漢麻生物脫膠技術(shù)研究進展

劉嘉樂，孫宇峰，王偉東*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學生命科學技術(shù)學院/寒區(qū)環(huán)境微生物與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點實驗室，黑龍江 大慶 163319；2.糧食副產(chǎn)物加工與利用教育部工程研究中心，黑龍江 大慶 163319；3.黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

漢麻（Hemp），也被稱為工業(yè)大麻，是大麻科大麻屬一年生草本植物。漢麻具有很高的綜合利用價值，其皮、莖、葉、花和籽均可以加工成為工業(yè)原料，其韌皮纖維具有吸濕排汗、防紫外和吸附異味等功能，受到廣泛關(guān)注［1］。漢麻韌皮纖維生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是脫去漢麻原麻中果膠、半纖維素和木質(zhì)素等非纖維素膠質(zhì)，同時避免損害纖維本身［2］。目前漢麻的脫膠方法主要有傳統(tǒng)漚麻法、化學脫膠法和生物脫膠法三種。傳統(tǒng)漚麻法作為一種歷史悠久的生物脫膠技術(shù)，存在污染大、耗時長、受氣候環(huán)境影響等缺點，難以適應工業(yè)生產(chǎn)。以往工業(yè)生產(chǎn)多采用化學脫膠法，該方法生產(chǎn)漢麻纖維需要較高的能耗，環(huán)境污染相對嚴重，且漢麻纖維往往因為生產(chǎn)使用的酸堿成分受到一定程度的損傷，影響纖維質(zhì)量［3］。生物脫膠法與上述兩種方法相比具有顯著的優(yōu)勢，更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

生物脫膠法主要分為兩種，微生物法脫膠和酶法脫膠。微生物法脫膠是以漢麻纖維的膠質(zhì)為主要碳源，利用微生物的生長繁殖過程降解膠質(zhì)，以實現(xiàn)漢麻纖維的高效分離［4］。此法生產(chǎn)的漢麻纖維具備成本較低、環(huán)境污染小、精干麻品質(zhì)優(yōu)異等特點。研究者也利用此方法改進傳統(tǒng)漚麻方法，使其能適應現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求。酶法脫膠也是一種重要的脫膠技術(shù)，其利用源自微生物的果膠酶、木聚糖酶等制成的生物酶制劑進行漢麻脫膠，脫膠效果較優(yōu)且均一［5］。本文主要就漢麻生物脫膠的原理、優(yōu)缺點及生物脫膠技術(shù)的發(fā)展進行總結(jié)和闡述，旨在為生物脫膠技術(shù)在漢麻脫膠加工領(lǐng)域的應用發(fā)展提供參考。

1 漢麻生物脫膠的原理

漢麻生物脫膠實質(zhì)上是脫膠微生物利用包裹著漢麻纖維的膠質(zhì)組分進行生長代謝的過程［6］。膠質(zhì)組分是以果膠、半纖維素和木質(zhì)素為主要成分的混合有機物，主要存在于漢麻單纖維之間，將單纖維交聯(lián)成網(wǎng)狀并聚合成束［7］。微生物侵入并定殖在漢麻韌皮中，在代謝過程中分泌的胞外酶將膠質(zhì)降解成微生物可以攝取利用的小分子糖，小分子糖類作為碳源被微生物吸收利用并分泌更多的脫膠相關(guān)酶，使得膠質(zhì)結(jié)構(gòu)受到破壞，實現(xiàn)漢麻單纖維的分離，是一種“膠養(yǎng)菌、菌產(chǎn)酶、酶脫膠”的螺旋上升式生化反應［8-9］。

圖1 漢麻生物脫膠原理［10］Fig.1 Principle of biological retting technology［10］

胞外酶是漢麻生物脫膠的關(guān)鍵因素，根據(jù)其主要底物可以分為三類，果膠降解酶、半纖維素降解酶和木質(zhì)素降解酶［11-13］。果膠酶通常是漢麻生物脫膠過程中最先發(fā)揮作用的一類酶，以原果膠酶、酯酶及解聚酶為主的三類果膠酶作用下實現(xiàn)果膠的可溶性轉(zhuǎn)化、去酯化及糖苷鍵的水解［14-16］。半纖維素酶能夠破壞半纖維素與纖維素之間的連結(jié)，將纖維素單體分離出來，并將半纖維素水解為更小的單體［17］。木質(zhì)素降解酶主要包括漆酶、木質(zhì)素過氧化物酶等，以漢麻韌皮中影響纖維品質(zhì)的木質(zhì)素組分為主要降解目標［18］。

