近三年麻纤维生物脱胶技术研究进展

杨琦，成莉凤，冯湘沅，郑科，彭正红，段盛文

(中国农业科学院麻类研究所，湖南 长沙 410205)

麻纤维是天然纤维的重要来源之一，具有抑菌等多种活性，是不可或缺的功能纤维，广泛应用于纺织、轨道交通、航空航天及医疗等领域[1-2]。获得优质的麻纤维是推动我国麻纤维产业发展的重要前提。苎麻、红麻、汉麻等多种麻类作物的韧皮中除纤维素外，还含有大量的键合型非纤维素物质(俗称“胶质”)，由果胶和半纤维素(富含木聚糖和甘露聚糖等聚糖)等组成。剥离键合型非纤维素物质(“脱胶”过程)是获取麻纤维的必经之路[3]。目前，工业上大多采用化学脱胶法，其成本高、能耗大、严重污染环境，而且纤维制成率低、品质较差[4]。脱胶难的问题是制约麻类产业绿色可持续发展的关键因素。

生物脱胶可节省大量化工原料和能源，极大减轻脱胶废水造成的环境污染，能获得更优质的纤维[4]。生物脱胶有酶法脱胶和微生物脱胶两种途径:酶法脱胶是将功能酶(果胶酶、木聚糖酶等)异源表达后用于麻纤维的脱胶；微生物脱胶是利用脱胶菌(多为细菌)的新陈代谢特异性地对胶质进行生物转化，从而实现麻纤维的定向提取。本文将近三年来麻纤维生物脱胶技术研究进展综述如下，以期为进一步对生物脱胶技术的研究提供思路，促进生物脱胶技术应用于麻纤维的大规模工业化生产进程，推动麻类产业的蓬勃发展。

1 近三年生物脱胶技术的发展趋势

本文从中国知网、Web of Science、谷歌学术和NCBI PubMed等文献检索数据库中搜集了近三年与生物脱胶相关的研究型科技论文，其中2021年发表论文的数量较2020和2019年略有增加(见图1)。在微生物脱胶方面，2021年发表论文的数量较前两年增幅较大，说明生物脱胶的研究热点在向微生物脱胶转移。与此相对应的，与酶法脱胶相关的论文有所减少，其中2021年所发表论文数降至10篇以下。这可能与微生物脱胶和酶法脱胶的固有特性相关:酶法脱胶存在酶制剂活性不稳定、成本高昂、酶固定和回收技术不成熟等缺陷，增大了该技术应用于大规模工业化生产的难度；微生物脱胶具有优质、高效、节能和清洁等优点，是目前麻纤维脱胶研究的重要发展方向。

图1 近三年与生物脱胶相关的文章数量Fig.1 Number of articles related to bio-degumming in recent 3 years

2 微生物脱胶技术

对近三年微生物脱胶相关的文献进行归类分析(见图2)，可分为工艺优化、菌种资源和微生物脱胶机理研究3大类。其中，与菌种资源相关的文章数量最多，佐证了性能优良的脱胶菌种是微生物脱胶技术的基石。

图2 近三年与微生物脱胶相关的文章数量Fig.2 Number of articles related to microbial degumming in recent three years

2.1 微生物脱胶技术中的菌种资源

具有较强脱胶能力的微生物菌株/菌系来源大致有3种途径，分别为野生型脱胶菌的筛选与应用、脱胶工程菌的构建以及复合菌系的驯化与菌株复配(见图2)。其中，与复合菌系的驯化与菌株复配研究内容相关的文章有10篇，说明多种微生物的协同作用将促进麻类纤维的脱胶，可能是未来微生物脱胶技术发展的重要方向之一(见表1)。在脱胶微生物的筛选方面，野生型脱胶菌是菌种资源的丰富来源，对野生型脱胶菌进行筛选与应用是促进微生物脱胶技术发展的源泉所在。目前，用于麻纤维脱胶的微生物资源几乎都来源于自然环境中筛选获得的野生型菌株，但通常野生型菌株的脱胶效果不佳，所得纤维残胶率高，难以实现工业化生产。定向改造野生型脱胶菌，获得高效工程菌，是微生物脱胶技术能够应用于大规模工业化生产的关键。然而，由于对微生物脱胶的代谢调控机制缺乏相对清晰的认识，近三年构建的麻纤维脱胶用工程菌株较少。

