近三年麻纖維生物脫膠技術(shù)研究進(jìn)展

楊琦，成莉鳳，馮湘沅，鄭科，彭正紅，段盛文

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長沙 410205)

麻纖維是天然纖維的重要來源之一，具有抑菌等多種活性，是不可或缺的功能纖維，廣泛應(yīng)用于紡織、軌道交通、航空航天及醫(yī)療等領(lǐng)域[1-2]。獲得優(yōu)質(zhì)的麻纖維是推動(dòng)我國麻纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要前提。苧麻、紅麻、漢麻等多種麻類作物的韌皮中除纖維素外，還含有大量的鍵合型非纖維素物質(zhì)(俗稱“膠質(zhì)”)，由果膠和半纖維素(富含木聚糖和甘露聚糖等聚糖)等組成。剝離鍵合型非纖維素物質(zhì)(“脫膠”過程)是獲取麻纖維的必經(jīng)之路[3]。目前，工業(yè)上大多采用化學(xué)脫膠法，其成本高、能耗大、嚴(yán)重污染環(huán)境，而且纖維制成率低、品質(zhì)較差[4]。脫膠難的問題是制約麻類產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

生物脫膠可節(jié)省大量化工原料和能源，極大減輕脫膠廢水造成的環(huán)境污染，能獲得更優(yōu)質(zhì)的纖維[4]。生物脫膠有酶法脫膠和微生物脫膠兩種途徑:酶法脫膠是將功能酶(果膠酶、木聚糖酶等)異源表達(dá)后用于麻纖維的脫膠；微生物脫膠是利用脫膠菌(多為細(xì)菌)的新陳代謝特異性地對膠質(zhì)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)麻纖維的定向提取。本文將近三年來麻纖維生物脫膠技術(shù)研究進(jìn)展綜述如下，以期為進(jìn)一步對生物脫膠技術(shù)的研究提供思路，促進(jìn)生物脫膠技術(shù)應(yīng)用于麻纖維的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程，推動(dòng)麻類產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

1 近三年生物脫膠技術(shù)的發(fā)展趨勢

本文從中國知網(wǎng)、Web of Science、谷歌學(xué)術(shù)和NCBI PubMed等文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)庫中搜集了近三年與生物脫膠相關(guān)的研究型科技論文，其中2021年發(fā)表論文的數(shù)量較2020和2019年略有增加(見圖1)。在微生物脫膠方面，2021年發(fā)表論文的數(shù)量較前兩年增幅較大，說明生物脫膠的研究熱點(diǎn)在向微生物脫膠轉(zhuǎn)移。與此相對應(yīng)的，與酶法脫膠相關(guān)的論文有所減少，其中2021年所發(fā)表論文數(shù)降至10篇以下。這可能與微生物脫膠和酶法脫膠的固有特性相關(guān):酶法脫膠存在酶制劑活性不穩(wěn)定、成本高昂、酶固定和回收技術(shù)不成熟等缺陷，增大了該技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的難度；微生物脫膠具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能和清潔等優(yōu)點(diǎn)，是目前麻纖維脫膠研究的重要發(fā)展方向。

圖1 近三年與生物脫膠相關(guān)的文章數(shù)量Fig.1 Number of articles related to bio-degumming in recent 3 years

2 微生物脫膠技術(shù)

對近三年微生物脫膠相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行歸類分析(見圖2)，可分為工藝優(yōu)化、菌種資源和微生物脫膠機(jī)理研究3大類。其中，與菌種資源相關(guān)的文章數(shù)量最多，佐證了性能優(yōu)良的脫膠菌種是微生物脫膠技術(shù)的基石。

圖2 近三年與微生物脫膠相關(guān)的文章數(shù)量Fig.2 Number of articles related to microbial degumming in recent three years