2 生物脫膠技術(shù)的分類

2.1 傳統(tǒng)生物脫膠技術(shù)

我國漢麻應用歷史悠久，早在公元3000年前，就有漢麻纖維殘片被發(fā)現(xiàn)。天然水漚制法和雨露脫膠法是兩種傳統(tǒng)的脫膠技術(shù)，作為漢麻脫膠生產(chǎn)的主要方式一直沿用至今。

2.1.1 天然水漚制法

天然水漚制法是將麻束浸沒在天然水域或人工池塘中，利用天然微生物降解膠質(zhì)的過程?，F(xiàn)多將天然水漚制法分為兩個階段：第一階段，原麻中可溶性成分（糖、含氮物質(zhì)等）溶解，游離的天然微生物利用這些營養(yǎng)物質(zhì)繁殖，纖維逐漸分散，允許微生物定殖在麻束內(nèi)部，為有氧發(fā)酵階段；第二階段，環(huán)境中氧氣含量逐漸降低的情況下，以梭菌屬為主的厭氧微生物繁殖并降解纖維表面的膠質(zhì)，為厭氧發(fā)酵階段［19］。此法生產(chǎn)的漢麻纖維質(zhì)量較高，但在生產(chǎn)過程中需要面對大量消耗的水資源、昂貴的人力成本、較長的發(fā)酵周期、難以處理的環(huán)境污染等問題［20］。即便已經(jīng)擁有成熟且因地制宜的冷水浸漬法、熱水浸漬法和青莖曬法等脫膠方法，但現(xiàn)已很少單獨使用此方法進行脫膠生產(chǎn)［21］。

2.1.2 雨露脫膠法

雨露脫膠法作為一種傳統(tǒng)脫膠技術(shù)，與天然水漚制法相比，主要區(qū)別在于原麻是被鋪在平地，利用雨水和露水浸濕麻莖。在適宜的溫度和濕度條件下，以絲狀真菌、禾黑芽枝霉等真菌為先導，破壞漢麻韌皮結(jié)構(gòu)，為細菌侵入提供通道。細菌則通過菌絲形成的通道，侵入漢麻韌皮內(nèi)部，并逐漸占據(jù)內(nèi)環(huán)境的主體。雨露脫膠的過程是在細菌和真菌的相互作用下完成的［22］。這種方法進行漢麻脫膠生產(chǎn)優(yōu)點在于生產(chǎn)工藝簡潔，漢麻纖維的出麻率較高，水資源消耗小；主要缺點在于易受環(huán)境因素影響，纖維質(zhì)量不如天然水漚法等［23］。雨露脫膠過程中發(fā)揮作用的微生物并非完全來自漚麻環(huán)境，麻莖自身攜帶的微生物亦在其中發(fā)揮著重要作用［24］。

為了進一步提高雨露脫膠在實際生產(chǎn)中的應用價值，楊慶麗等［25］篩選一株漢麻脫膠真菌取代傳統(tǒng)的天然微生物進行雨露脫膠，將脫膠時間由13 d縮短至10 d，縮短約23%，并一定程度地改善了纖維質(zhì)量。雨露脫膠簡潔的生產(chǎn)工藝使該方法仍被廣泛應用于實際生產(chǎn)中。研究者們也通過現(xiàn)代生物學方法來改進這項傳統(tǒng)技術(shù)，使其能夠適應現(xiàn)代化生產(chǎn)需求。

2.2 現(xiàn)代微生物脫膠技術(shù)

2.2.1 微生物接種脫膠技術(shù)