表1 脱胶微生物的菌种资源研究Table 1 Resources of degumming microorganisms for ramie

2.2 微生物脱胶技术中的工艺优化

微生物脱胶工艺的优化是进一步提高菌株/菌系纤维提取能力的重要手段之一，工艺优化包括菌株/菌系培养过程中的产脱胶功能酶潜力提高，脱胶工艺流程的优化，以及将微生物脱胶技术与化学脱胶技术联合使用等方案(见表2)。

表2 微生物脱胶工艺优化的研究Table 2 Optimization of microbial degumming processes

2.3 微生物脱胶的机理研究

微生物实现麻纤维脱胶的代谢调控机制尚不清晰，缺乏对低效率野生型脱胶菌株基因组进行定向改造的理论指导，是造成高效纤维提取工程菌匮乏的主要原因。解析复杂、精细而又严谨的微生物脱胶代谢调控机制对于定向构建麻纤维高效脱胶工程菌，具有重要的理论指导意义，Yang等[26]分析了红麻微生物脱胶过程中功能酶活性与脱胶效果的相关性，发现以酶活性高低为指导进行红麻脱胶高效菌株的筛选或性能评价存在一定的局限性；Duan等[27]基于宏基因组学和蛋白质组学对红麻脱胶过程进行了深度解析，发现Chryseobacterium、Dysgonomonas、Acinetobacter、Lactococcu、Bacteroides、Wallemia hederae与Codosiga hollandica是红麻脱胶的关键细菌或真菌；Yang等[28]首次全面揭示了枯草芽孢杆菌对苎麻韧皮聚糖组分降解的蛋白质组变化规律，为构建苎麻脱胶高效工程菌提供了重要的科学依据；郜明强[29]对苎麻脱胶菌株D.dadantiiDCE-01进行了全基因组测序、TMT标记定量蛋白质组和关键脱胶酶分析，为解析DCE-01菌株的高效脱胶机制提供了科学依据；吴亚等[30]对芽孢杆菌苎麻脱胶动态过程进行了分析，发现兼具高活性的果胶酶和半纤维素酶是实现微生物彻底脱胶的核心要素，维持其酶促动力学稳定性是提高脱胶效率的关键因素。

3 酶法脱胶技术

对近三年酶法脱胶相关的文献进行归类分析(见图3)，可分为果胶酶脱胶、复合酶脱胶、酶-化学/物理联合脱胶和酶法脱胶机理研究4类。其中，应用果胶酶对麻纤维进行脱胶的文章将近50%，说明在酶法脱胶工艺中，果胶酶的应用是关键所在。

图3 近三年与酶法脱胶相关的文章数量Fig.3 Number of articles related to enzymatic degumming in recent three years

3.1 果胶酶

果胶是一类广泛存在于植物细胞壁的初生壁和细胞中间片层的杂多糖，主要是一类以D-半乳糖醛酸由α-1，4-糖苷键连接组成的酸性杂多糖，是麻类作物韧皮中含量最丰富的聚糖组分之一。在酶法脱胶中，果胶的高效降解是实现麻纤维提取的优选途径，获得耐热耐碱性能更优、酶活力更高的果胶酶，是促进麻纤维酶法脱胶技术发展的必经之路。有关果胶酶在麻纤维脱胶中应用的研究进展见表3。

表3 果胶酶的研究Table 3 Pectinases for enzymatic degumming of bast fibers

3.2 复合酶

麻类作物的韧皮中，除了果胶外，还含有丰富的半纤维素，半纤维素由木聚糖和甘露聚糖等聚糖类物质组成，这决定了麻纤维的酶法脱胶将不仅限于果胶酶与果胶的简单酶促反应，而将是复合脱胶酶/酶系与韧皮中非纤维素组分的复杂酶解反应。为此，研究者们也将目光从单一的果胶酶研究转向了复合酶脱胶的领域。Xiang等[45-46]利用半纤维素酶提取大麻纤维，效果良好，此外，他们还利用漆酶和半纤维素酶体系对大麻纤维进行改性处理，进一步提高了汉麻纤维的性能。蔡莉等[47]优化了两株剑麻脱胶酶生产菌的培养条件，所产复合脱胶酶可用于剑麻脱胶。陈静等[48]研究了剑麻纤维的生物脱胶工艺，当果胶酶、半纤维素酶、漆酶复配比为1∶4∶4，复合酶用量为100 g/L，酶处理液温度为50℃，酶处理时间为4 h时，残胶率最低。陈佳月等[49]研究了苎麻纤维的碱性复合生物酶脱胶工艺，将乙二胺四乙酸二钠水溶液预处理的苎麻纤维通过果胶酶(40 g/L)和漆酶(10 g/L)的复合酶在52℃处理3 h，随后，在100℃通过NaOH水溶液(10 g/L)继续处理3 h，所得苎麻纤维的各项指标可基本达到三级苎麻精干麻的要求。