2.1 微生物脫膠技術(shù)中的菌種資源

具有較強(qiáng)脫膠能力的微生物菌株/菌系來源大致有3種途徑，分別為野生型脫膠菌的篩選與應(yīng)用、脫膠工程菌的構(gòu)建以及復(fù)合菌系的馴化與菌株復(fù)配(見圖2)。其中，與復(fù)合菌系的馴化與菌株復(fù)配研究內(nèi)容相關(guān)的文章有10篇，說明多種微生物的協(xié)同作用將促進(jìn)麻類纖維的脫膠，可能是未來微生物脫膠技術(shù)發(fā)展的重要方向之一(見表1)。在脫膠微生物的篩選方面，野生型脫膠菌是菌種資源的豐富來源，對野生型脫膠菌進(jìn)行篩選與應(yīng)用是促進(jìn)微生物脫膠技術(shù)發(fā)展的源泉所在。目前，用于麻纖維脫膠的微生物資源幾乎都來源于自然環(huán)境中篩選獲得的野生型菌株，但通常野生型菌株的脫膠效果不佳，所得纖維殘膠率高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。定向改造野生型脫膠菌，獲得高效工程菌，是微生物脫膠技術(shù)能夠應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。然而，由于對微生物脫膠的代謝調(diào)控機(jī)制缺乏相對清晰的認(rèn)識，近三年構(gòu)建的麻纖維脫膠用工程菌株較少。

表1 脫膠微生物的菌種資源研究Table 1 Resources of degumming microorganisms for ramie

2.2 微生物脫膠技術(shù)中的工藝優(yōu)化

微生物脫膠工藝的優(yōu)化是進(jìn)一步提高菌株/菌系纖維提取能力的重要手段之一，工藝優(yōu)化包括菌株/菌系培養(yǎng)過程中的產(chǎn)脫膠功能酶潛力提高，脫膠工藝流程的優(yōu)化，以及將微生物脫膠技術(shù)與化學(xué)脫膠技術(shù)聯(lián)合使用等方案(見表2)。

表2 微生物脫膠工藝優(yōu)化的研究Table 2 Optimization of microbial degumming processes

2.3 微生物脫膠的機(jī)理研究

微生物實(shí)現(xiàn)麻纖維脫膠的代謝調(diào)控機(jī)制尚不清晰，缺乏對低效率野生型脫膠菌株基因組進(jìn)行定向改造的理論指導(dǎo)，是造成高效纖維提取工程菌匱乏的主要原因。解析復(fù)雜、精細(xì)而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈⑸锩撃z代謝調(diào)控機(jī)制對于定向構(gòu)建麻纖維高效脫膠工程菌，具有重要的理論指導(dǎo)意義，Yang等[26]分析了紅麻微生物脫膠過程中功能酶活性與脫膠效果的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)以酶活性高低為指導(dǎo)進(jìn)行紅麻脫膠高效菌株的篩選或性能評價(jià)存在一定的局限性；Duan等[27]基于宏基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)對紅麻脫膠過程進(jìn)行了深度解析，發(fā)現(xiàn)Chryseobacterium、Dysgonomonas、Acinetobacter、Lactococcu、Bacteroides、Wallemia hederae與Codosiga hollandica是紅麻脫膠的關(guān)鍵細(xì)菌或真菌；Yang等[28]首次全面揭示了枯草芽孢桿菌對苧麻韌皮聚糖組分降解的蛋白質(zhì)組變化規(guī)律，為構(gòu)建苧麻脫膠高效工程菌提供了重要的科學(xué)依據(jù)；郜明強(qiáng)[29]對苧麻脫膠菌株D.dadantiiDCE-01進(jìn)行了全基因組測序、TMT標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組和關(guān)鍵脫膠酶分析，為解析DCE-01菌株的高效脫膠機(jī)制提供了科學(xué)依據(jù)；吳亞等[30]對芽孢桿菌苧麻脫膠動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)兼具高活性的果膠酶和半纖維素酶是實(shí)現(xiàn)微生物徹底脫膠的核心要素，維持其酶促動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性是提高脫膠效率的關(guān)鍵因素。

3 酶法脫膠技術(shù)

對近三年酶法脫膠相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行歸類分析(見圖3)，可分為果膠酶脫膠、復(fù)合酶脫膠、酶-化學(xué)/物理聯(lián)合脫膠和酶法脫膠機(jī)理研究4類。其中，應(yīng)用果膠酶對麻纖維進(jìn)行脫膠的文章將近50%，說明在酶法脫膠工藝中，果膠酶的應(yīng)用是關(guān)鍵所在。

