摘  要：纖維的生物脫膠技術(shù)是促進(jìn)麻類(lèi)產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要保障。文章綜述了近三年來(lái)生物脫膠技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，從微生物脫膠技術(shù)和酶法脫膠技術(shù)兩方面，詳細(xì)闡述了生物脫膠技術(shù)提取麻纖維的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，以期為進(jìn)一步促進(jìn)麻纖維生物脫膠技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物脫膠；微生物脫膠；酶法脫膠；麻纖維

麻纖維是天然纖維的重要來(lái)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。獲得優(yōu)質(zhì)的麻纖維是推動(dòng)我國(guó)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(lèi)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(chēng)“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(guò)程)是獲取麻纖維的必經(jīng)之路。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。脫膠難的問(wèn)題是制約麻類(lèi)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。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(duì)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(lái)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(duì)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(lèi)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(shì)

本文從中國(guó)知網(wǎng)、WebofScience、谷歌學(xué)術(shù)和NCBIPubMed等文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiàn)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(shuō)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(duì)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。

2微生物脫膠技術(shù)

對(duì)近三年微生物脫膠相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行歸類(lèi)分析(見(jiàn)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(lèi)。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。

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(lái)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(jiàn)圖2)。其中，與復(fù)合菌系的馴化與菌株復(fù)配研究?jī)?nèi)容相關(guān)的文章有10篇，說(shuō)明多種微生物的協(xié)同作用將促進(jìn)麻類(lèi)纖維的脫膠，可能是未來(lái)微生物脫膠技術(shù)發(fā)展的重要方向之一(見(jiàn)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(lái)源，對(duì)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(lái)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(duì)微生物脫膠的代謝調(diào)控機(jī)制缺乏相對(duì)清晰的認(rèn)識(shí)，近三年構(gòu)建的麻纖維脫膠用工程菌株較少。

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(guò)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(jiàn)表2)。

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(duì)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(duì)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等分析了紅麻微生物脫膠過(guò)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(píng)價(jià)存在一定的局限性;Duan等基于宏基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)紅麻脫膠過(guò)程進(jìn)行了深度解析，發(fā)現(xiàn)Chryseobacterium、Dysgonomonas、Acinetobacter、Lactococcu、Bacteroides、Wallemiahederae與Codosigahollandica是紅麻脫膠的關(guān)鍵細(xì)菌或真菌;Yang等首次全面揭示了枯草芽孢桿菌對(duì)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)對(duì)苧麻脫膠菌株D.dadantiiDCE－01進(jìn)行了全基因組測(cè)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);吳亞等對(duì)芽孢桿菌苧麻脫膠動(dòng)態(tài)過(guò)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(duì)近三年酶法脫膠相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行歸類(lèi)分析(見(jiàn)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(lèi)。其中，應(yīng)用果膠酶對(duì)麻纖維進(jìn)行脫膠的文章將近50%，說(shuō)明在酶法脫膠工藝中，果膠酶的應(yīng)用是關(guān)鍵所在。

3.1果膠酶

果膠是一類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(jiàn)表3。

3.2復(fù)合酶

麻類(lèi)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(lèi)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(jiǎn)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(duì)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100g/L，酶處理液溫度為50℃，酶處理時(shí)間為4h時(shí)，殘膠率最低。陳佳月等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(guò)果膠酶(40g/L)和漆酶(10g/L)的復(fù)合酶在52℃處理3h，隨后，在100℃通過(guò)NaOH水溶液(10g/L)繼續(xù)處理3h，所得苧麻纖維的各項(xiàng)指標(biāo)可基本達(dá)到三級(jí)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，因而，科研工作者進(jìn)一步開(kāi)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(guò)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60min;朱夢(mèng)婷等采用生物(果膠酶)－化學(xué)脫膠法對(duì)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(méi)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(huì)開(kāi)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(duì)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(duì)生物脫膠技術(shù)的影響

麻纖維周?chē)喾N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(duì)生物脫膠效果的影響，Gong等研究了羅布麻脫膠過(guò)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(duì)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(lái)微生物脫膠和酶法脫膠的研究進(jìn)展(圖2、3)，推測(cè)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(duì)果膠進(jìn)行降解需經(jīng)過(guò)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(guò)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)。

5結(jié)語(yǔ)與展望

近三年來(lái)，麻纖維生物脫膠技術(shù)取得了長(zhǎng)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(duì)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(guò)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。

文章摘自：楊琦,成莉鳳,馮湘沅,鄭科,彭正紅,段盛文.近三年麻纖維生物脫膠技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)麻業(yè)科學(xué),2022,44(04)：245-252.