3.3 酶-化学/物理联合脱胶工艺

尽管酶法脱胶具有绿色环保、反应温和等优越性，但所获得纤维的分散度、残胶率等指标将稍逊于碱脱胶工艺[44]，因而，科研工作者进一步开发了酶-化学/物理联合脱胶工艺。其中，酶-化学联合脱胶工艺是重点研究方向。Liu等[50]发现经环保型化学脱胶试剂NaClO处理后的大麻纤维，再用漆酶处理，可获得用于纺织的高质量大麻纤维；郑振荣等[51-52]研发了一种新型大麻纤维草酸铵-酶联合脱胶工艺，经过最佳工艺处理后大麻纤维的残胶率低至2.34%，优于碱脱胶工艺与碱-酶联合脱胶工艺处理后的大麻纤维；Chaudhuri等[53]优化了一种生物-化学脱胶工艺，该工艺在苎麻脱胶中可显著提高苎麻纤维的强度与光泽；王清等[54-55]研究了非洲剑麻生物-化学脱胶与生物酶脱胶的工艺。Zhang等[56]研发了一种高效环保的生物化学脱胶方法，利用碱性果胶酶裂解酶溶液和化学添加剂处理大麻纤维，当添加1.5%碱果胶裂解酶、化学助剂碱总量≤0.4%、盐总量≤0.8%时，生化脱胶工艺的最佳条件为浴比1∶10，反应温度60℃，时间60 min；朱梦婷等[57]采用生物(果胶酶)-化学脱胶法对剑麻纤维进行脱胶处理，脱胶后的残胶率为5.93%，纤维素含量为61.78%，纤维素晶型没有发生改变，力学性能良好。在酶-物理联合脱胶方面，高世会[58]开发了一种超临界CO2技术联合果胶酶和木聚糖酶处理，对罗布麻韧皮纤维进行脱胶的新型工艺，结果表明该工艺脱胶速率快、效果好。

3.4 酶法脱胶的机理研究

基于酶法脱胶的工艺，Qi等[59]表征了苎麻纤维的内部结构和特性，探究了酶法脱胶的机理，发现生物脱胶苎麻纤维表面光滑，具有良好的收缩率、吸收性和刮擦性等特性。

4 不同胶质组分对生物脱胶技术的影响

麻纤维周围包裹着多种胶质组分，如果胶、半纤维素和木质素等，为探究不同胶质组分对生物脱胶效果的影响，Gong等[60]研究了罗布麻脱胶过程中的顽固分子，发现引起罗布麻韧皮顽抗的主要成分是木质素和半纤维素；Li等[61]基于可视化形态特征分析，表征了苎麻韧皮中的多糖和多糖分布对脱胶效果的影响，发现果胶充盈在苎麻韧皮的胞间层，在原麻胶质中起到与其他成分胶连的作用。综合近三年来微生物脱胶和酶法脱胶的研究进展(图2、3)，推测果胶降解在苎麻脱胶中占据核心地位，是促进苎麻韧皮胶质降解的关键步骤。在微生物脱胶中，对果胶进行降解需经过胞外降解、跨膜运输和胞内代谢三步；在酶法脱胶中，则只需经过胞外降解的步骤(图4)。这意味着提高果胶的代谢效率是促进微生物脱胶技术发展的突破口，增强胞外果胶酶的降解活性将是推动酶法脱胶技术发展的切入点。

图4 果胶在生物脱胶技术中的降解Fig.4 Degradation of pectin in bio-degumming technology

5 结语与展望

近三年来，麻纤维生物脱胶技术取得了长足进步，成就显著。在日益注重绿色环保的时代背景之下，生物脱胶技术将是麻纤维产业蓬勃发展的根本保障。在微生物脱胶方面，性能优良的菌种资源是促进该技术大规模产业化应用的必要前提，也是目前科研工作者积极努力的方向。在酶法脱胶方面，对果胶酶的耐热、耐碱、活性位点等研究是领域热点。与此同时，研究过程中也发现了生物脱胶技术的一些不足，例如:麻纤维的生物脱胶效果与传统化学脱胶相比，差距较明显。因此，今后应从以下几方面着手:微生物菌种资源的选育、高效脱胶酶的获得、生物-化学/物理联合脱胶工艺流程的优化等，促进生物脱胶技术的进一步发展。