果胶复合酶的生产及其在亚麻脱胶中的应用

田英华 刘晓兰 郑喜群

文章介绍了以黑曲霉HYA4为菌种,采用固体发酵方法生产果胶复合酶的方法。通过测定脱胶过程中果胶酶、半纤维素酶活力及脱胶周期,确定脱胶的适宜条件。工艺优化后脱胶周期可缩短至 22 h,麻茎失重率与温水脱胶的相当,脱胶液可重复利用 4 次。

This article discussed the production of the pectin compound enzyme by solid state fermentation with aspergillus niger HYA4. By detecting the activity of pectinase and hemicellulase and the retting-period, the optimal retting-condition was determined. Under these optimal conditions, the retting-period can be reduced to 22 h, the weight-decreasing ratio was the same as the natural-retting, and the enzyme liquor could be recycled by four times.

亚麻是重要的纺织原料作物,亚麻纤维制品吸湿散热快、透气性好、挺括,广泛用于服装服饰等行业,颇受消费者的喜爱。然而亚麻脱胶是一个复杂的生物化学过程,不仅仅是果胶物质的部分分解,还伴随着半纤维素、木质素等其他非纤维物质的部分降解,麻纤维的优良性能是否得到充分发挥,与其脱胶好坏有着直接的关系。脱胶效果对单纤维理化性能、纺纱工艺和成纱质量以及织物风格、服用性能等都有十分重要的意义。由于传统的亚麻脱胶方法存在脱胶周期长、对环境污染严重以及纤维品质不稳定等弊端,人们一直努力寻找现行亚麻脱胶的替代方法。将微生物产生的酶类应用于亚麻脱胶,可以改善纤维的品质、缩短脱胶周期、减少废水排放量,具有广阔的应用前景。20世纪80年代以来,国外学者开发了用于亚麻脱胶的复合酶,但由于生产成本过高及纤维强力损失较大等原因,至今仍处于实验室研究阶段。我国对亚麻脱胶研究起步较晚,目前的研究主要集中在细菌脱胶方面,但细菌脱胶培养条件较严格、操作繁琐,很难实现工业化生产。本文对黑曲霉生产的果胶复合酶用于亚麻脱胶的工艺进行了探讨。

1实验材料与方法

1.1实验材料

亚麻:由黑龙江省金鼎亚麻纺织集团提供;沤麻用水:取自嫩江;菌种:黑曲霉HYA4由齐齐哈尔大学生命科学与工程学院生化工程实验室保藏;主要试剂:果胶和木聚糖为sigma公司产品。

1.2实验方法

(1)培养基及培养条件

① 斜面活化培养基:PDA培养基,去皮马铃薯 200 g,切成小块,加 1 000 mL水煮沸 30 min,双层纱布过滤成清液;加水至 1 000 mL,然后加入琼脂 20 g,葡萄糖 20 g完全溶解,pH值自然。② 固体发酵产酶培养基:麸皮 10 g,豆粕 2.5%,NaNO3 3.5%,(NH4)2SO4 1.0%,加水量 10 mL,121 ℃灭菌 20 min。③ 培养条件:250 mL三角瓶装料 10 g,起始pH值 5.0 ～ 5.5,培养温度 32 ℃,培养时间为 96 h。

(2)脱胶用粗酶液的制备

固体发酵后向培养基中以 1∶25(w/v干曲)加入江水,室温浸提 3 h,8 层纱布过滤即得粗酶液。

(3)亚麻的酶法脱胶

① 亚麻脱胶方法:将亚麻原茎剪成长 20 cm的茎段,称取 150 g,加入自制脱胶瓶中,自来水浸泡 8 h,取出麻茎淋出水分,按浴比 1∶10 加入粗酶液,36 ℃恒温静止脱胶。② 脱胶液重复利用的方法:将固体发酵浸提所得粗酶液用于脱胶,至脱胶终点时取出麻茎,剩余脱胶液全部用于下一批次脱胶,不足量以江水补充,循环使用。