現(xiàn)代微生物技術(shù)主要是指在人工調(diào)控的發(fā)酵環(huán)境下，以漢麻莖稈上的膠質(zhì)等作為碳源培養(yǎng)脫膠微生物，利用微生物發(fā)育過程中分泌的胞外酶降解包裹漢麻纖維的膠質(zhì)，實現(xiàn)膠養(yǎng)菌、菌產(chǎn)酶、酶脫膠的生產(chǎn)過程。脫膠微生物的研究開始于1902年，Hauman首次從浸漬亞麻莖中分離出脫膠細菌［26］。自此，研究者們開始研究麻類脫膠過程中微生物所發(fā)揮的作用，也陸續(xù)從漢麻種植地、漚麻池等地分離出數(shù)以百計的脫膠菌株，分離獲得的脫膠微生物類型多為白腐真菌、黑曲霉、芽孢桿菌、假單胞菌等［27-30］，如 Yu等［31］篩選出的枯草芽孢桿菌 ZAL145、Guo等［32］篩選的芽孢桿菌 Y1、Cheng等［33］篩選的蘇云金芽孢桿菌、Fan等［34］篩選的芽孢桿菌HG-28等都是對漢麻生物脫膠菌種資源的豐富與拓展。Li等［35］分離一株裂褶菌（Schizophyllumcommune），并用該菌株處理漢麻纖維兩周，處理后漢麻纖維光澤良好，木質(zhì)素和果膠等膠質(zhì)組分均有不同程度的下降，木質(zhì)素含量降低到4%，果膠含量降至1.8%，但該真菌具備分泌纖維素酶的能力，可能損害漢麻纖維，不適合于脫膠生產(chǎn)。楊田等［36］篩選出兩株枯草芽孢桿菌，脫膠4 d后殘膠率降低到13%，纖維素含量達82%，漢麻纖維完全分散，色澤光亮無雜質(zhì)。張海林［37］篩選一株果膠黑曲霉2號，通過紫外誘變和離子注入誘變獲得誘變菌株C36-2，其果膠酶活性提高5.97%，最大產(chǎn)酶時間提前約8 h，纖維素酶活性降低3.15%。曾潔［38］對廣譜高效脫膠菌株DCE-01進行改造，利用三個關(guān)鍵脫膠酶基因——果膠酶基因（pelE）、木聚糖酶基因（xyn）及甘露聚糖酶基因 （man）構(gòu)建重組子，獲得多基因同源共表達的重組菌株DCE01PXM，其中pelE酶和man酶均較原菌株有顯著提升。此外也有研究［39］發(fā)現(xiàn)，放線菌也具備脫膠能力，且對環(huán)境耐受性更強，如汪學軍等［40］在六安分離出的一株具備脫膠能力的白色諾卡氏菌DM182，透明圈直徑達3.78 cm。

現(xiàn)代微生物脫膠技術(shù)環(huán)境污染小、生產(chǎn)成本低、精干麻品質(zhì)和產(chǎn)率較優(yōu)秀，能夠帶來較大的生態(tài)、經(jīng)濟和社會利益。但目前鑒定的脫膠菌株能實際用于生產(chǎn)中的相對較少，單一脫膠菌株也難以面對復雜的實際生產(chǎn)環(huán)境，導致菌株的脫膠效果不穩(wěn)定。多種脫膠菌株共同構(gòu)建的脫膠復合體系更能適應生產(chǎn)環(huán)境，復合菌系的構(gòu)建將是現(xiàn)代微生物脫膠技術(shù)應用的一個重要方式。

2.2.2 酶法生物脫膠技術(shù)

酶法生物脫膠是一種利用微生物產(chǎn)生的酶來完成脫膠的方式。目前果膠酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶和漆酶是研究比較多的用于漢麻脫膠的生物酶制劑。徐鵬等［41］從漚麻水體中分離出的X-6菌在優(yōu)化后的果膠酶發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)，可以收集到酶活力達586 U/mL的粗酶液，使用該酶液進行脫膠試驗，漢麻脫膠效果良好。吳寧等［42］使用果膠酶進行漢麻的預處理，50℃處理3 h后獲得分離情況良好的漢麻單纖維，且處理過程中漢麻纖維損傷小。李琦等［43］克隆木聚糖酶基因xyn，轉(zhuǎn)化畢赤酵母 X33，在分批加入0.5%甲醇誘導木聚糖酶表達后，木聚糖酶活性可達487.2 U/mL。成莉鳳等［44］利用源自歐文氏桿菌的β-甘露聚糖酶基因構(gòu)建新的基因工程菌株slpman-pET28a/BL，其分泌的β-甘露聚糖酶酶活性達645.5 U/mL，是出發(fā)菌株的1.97倍。郭小敏［45］研究了漆酶對漢麻纖維木質(zhì)素的降解，在介體ABTS的作用下，木質(zhì)素殘留率為1.39%。目前國內(nèi)外關(guān)于微生物產(chǎn)酶能力的研究較多，也有如添加EDTA等螯合劑作為助劑提高對應酶脫膠能力的研究［46］，多數(shù)試驗中目標酶活力通常均能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。酶法脫膠具備專一性的特點，脫膠過程中纖維損傷小，使得酶法脫膠后漢麻纖維的品質(zhì)相對優(yōu)異。但在實際生產(chǎn)中，酶法脫膠仍存在酶制劑生產(chǎn)成本高昂、實際生產(chǎn)條件變化導致脫膠效果不太理想、酶固定方法不成熟等情況，限制了酶法脫膠的生產(chǎn)應用。

