黑曲霉短时浸渍法亚麻纤维脱胶研究

田英华，滕莅倩，杨嘉琪，李 闯，郭宏文，吴红艳

(1.齐齐哈尔大学 食品与生物工程学院, 黑龙江 齐齐哈尔 161006 1； 2.齐齐哈尔大学 寒区麻及制品教育部工程研究中心, 黑龙江 齐齐哈尔 161006)

麻类纤维是人类最早使用的天然纤维之一，距今已有一万年以上历史。亚麻是一年生草本植物，其纤维位于成熟亚麻茎的韧皮部[1-2]。亚麻纤维不仅具有强度高、吸湿快干、挺括凉爽等特性，还具有天然的抗菌抑菌性能，深受消费市场的欢迎[3-5]。

脱胶是提取亚麻纤维的重要加工环节，直接影响着亚麻纤维的品质和用途。传统的亚麻纤维脱胶方法有温水浸泡法和雨露法，上述方法存在对环境污染较大，受气候条件的限制，脱胶耗时长，麻纤维品质的一致性较差等弊端。为了实现亚麻纤维生产环节的绿色环保，提升亚麻纤维的品质，国内外学者将工作重心转移到生物法脱胶[6-8]。生物法脱胶是利用生物酶分解黏结亚麻纤维的果胶、半纤维素等胶质，获得光洁的亚麻纤维[9]。本文试验采用前期工作中选育的黑曲霉为菌种，探索黑曲霉孢子悬液进行亚麻纤维短时浸渍法脱胶工艺，为降低生物法亚麻纤维脱胶成本及其应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

亚麻(产地黑龙江省齐齐哈尔市)；黑曲霉HYA4(齐齐哈尔大学食品与生物工程学院)；吐温20、吐温80(天津市福晨化学试剂厂)；拉开粉Bx、渗透剂T、渗透剂JFC-M(青岛优索化学科技有限公司产品)；磷酸氢二钾、硫酸镁、氯化钾、硫酸亚铁、尿素、硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二铵(天津市凯通化学试剂有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 黑曲霉固体发酵

培养基及培养条件：硝酸钠3 g，磷酸氢二钾1 g，硫酸镁0.5 g，氯化钾0.5 g，硫酸亚铁0.01 g，蔗糖30 g，琼脂20 g，蒸馏水1 000 mL，pH值5.5，32 ℃培养5～7天。

黑曲霉孢子悬液的制备：用生理盐水冲洗培养成熟的黑曲霉孢子，配置成不同浓度的孢子悬液。

1.2.2 亚麻纤维脱胶方法

短时浸渍法：将去掉根部和梢部的亚麻原茎剪成15 cm的茎段，取亚麻原茎10 g充分浸泡于黑曲霉孢子悬液中30 min，取出麻茎后沥水至没有液体流出，置于密封盒中32 ℃恒温培养。

浸泡法：将15 cm亚麻茎段10 g,以浴比1∶30始终浸泡于黑曲霉孢子悬液中恒温脱胶，温度32 ℃，pH值5.5,孢子浓度1×107个/mL，拉开粉Bx5 g/L，氮量0.25 mol/L。

1.2.3 脱胶率、质量损失率的测定

脱胶率和质量损失率均采用GB/T 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》测定。

W=G1/G0×100%

(1)

η=(A-B)/A×100%

(2)

式中：W为脱胶率，%；G0为NaOH处理前麻茎干质量，g；G1为NaOH处理后麻茎干质量，g；η为质量损失率，%；A为脱胶前麻茎的干质量，g；B为脱胶后麻茎的干质量，g。

麻茎的干质量为在80 ℃烘干至恒质量，于干燥器中冷却，称量。

1.2.4 亚麻纤维分散度的测定

采用改良Freid评分法[10]研究纤维分散度。共分为5个等级，1级为分散度10%，2级为10%<分散度<30%，3级为30%<分散度<60%，4级为60%<分散度<90%，5级分散度90%以上。

