亞麻復(fù)合酶脫膠技術(shù)研究

沈克群，劉魯民，謝純良，嚴(yán)理，胡鎮(zhèn)修

(1.青島蔚藍(lán)生物集團(tuán),山東 青島 266001；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙 410205)

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亞麻復(fù)合酶脫膠技術(shù)研究

沈克群1，劉魯民1，謝純良2，嚴(yán)理2，胡鎮(zhèn)修2

(1.青島蔚藍(lán)生物集團(tuán),山東 青島 266001；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙 410205)

摘要：利用堿性果膠酶復(fù)配部分木聚糖酶對亞麻原莖進(jìn)行脫膠試驗(yàn),比較了不同的酶配比和用量、作用溫度和時(shí)間等條件下打成麻強(qiáng)力和長麻率，探討了酶重復(fù)利用的可行性。結(jié)果表明，堿性果膠酶和木聚糖酶配比為1∶2，酶用量0.8%(w/w)，溫度30-32℃，浴比1∶13-14，pH 8.5，脫膠時(shí)間60-65 h, 打成麻質(zhì)量最佳，打成麻強(qiáng)力提高10%-15%左右，長麻出麻率提高1.2%-1.5%，且比傳統(tǒng)漚麻提高1-2號數(shù)，此外，添加50%脫膠廢液用于再次漚麻具有一定的可行性。本研究總結(jié)出一套較成熟工藝，提高溫水漚麻的質(zhì)量，降低漚麻污染，縮短漚麻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，提升打成麻品質(zhì)和市場競爭力。

關(guān)鍵詞：亞麻 ; 生物酶; 漚麻; 打成麻

亞麻是麻類纖維中品質(zhì)最好的天然纖維之一,其紡織品散熱性能好[1-4]，透氣比率高達(dá)25%以上，能迅速、有效地降低皮膚表層溫度4-8℃[5]，被譽(yù)為“天然空調(diào)”。但亞麻纖維不能直接紡紗，要經(jīng)過脫膠制成精洗麻，然后去除表皮和木質(zhì)部制成打成麻，才可進(jìn)行紡織加工。

傳統(tǒng)的亞麻脫膠方法一般為溫水漚麻。在溫水漚麻過程中，首先是非典型乳酸這類伴生菌對浸漬液水溶物質(zhì)發(fā)酵形成乳酸、CO2和氫。隨著溶解氧的消耗和有機(jī)酸的積累，以果膠分解菌為主的厭氧微生物將果膠分解成丁酸、乙酸等有機(jī)酸以及其他有機(jī)化合物和氣體。由于漚麻水中有機(jī)酸大量積累，惡化了果膠分解菌的繁殖環(huán)境[6-7]，因此，傳統(tǒng)溫水漚麻存在以下不足：漚麻周期長，30-32℃需100-124 h；同時(shí)由于附生微生物與周圍環(huán)境中其它雜菌的存在，在漚麻過程中伴隨產(chǎn)生纖維素酶，使纖維強(qiáng)力受損，導(dǎo)致打成麻品質(zhì)下降，長麻制成率低?；趥鹘y(tǒng)脫膠存在的缺陷，本研究根據(jù)亞麻膠質(zhì)的主要成分為果膠和半纖維素，用堿性果膠酶、木聚糖酶[8-9]進(jìn)行酶法脫膠研究，以期提高亞麻脫膠的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1材料與方法

1.1材料

亞麻原莖來自湖南安鄉(xiāng)產(chǎn)冬亞麻，存放一年以上；果膠酶和木聚糖酶均來自青島蔚藍(lán)生物集團(tuán)，堿性果膠酶和木聚糖酶的酶活分別為300 U/mL和91000 U/mL。

1.2試驗(yàn)方法

1) 復(fù)合酶配比脫膠實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了考察復(fù)合酶的配比和脫膠時(shí)間對亞麻脫膠效果的影響，本文進(jìn)行了5組實(shí)驗(yàn)，堿性果膠酶和木聚糖酶的配比如表1所示，脫膠時(shí)間為40-60 h。以上實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次(下同)。

