渗透性研究进展[J]. 植物学报, 2013(5): 573-587.

WEI Xueqin, ZHANG Changfeng, PANG Jie,et al. Advances in research on biological characteristics and water permeability of plant cuticle[J].Chinese Bulletin of Botany, 2013(5): 573-587.

[13] NAWRATH C. The biopolymers cutin and suberin[J]. Arabidopsis Book, 2002, 1(1): 21.

Investigationonbio-recalcitranceinbiodegummingofApocynum

GONG Jixian1,2， ZHANG Qiuya1,2， ZHANG Tao1,2， LI Zheng1,2， ZHANG Jianfei1,2
(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to solves the problems of biodegumming on low efficiency and instable quality, using Apocynum as the subject, Biorecalcitrance of Apocynum bast fibers was investigated from the aspects of composition and structure. The results show that the content of gum substance in Apocynum bast is 45%-55%, which the higher than that of ramie, hemp, flax, jute, et al. The colloid layer is thicker and the fiber bundles are arranged in an orderly manner in Apocynum bast. The outer and inner layer in textura epidermoidea of Apocynum bast, which are in direct contact with liquid containing enzymes, are cuticle and lignin, respectively. These compact structures result in high hydrophobicity and low accessibility. Apocynum bast has certain antibacterial activities againstE.coliandS.aureusof 22% and 14%. So, a multi-level recalcitrance structure of Apocynum bast to biodegumming process is constituted by high gum substance proportion, special ultrastructure and the existence of antibacterial component.

Apocynum; biodegumming; bio-recalcitrance; phloem tissue; antibacterial rate

10.13475/j.fzxb.20161202705

TS 192.5

A

2016-12-19

2017-08-18

国家重点研发计划项目(2016YFC0400503-02)；新疆自治区重大专项项目(2016A03006-3)；中国纺织工业联合会科技指导性项目(2017011)

巩继贤(1975—)，男，副教授。研究方向为纺织生物技术。张健飞，通信作者，E-mail:zhangjianfei@tjpu.edu.cn。