1.2.5 亚麻纤维分裂度的计算

将处理后的麻茎去除芯部获得亚麻纤维。随机抽取亚麻纤维，从中间剪取30 mm，记录质量为10 mg的纤维根数，采用式(3)计算分裂度。

Nm=30n/G

(3)

式中：Nm为纤维分裂度，Nm；n为纤维根数；G为纤维质量，g。

1.2.6 亚麻纤维微观结构分析

采用Nikon50i正置显微镜观察分析。将干燥的亚麻茎在无菌水中浸泡8 h。从麻茎上剥离纤维层，将纤维剪至1.5 cm，平铺于载玻片上置于显微镜下观察。

2 结果与讨论

2.1 pH值对短时浸渍法亚麻脱胶的影响

将黑曲霉孢子悬液的pH值分别调整为5.0、5.5、6.0、6.5，将亚麻原茎分别在32 ℃，浓度1×107个/mL,孢子悬液中浸泡，沥水后保温脱胶，对照样以灭活孢子悬液为脱胶液。脱胶后对麻茎进行高温灭菌，超声波清洗，干燥后测定亚麻纤维的脱胶率和质量损失率，亚麻纤维经梳理后测定其分裂度。黑曲霉孢子悬液的pH值对短时浸渍法亚麻脱胶的影响如图1所示。

图1 pH值对短时浸渍法亚麻脱胶的影响Fig.1 Effect of pH value on flax degumming by short-time dipping

由图1可见，随着黑曲霉孢子悬液pH值的升高，亚麻纤维的脱胶率、质量损失率和纤维的分裂度均呈现先升高后下降的变化趋势，在pH值为5.5时均达到最高值，脱胶率为28.67%，质量损失率为15.57%，纤维分裂度为462 Nm。前期研究[11]表明，本文采用的黑曲霉培养过程中能够产生较高的果胶酶活力和一定的半纤维素酶活力。适宜pH值有利于黑曲霉孢子的萌发、菌丝的生长及酶与底物的结合，加速了胶质的酶解效率，进而增加了麻茎的质量损失率，胶质酶解使得纤维被更多的释放出来，也提高了纤维的分裂度，可见适宜pH值为5.5。

2.2 孢子浓度对短时浸渍法脱胶的影响

通过血球计数法分别调整黑曲霉孢子悬液的浓度为1×105、1×106、1×107个/mL，pH值为5.5，脱胶温度为32 ℃，考察孢子浓度对短时浸渍法脱胶的影响，结果见图2。

图2 孢子浓度对短时浸渍法亚麻脱胶的影响Fig.2 Effect of spore concentration on flax degumming by short-time dipping

由图2可见，随着孢子浓度的提高，亚麻纤维的脱胶率和质量损失率和纤维的分裂度均提升，这可能是由于孢子浓度的提高，使得萌发后菌丝体浓度也随之提高，产酶量增加，促进了胶质的分解，亚麻纤维的质量损失率也增加。

2.3 渗透剂对短时浸渍法亚麻脱胶的影响

渗透剂具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使水的表面张力显著下降。选择吐温20、吐温80、拉开粉Bx、渗透剂T和渗透剂JFC-M分别添加至黑曲霉孢子悬液中，添加量为5 g/L，以不添加渗透剂作为空白对照样，研究其对亚麻纤维脱胶的影响，结果见图3。

图3 渗透剂对短时浸渍法亚麻脱胶的影响Fig.3 Effect of penetrating agent on flax degumming by short-time dipping

由图3可见，拉开粉Bx对脱胶具有促进作用，脱胶率、质量损失率和分裂度相对空白对照样分别提高了7.21%、7.05%和8.46%。添加渗透剂T与空白对照样所得亚麻纤维的各项指标相当，而其他渗透剂脱胶效果均低于空白对照样，这可能是由于脱胶时间较长，吐温和渗透剂JFC并不能表现出其降低表面张力的作用，还可能对菌体生长产生了负面影响。