圖3 近三年與酶法脫膠相關(guān)的文章數(shù)量Fig.3 Number of articles related to enzymatic degumming in recent three years

3.1 果膠酶

果膠是一類廣泛存在于植物細(xì)胞壁的初生壁和細(xì)胞中間片層的雜多糖，主要是一類以D-半乳糖醛酸由α-1，4-糖苷鍵連接組成的酸性雜多糖，是麻類作物韌皮中含量最豐富的聚糖組分之一。在酶法脫膠中，果膠的高效降解是實(shí)現(xiàn)麻纖維提取的優(yōu)選途徑，獲得耐熱耐堿性能更優(yōu)、酶活力更高的果膠酶，是促進(jìn)麻纖維酶法脫膠技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。有關(guān)果膠酶在麻纖維脫膠中應(yīng)用的研究進(jìn)展見表3。

表3 果膠酶的研究Table 3 Pectinases for enzymatic degumming of bast fibers

3.2 復(fù)合酶

麻類作物的韌皮中，除了果膠外，還含有豐富的半纖維素，半纖維素由木聚糖和甘露聚糖等聚糖類物質(zhì)組成，這決定了麻纖維的酶法脫膠將不僅限于果膠酶與果膠的簡單酶促反應(yīng)，而將是復(fù)合脫膠酶/酶系與韌皮中非纖維素組分的復(fù)雜酶解反應(yīng)。為此，研究者們也將目光從單一的果膠酶研究轉(zhuǎn)向了復(fù)合酶脫膠的領(lǐng)域。Xiang等[45-46]利用半纖維素酶提取大麻纖維，效果良好，此外，他們還利用漆酶和半纖維素酶體系對大麻纖維進(jìn)行改性處理，進(jìn)一步提高了漢麻纖維的性能。蔡莉等[47]優(yōu)化了兩株劍麻脫膠酶生產(chǎn)菌的培養(yǎng)條件，所產(chǎn)復(fù)合脫膠酶可用于劍麻脫膠。陳靜等[48]研究了劍麻纖維的生物脫膠工藝，當(dāng)果膠酶、半纖維素酶、漆酶復(fù)配比為1∶4∶4，復(fù)合酶用量為100 g/L，酶處理液溫度為50℃，酶處理時(shí)間為4 h時(shí)，殘膠率最低。陳佳月等[49]研究了苧麻纖維的堿性復(fù)合生物酶脫膠工藝，將乙二胺四乙酸二鈉水溶液預(yù)處理的苧麻纖維通過果膠酶(40 g/L)和漆酶(10 g/L)的復(fù)合酶在52℃處理3 h，隨后，在100℃通過NaOH水溶液(10 g/L)繼續(xù)處理3 h，所得苧麻纖維的各項(xiàng)指標(biāo)可基本達(dá)到三級苧麻精干麻的要求。

3.3 酶-化學(xué)/物理聯(lián)合脫膠工藝

盡管酶法脫膠具有綠色環(huán)保、反應(yīng)溫和等優(yōu)越性，但所獲得纖維的分散度、殘膠率等指標(biāo)將稍遜于堿脫膠工藝[44]，因而，科研工作者進(jìn)一步開發(fā)了酶-化學(xué)/物理聯(lián)合脫膠工藝。其中，酶-化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝是重點(diǎn)研究方向。Liu等[50]發(fā)現(xiàn)經(jīng)環(huán)保型化學(xué)脫膠試劑NaClO處理后的大麻纖維，再用漆酶處理，可獲得用于紡織的高質(zhì)量大麻纖維；鄭振榮等[51-52]研發(fā)了一種新型大麻纖維草酸銨-酶聯(lián)合脫膠工藝，經(jīng)過最佳工藝處理后大麻纖維的殘膠率低至2.34%，優(yōu)于堿脫膠工藝與堿-酶聯(lián)合脫膠工藝處理后的大麻纖維；Chaudhuri等[53]優(yōu)化了一種生物-化學(xué)脫膠工藝，該工藝在苧麻脫膠中可顯著提高苧麻纖維的強(qiáng)度與光澤；王清等[54-55]研究了非洲劍麻生物-化學(xué)脫膠與生物酶脫膠的工藝。Zhang等[56]研發(fā)了一種高效環(huán)保的生物化學(xué)脫膠方法，利用堿性果膠酶裂解酶溶液和化學(xué)添加劑處理大麻纖維，當(dāng)添加1.5%堿果膠裂解酶、化學(xué)助劑堿總量≤0.4%、鹽總量≤0.8%時(shí)，生化脫膠工藝的最佳條件為浴比1∶10，反應(yīng)溫度60℃，時(shí)間60 min；朱夢婷等[57]采用生物(果膠酶)-化學(xué)脫膠法對劍麻纖維進(jìn)行脫膠處理，脫膠后的殘膠率為5.93%，纖維素含量為61.78%，纖維素晶型沒有發(fā)生改變，力學(xué)性能良好。在酶-物理聯(lián)合脫膠方面，高世會[58]開發(fā)了一種超臨界CO2技術(shù)聯(lián)合果膠酶和木聚糖酶處理，對羅布麻韌皮纖維進(jìn)行脫膠的新型工藝，結(jié)果表明該工藝脫膠速率快、效果好。