3 漢麻生物脫膠技術(shù)的問題與改進方向

3.1 漢麻生物脫膠技術(shù)存在的問題

漢麻生物脫膠技術(shù)的發(fā)展限制主要源自漢麻原料的特殊性和脫膠技術(shù)的應用局限性，如何針對漢麻原料設(shè)計適宜的脫膠路線和改良生物脫膠技術(shù)對于生產(chǎn)環(huán)境的限制是漢麻生物脫膠技術(shù)研究的重點。

3.1.1 漢麻原料的特殊性

漢麻生物脫膠技術(shù)與苧麻等草本纖維作物脫膠技術(shù)最大區(qū)別和限制在于前者需要適度脫膠，這是由漢麻纖維性質(zhì)所決定的。漢麻纖維是一種短纖維，單纖維長度差異較大，一般為7～50 mm。相較苧麻纖維平均長度60～120 mm，漢麻單纖維長度難以滿足生產(chǎn)需求，若完全脫膠則會出現(xiàn)短絨現(xiàn)象，無法滿足紡織需求［47-48］。在脫膠過程中合理控制脫膠程度，保留一定量的木質(zhì)素和果膠等膠質(zhì)成分，維持短纖維的粘連狀態(tài)以獲得具有一定長度的工藝纖維，是漢麻生物脫膠技術(shù)的重要要求［49］。

3.1.2 脫膠技術(shù)的應用局限性

目前漢麻生物脫膠技術(shù)的研究主要是利用高效脫膠微生物進行漢麻脫膠。這種純菌種接種脫膠技術(shù)需要嚴格的無菌操作，即在每次發(fā)酵前均需要對原料和設(shè)備進行消毒，以確保發(fā)酵過程中沒有雜菌干擾發(fā)酵環(huán)境［50］，但這一要求難以在實際生產(chǎn)環(huán)境下實現(xiàn)。提高脫膠菌種對抗雜菌的能力是解決接種脫膠技術(shù)如何應用在實際生產(chǎn)中的關(guān)鍵。

另一種主要的生物脫膠方法為酶法脫膠，其主要限制在于生物酶生產(chǎn)技術(shù)要求高，通常只能由專業(yè)酶制劑公司制備，這就導致酶法生產(chǎn)成本增加，因此，市場上脫膠專用的酶制劑很少，且普遍酶活性較差，難以達到理想的脫膠效果。雖然有許多研究獲得了高產(chǎn)酶活性的菌株，但能成功轉(zhuǎn)化為酶制劑產(chǎn)品的較少［51］。

3.2 漢麻生物脫膠技術(shù)的改進方向

將漢麻生物脫膠技術(shù)的優(yōu)化分為純種微生物脫膠和復合菌系脫膠兩種方式。一是通過誘變育種、雜交育種、基因工程育種和進化工程育種等手段獲得高效脫膠菌株；二是利用多種脫膠菌株協(xié)同作用，通過構(gòu)建高效脫膠復合菌系，以實現(xiàn)共同脫膠。