2.4 氮源对短时浸渍法脱胶的影响

以尿素、硝酸钠、硫酸铵和磷酸二氢铵作为氮源，按含氮量0.25 mol/L加入至黑曲霉孢子悬液中，以不添加氮源为空白对照样，考察外加氮源对短时浸渍法脱胶的影响，结果如图4所示。

图4 氮源对短时浸渍法亚麻脱胶的影响Fig.4 Effect of nitrogen source on flax degumming by short-time dipping

由图4可见，尿素、硝酸钠和硫酸铵对脱胶具有较明显的促进作用，而添加磷酸二氢铵稍低于空白对照样。与空白对照样相比较，尿素的促进作用最为显著，脱胶率由32.63%提高至36.58%，质量损失率由11.22%提高至13.45%，分裂度由321 Nm提高至399 Nm。这可能是由于尿素能够更好的促进黑曲霉的生长及酶的产量。

2.5 黑曲霉短时浸渍法脱胶效果

采用优化工艺条件进行短时浸渍法脱胶，即黑曲霉孢子悬液pH值5.5，孢子浓度1×107个/mL，添加拉开粉Bx 5 g/L，尿素0.25 mol/L，脱胶时间为60 h，以不添加渗透剂和氮源的脱胶方法为对照样，以蒸馏水脱胶组为空白样，亚麻纤维的脱胶效果比较结果见表1。

由表1可见，而空白样亚麻纤维并未分散，对照组和优化工艺组均能够获得理想的脱胶效果，优化工艺脱胶的各项指标略高于对照样，是由于可溶性物质的溶出使得脱胶率和质量损失率稍有增加。

表1 黑曲霉短时浸渍法脱胶效果Tab.1 Effect of flax short-time dipping degumming by Aspergillus Niger

2.6 亚麻纤维微观结构

对未脱胶和优化条件脱胶后的亚麻纤维进行光学显微镜观察分析，结果见图5。由图5可见，未脱胶的亚麻纤维由胶质相黏结、包裹，呈片状，胶质含量较高；脱胶后胶质含量明显减少，纤维间的连接被分解，纤维游离出来，且纤维表面比较光洁，胶质很少。

图5 亚麻纤维的光学显微镜图(×10)Fig.5 Light microscope of flax fiber.(a)Undegumming；(b)Short-time dipping degumming

2.7 短时浸渍法与浸泡法脱胶对比

采用相同浓度的黑曲霉孢子悬液和优化后的工艺条件分别进行浸泡法与短时浸渍法脱胶，对比研究2种脱胶方法对脱胶效果的影响，结果见表2。

表2 短时浸渍法与浸泡法脱胶对比Tab.2 Comparison of degumming between short-time dipping and soaking

由表2可见，短时浸渍法与浸泡法脱胶相比，纤维的脱胶率、质量损失率、分裂度和Fried评分均相当；在试验中短时浸渍法孢子悬液的用量约为浸泡法的30%～35%，具有成本优势，但所得纤维的一致性略低于浸泡法。

3 结 论

采用黑曲霉孢子悬液进行短时浸渍法亚麻纤维脱胶，研究脱胶条件对纤维脱胶率、质量损失率和分裂度的影响，研究结果表明，适宜脱胶条件为：脱胶液pH值为5.5，孢子浓度为1×107个/mL，添加拉开粉Bx 1.5 g/L，尿素0.25 mol/L，在此条件下脱胶60 h，纤维分散良好，胶质被大量分解；黑曲霉短时浸渍脱胶后，亚麻纤维的脱胶率、质量损失率和分裂度分别可达到34.79%，13.46%，402 Nm；短时浸渍法与传统的浸泡法脱胶相比，脱胶效果相当，大量减少了脱胶液的用量，使得短时浸渍法脱胶成本降低，有利于生物法脱胶的推广应用。