3.4 酶法脫膠的機(jī)理研究

基于酶法脫膠的工藝，Qi等[59]表征了苧麻纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性，探究了酶法脫膠的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)生物脫膠苧麻纖維表面光滑，具有良好的收縮率、吸收性和刮擦性等特性。

4 不同膠質(zhì)組分對生物脫膠技術(shù)的影響

麻纖維周圍包裹著多種膠質(zhì)組分，如果膠、半纖維素和木質(zhì)素等，為探究不同膠質(zhì)組分對生物脫膠效果的影響，Gong等[60]研究了羅布麻脫膠過程中的頑固分子，發(fā)現(xiàn)引起羅布麻韌皮頑抗的主要成分是木質(zhì)素和半纖維素；Li等[61]基于可視化形態(tài)特征分析，表征了苧麻韌皮中的多糖和多糖分布對脫膠效果的影響，發(fā)現(xiàn)果膠充盈在苧麻韌皮的胞間層，在原麻膠質(zhì)中起到與其他成分膠連的作用。綜合近三年來微生物脫膠和酶法脫膠的研究進(jìn)展(圖2、3)，推測果膠降解在苧麻脫膠中占據(jù)核心地位，是促進(jìn)苧麻韌皮膠質(zhì)降解的關(guān)鍵步驟。在微生物脫膠中，對果膠進(jìn)行降解需經(jīng)過胞外降解、跨膜運(yùn)輸和胞內(nèi)代謝三步；在酶法脫膠中，則只需經(jīng)過胞外降解的步驟(圖4)。這意味著提高果膠的代謝效率是促進(jìn)微生物脫膠技術(shù)發(fā)展的突破口，增強(qiáng)胞外果膠酶的降解活性將是推動(dòng)酶法脫膠技術(shù)發(fā)展的切入點(diǎn)。

圖4 果膠在生物脫膠技術(shù)中的降解Fig.4 Degradation of pectin in bio-degumming technology

5 結(jié)語與展望

近三年來，麻纖維生物脫膠技術(shù)取得了長足進(jìn)步，成就顯著。在日益注重綠色環(huán)保的時(shí)代背景之下，生物脫膠技術(shù)將是麻纖維產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的根本保障。在微生物脫膠方面，性能優(yōu)良的菌種資源是促進(jìn)該技術(shù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的必要前提，也是目前科研工作者積極努力的方向。在酶法脫膠方面，對果膠酶的耐熱、耐堿、活性位點(diǎn)等研究是領(lǐng)域熱點(diǎn)。與此同時(shí)，研究過程中也發(fā)現(xiàn)了生物脫膠技術(shù)的一些不足，例如:麻纖維的生物脫膠效果與傳統(tǒng)化學(xué)脫膠相比，差距較明顯。因此，今后應(yīng)從以下幾方面著手:微生物菌種資源的選育、高效脫膠酶的獲得、生物-化學(xué)/物理聯(lián)合脫膠工藝流程的優(yōu)化等，促進(jìn)生物脫膠技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。