表1復(fù)合酶配比

Tab.1Compound enzyme ratio

序號堿性果膠酶:木聚糖酶11:121:231:342:153:1

2)酶的用量對原莖脫膠質(zhì)量的影響

在pH為8.5，浴比為 1∶13-14，溫度為30-32℃，每池裝麻量為5000 kg的相同條件下，添加不同酶量進(jìn)行試驗(yàn)：不加酶，0.4%(w/w,下同)，0.8%，1.2%，1.6%，定期抽取小樣100 kg觀察麻莖變化情況,檢測打成麻強(qiáng)度和長麻率。

3) 溫度對原莖脫膠質(zhì)量的影響

設(shè)計(jì)脫膠的水溫分別為：①24-26℃，②30-32℃，③36-38℃，④40-42℃，⑤50-55℃，其它參數(shù)相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4)漚麻時(shí)間對原莖脫膠質(zhì)量的影響

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取酶用量0.8%(w/w)，溫度30-32℃，浴比1∶13-14，pH 8.5，在漚麻時(shí)間分別為20 h、30 h、40 h、50 h、55 h、60 h、65 h、70 h、80 h、90 h時(shí)，抽樣100 kg檢測打成麻強(qiáng)度和長麻率。

必須堅(jiān)持推動(dòng)重心下移、力量下沉、資源下投的方向，盡可能把資源、服務(wù)、管理放到基層，更好發(fā)揮基層機(jī)構(gòu)貼近群眾、服務(wù)群眾的優(yōu)勢和作用，保證基層事情基層辦、基層權(quán)力給基層、基層事情有人辦。

5)漚麻水重復(fù)利用

根據(jù)堿性果膠酶酶活力在37℃條件下保存曲線(圖2)和酶的生物學(xué)特性，脫膠40-60 h后，剩余殘液仍保留有一部分生物活性。利用廢液添加50%用量(即0.4%)重新調(diào)pH=8，溫度36-38℃，浴比1∶13-14，重新漚制。

1．3測定項(xiàng)目和方法

強(qiáng)力指纖維抵抗拉斷的能力大小，即纖維在連續(xù)增加負(fù)荷的作用下，所承受的最大復(fù)荷值N。長麻率指能制成長麻的概率。根據(jù)GB/T17345-2008進(jìn)行強(qiáng)力和長麻率檢測。

2結(jié)果與分析

2.1復(fù)合酶配比對原莖脫膠質(zhì)量的影響

從表2可以看出，堿性果膠酶和木聚糖酶配比為1∶2時(shí),打成麻長麻率和強(qiáng)力最高；與其他各實(shí)驗(yàn)組相比，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其中果膠酶和木聚糖酶配比為3∶1時(shí)打成麻長麻率和強(qiáng)力最低，說明復(fù)合酶配比對脫膠質(zhì)量影響較大。因此，后續(xù)試驗(yàn)堿性果膠酶和木聚糖酶配比為1∶2。

表2不同復(fù)合酶配比對原莖脫膠質(zhì)量的影響

Tab.2The influence of the ratio of compound enzyme on the quality of degumming

堿性果膠酶:木聚糖酶強(qiáng)度/N長麻率/%1∶116214.21∶218715.31∶316113.92∶115512.43∶113211.7

2.2酶的用量對原莖脫膠質(zhì)量的影響

從表3可以看出，加酶實(shí)驗(yàn)組與不加酶相比，打成麻長麻率和強(qiáng)力提升明顯。其中，酶濃度為1.2%實(shí)驗(yàn)組打成麻強(qiáng)度最大；1.6%實(shí)驗(yàn)組打成麻長麻率最高，但與0.8%實(shí)驗(yàn)組相比，沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。經(jīng)過對成本和質(zhì)量進(jìn)行綜合考慮，后續(xù)試驗(yàn)采用0.8%加酶量。