3.2.1 單一菌株脫膠技術(shù)的改良

單一菌株脫膠技術(shù)的改良重點在于高效菌株的分離篩選。目前發(fā)現(xiàn)的高效脫膠菌株主要是從麻田、漚麻池等與漢麻生產(chǎn)相關(guān)的環(huán)境中分離獲得的，也有研究者從生產(chǎn)廢水、污泥等微生物菌落豐富的環(huán)境中分離具備麻類脫膠功能的新菌株。但天然菌株往往難以滿足實際生產(chǎn)應用的需求，誘變育種、基因工程等新型技術(shù)手段的加入使得單一菌株的脫膠性能得以進一步提升。Liu等［53］通過輻射誘變育種的手段獲得新菌株P(guān)hlebiaradiataCel26，使用該菌株進行20 d的漚麻試驗，脫膠后漢麻纖維強度為67GPa，遠超天然水漚麻的52GPa。Zhou等［54］將源自嗜堿性芽孢桿菌的耐熱堿性果膠酶基因（BacPelA）通過基因工程手段克隆至大腸桿菌中，重組后大腸桿菌BacPelA的總活性達8378.2 U/mL。陳濤等［55］利用進化工程的技術(shù)方法，發(fā)現(xiàn)了有利于枯草芽孢桿菌高效利用木糖的基因突變，結(jié)合基因工程手段獲得能夠高效利用木糖的枯草芽孢桿菌。

3.2.2 復合菌系脫膠技術(shù)的改良

為克服單一菌系在實際生產(chǎn)中對環(huán)境耐受性較差等因素，研究者嘗試使用復合菌系進行麻類脫膠研究，已有較多的成果被應用在苧麻脫膠過程中。杜兆芳等［56］按曲霉M2種子液接種量11%，芽孢桿菌B2種子液接種量6%的比例進行50 h的脫膠試驗，此條件下脫膠率達到31.9%；陳其國等［57］使用M1、B5、B3三株脫膠菌株進行混菌脫膠研究，將三株脫膠菌株按B3、B5、M1順序間隔12 h接種脫膠，脫膠過程持續(xù)60 h，脫膠率可達到29.9%。這類利用幾種脫膠菌株構(gòu)建的復合菌系往往會比單一菌種具有更強的脫膠能力，菌系的穩(wěn)定性也相對較強，復合菌系內(nèi)各菌種的協(xié)作機制是復合菌系具備較強脫膠能力的主要原因。但復雜的膠質(zhì)結(jié)構(gòu)與脫膠過程限制了此類機制的解讀，若能進一步明晰此機制的基本規(guī)律，將有利于高效復合菌系的構(gòu)建，有利于復合菌系在脫膠生產(chǎn)中的實際應用。

4 展望

漢麻生物脫膠技術(shù)是貫穿漢麻應用歷史的一項核心技術(shù)。從最初以雨露脫膠為代表的傳統(tǒng)生物脫膠技術(shù)，到現(xiàn)在以“接菌脫膠”和“酶法脫膠”為主要表現(xiàn)形式的現(xiàn)代生物脫膠技術(shù)，其本質(zhì)始終是圍繞著脫膠微生物及其產(chǎn)物-脫膠功能酶?，F(xiàn)代生物脫膠技術(shù)具備環(huán)境污染小、脫膠纖維質(zhì)量高等特點，隨著研究者們的不斷挖掘，該技術(shù)將得到廣泛的應用與發(fā)展。

目前該技術(shù)仍存在一些亟待解決的問題，如進一步提高生物脫膠效率、改善脫膠微生物抗雜菌能力和降低相關(guān)功能酶生產(chǎn)成本等。構(gòu)建具備高效脫膠能力的復合功能菌系可能是未來脫膠技術(shù)的突破點，穩(wěn)定的復合菌系在面對復雜的實際生產(chǎn)環(huán)境時能夠抑制雜菌的生長，能有效提高菌系的脫膠能力［58-59］。利用合成生物學、基因工程等新興技術(shù)手段分析脫膠細菌的全基因組結(jié)構(gòu)，篩選膠質(zhì)降解關(guān)鍵基因元件，利用其對菌種進行定向改造，提高脫膠過程中的代謝轉(zhuǎn)化效率及改善環(huán)境耐受性［60-61］。采用合成微生物群落的方法人工構(gòu)建復合菌系，利用微生物之間的相互作用機制，通過代謝設(shè)計和環(huán)境調(diào)控［62］等手段控制菌群的穩(wěn)定性及代謝方向以提高微生物脫膠效率也是可選的方向。