表3不同酶用量對原莖脫膠質(zhì)量的影響

Tab.3The influence of the dose of different enzymes on the quality of degumming

酶用量/%強(qiáng)度/N長麻率/%0.416513.50.817814.01.218514.31.618014.7不加酶(傳統(tǒng)漚麻)15512.0

不同溫度下，堿性果膠酶和木聚糖酶酶活力變化如圖1所示，結(jié)果表明，在60℃以下，隨著溫度的提高，酶活力逐漸提高。高于60℃以上，酶活力急劇降低，70℃時(shí)，酶活力為0。

圖1　堿性果膠酶和木聚糖酶活力變化圖

從表4可以看出，隨著溫度逐漸上升，打成麻強(qiáng)度逐漸增大和長麻率逐漸升高。24-26℃池塘中自然水溫為25℃，不需加溫；30-32℃加溫至32℃，中途保溫情況較好，基本不要再升溫；36-38℃由于溫差較大，每天需升溫一次；40-42℃以及50-55℃如果工廠處在冬季，升溫保溫十分困難，難以完全滿足工藝條件。因此，綜合考慮以上條件，工廠中脫膠溫度采用36-38℃為宜。

表4溫度對原莖脫膠質(zhì)量的影響

Tab.4The influence of different temperatures on the quality of degumming

溫度/℃長麻率/%強(qiáng)力/N24-2612.816230-3214.217836-3814.618540-4214.819050-5515.2195

2.4漚麻時(shí)間對原莖脫膠質(zhì)量的影響

不同漚麻時(shí)間對亞麻原莖脫膠質(zhì)量的影響如表5所示，結(jié)果表明當(dāng)漚麻時(shí)間為30 h時(shí)，長麻率和強(qiáng)力最高，但打成麻分裂度差，含雜率高，打麻困難，高號數(shù)麻極少。當(dāng)漚麻時(shí)間≥80 h，強(qiáng)力和長麻率有所下降，且工藝時(shí)間長，設(shè)備利用率低。因此綜合考慮長麻率、強(qiáng)力以及打成麻分裂度等因素，最合適的脫膠時(shí)間為60 h。

表5漚麻時(shí)間對原莖脫膠質(zhì)量的影響

Tab.5The influence of different response time on the quality of degumming

漚麻時(shí)間/h強(qiáng)力/N長麻率/%2021527.33022727.94020626.15019316.55519515.86018614.66518914.97018114.18017712.99016312.3

2.5漚麻水的重復(fù)利用

堿性果膠酶和木聚糖酶酶活力在37℃條件下保存曲線如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脫膠40-60 h后，剩余殘液仍保留有一部分生物活性，酶活性為87 U/mL。從表 6 可以看出，不同含量漚麻水的再利用效果有明顯的差異，當(dāng)漚麻水含量達(dá)到50%以上時(shí)，強(qiáng)力和長麻率急劇下降，當(dāng)漚麻水含量低于50%時(shí)，強(qiáng)力和長麻率隨著新鮮酶液的比例升高而有所增強(qiáng)。綜合考慮成本、強(qiáng)力和長麻率，漚麻水重復(fù)利用比例采用50%為宜。

表6不同含量漚麻水對原莖脫膠質(zhì)量的影響

Tab.6The influence of different amount of water retting on the quality of degumming

處理強(qiáng)力/N長麻率/%10%漚麻水+90%新鮮酶液22928.230%漚麻水+70%新鮮酶液22327.350%漚麻水+50%新鮮酶液21326.970%漚麻水+30%新鮮酶液18316.690%漚麻水+10%新鮮酶液14013.2100%漚麻水9212.8

圖237℃堿性果膠酶和木聚糖酶保藏曲線

Fig.2Alkaline pectinase and Xylanase storage curve under 37℃

3小結(jié)與討論

亞麻膠質(zhì)的主要成分為果膠、半纖維素和木質(zhì)素。果膠和半纖維素大分子中都包含有游離的羥基及羧基，木質(zhì)素分子中有游離的羥基。這三種物質(zhì)作為麻的結(jié)殼物質(zhì)，在纖維細(xì)胞間，若無空間阻礙時(shí)，就依靠游離的羥基、羧基進(jìn)行物質(zhì)結(jié)合、氫鍵連接或化學(xué)鍵結(jié)合，使膠質(zhì)分子之間相互連接，形成更復(fù)雜的聚合體[10]。因而當(dāng)用單種酶進(jìn)行脫膠時(shí)，由于膠質(zhì)復(fù)合體形成的網(wǎng)絡(luò)體系，酶分子很難滲透到膠質(zhì)內(nèi)部與其中的膠質(zhì)作用，一部分膠質(zhì)大分子雖被相應(yīng)的酶所降解，但由于這些片斷與其他大分子連接在一起而不能從膠質(zhì)體系中游離出來。用果膠酶和木聚糖酶進(jìn)行聯(lián)合脫膠，其去除的膠質(zhì)，比它們單獨(dú)進(jìn)行脫膠的總和多得多，這是由于兩種酶的協(xié)同作用，使分解的膠質(zhì)更容易從膠質(zhì)復(fù)合體中釋放出來，同時(shí)也使脫膠酶進(jìn)一步向膠質(zhì)復(fù)合體滲透，從而使脫膠作用增強(qiáng)。

在本研究的單因子試驗(yàn)中，堿性果膠酶和木聚糖酶配比為1∶2，酶用量0.8%，溫度30-32℃，浴比1∶13-14，pH 8.5，脫膠時(shí)間60-65 h,打成麻質(zhì)量最佳，打成麻強(qiáng)力提高10%-15%左右，長麻出麻率提高1.2%-1.5%左右，且比傳統(tǒng)漚麻提高1-2號數(shù)。對提升國產(chǎn)打成麻品質(zhì)開辟了一條新途徑。本論文雖然對酶法亞麻脫膠的研究取得了階段性成果，但是還有許多問題亟待解決。其中脫膠酶的價(jià)格較高是制約酶法脫膠廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。因此要深入探究亞麻脫膠的機(jī)理，揭示各種脫膠酶對亞麻微觀結(jié)構(gòu)、纖維及紡紗性能的影響，從而確定亞麻脫膠酶的有效組成[11]；采用傳統(tǒng)的誘變或構(gòu)建基因工程菌株等方法選育高產(chǎn)脫膠菌，提高脫膠酶活力，降低亞麻酶法脫膠的成本才能使酶法脫膠廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

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Study on the Technology of Enzymatic Degumming of Flax

SHEN Kequn1, LIU Lumin1, XIE Chunliang2, YAN Li2, HU Zhenxiu2

(1.Vland Biology Co., Ltd, Qingdao 266001, Shandong, China;2.Institute of Bast Fiber Crops, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, China)

Abstract:In this study, a degumming experiment was carried out in flax using alkaline pectase combined with partial xylanase for measuring strength of scutched flax and the rate of long fibra de lino under the condition of the ratio and dosage of different enzymes, five different temperature and ten different response time. And, we investigated the feasibility of reusing enzymes that were used in present study. The results showed that the quality and strength of scutched flax were best when the ratio of alkaline pectinase and xylanase ratio was 1∶2, the dose of enzyme was 0.8%(w/w), the temperature was 30-32℃, and the response time was 60-65 h.Compared with traditional techniques, the strength of scutched flax was raised by 10%-15%, the rate of long fibra de lino was increased by 1.2%-1.5%. From the present study, we found a more mature way to improve the quality, reduce pollution, save time and increase production efficiency.

Key words:linen; enzyme; flax retting; scutched flax

中圖分類號：S563.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：沈克群(1968-)，男，工程師，主要從事麻類脫膠與苧麻紡織工程研究。E-mail：hnyjskq@163.com。 青島蔚藍(lán)生物集團(tuán)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所為并列第一單位。

收稿日期：2016-01-04

文章編號：1671-3532(2016)02-0069-06