(4)酶活力的测定,采用 3,5 – 二硝基水杨酸法(DNS法)。

(5)脱胶终点的判断:采用抽茎法。

(6)脱胶后麻茎失重率的计算(重量差法)。

2结果与讨论

2.1天然温水脱胶过程中酶活力的变化

果胶和半纤维素是亚麻脱胶的主攻对象,脱胶液中果胶酶、半纤维素酶活力的高低直接影响亚麻脱胶周期和打成麻的质量。对天然温水脱胶过程中果胶酶和半纤维素酶活力进行测定,结果如图 1。

由图 1 可见,天然温水脱胶液中果胶酶的活性较高,而半纤维素酶活力较低。果胶酶活性呈现出由低到高再逐渐降低的变化趋势,脱胶 60 h时达最高值,然后缓慢下降。而半纤维素酶的活力却呈很缓慢的增长趋势。天然水脱胶后麻茎失重率为 14.2%。

在脱胶初期,麻茎韧皮部中水溶性果胶物质首先被分解,使得半纤维素也逐渐暴露出来,对半纤维素酶产生菌有一定的诱导作用,导致其酶活力逐渐增强;随着脱胶的进行,半纤维素的降解反过来又在一定程度上增加了果胶酶与果胶类胶质的接触面积,促进了果胶物质的分解。到了脱胶末期,随着麻茎中果胶含量的减少以及脱胶液的环境条件不利于产果胶酶菌株的生长,果胶酶活性呈现出下降趋势。

在脱胶过程中果胶酶为主要的脱胶酶,半纤维素酶起一定的促进作用,二者共同作用最后麻茎胶质被逐渐脱除。

2.2适宜加酶量的确定

分别以 1∶25(加酶量A)和 1∶50(加酶量B)(w/v干曲)向固体发酵后的培养基中加入江水,浸提所得酶液用于脱胶。36 ℃静止脱胶,每隔 4 h测定脱胶液的果胶酶和半纤维素酶活力并判断麻茎的脱胶程度,结果如图 2。

由图 2 可见,加酶量A的脱胶终点时间为 24 h,比天然水脱胶周期缩短了 80%。随着脱胶的进行,果胶酶和半纤维素酶活力均呈现下降趋势。至脱胶终点果胶酶活力下降了 42%;半纤维素酶活在脱胶开始后 8 h内迅速降低了 86.5%,而后基本维持不变直至脱胶终点。加酶量A脱胶后麻茎失重率为 13.68%。加酶量B的脱胶终点时间为 34 h,比天然水脱胶缩短了近 70%。与加酶量A不同,在加酶量B的脱胶过程中,果胶酶和半纤维素酶活力呈现由高到低然后再回升的趋势,其原因可能是随着脱胶时间的延长,麻茎和水源中的天然微生物产生了一定量的果胶酶和半纤维素酶,弥补了损失的酶活力。加酶量B脱胶后麻茎失重率为 14.16%。

由以上比较可见,加酶量大,即随着脱胶液中酶活力的提高,亚麻茎中胶质被分解的速度加快,脱胶周期由 34 h(加酶量B)缩短至 24 h(加酶量A)。但加酶量大,在脱胶过程中酶活力的损失也越大,脱胶成本增加。因此,在实际应用中要确定适宜的加酶量还要依据生产成本等因素进行综合考虑。以下实验均采用加酶量A。

2.3酶液适宜初始pH值的确定

采用初始pH值为 4、5、6、7 的酶液分别进行亚麻脱胶。果胶酶活力的变化如图 3,酶液初始pH值对果胶酶活力的影响不大,果胶酶活力变化趋势基本保持一致。

酶液初始pH值对半纤维素酶活力影响较大,如图 4 所示,随酶液初始pH值的升高,酶活力降低幅度趋缓。

初始pH值对麻茎失重率及脱胶周期的影响见表 1,由表 1 可见,酶液初始pH值为 6 ～ 7 时,脱胶周期最短,为 22 h;pH值为 7 时的麻茎失重率最大,为 14.07%。因此,选择pH值 6 ～ 7 作为适宜的酶液初始pH值。

2.4适宜脱胶温度的确定

温度对脱胶效果的影响是影响酶反应速度和使酶失活两方面的综合。采用固体发酵所得粗酶液,浴比 1∶10,在28、32、36、40 ℃条件下分别进行亚麻脱胶,结果如图 5 和图 6。由图可见,温度对酶活力的影响较为显著,随着温度的升高酶活力下降幅度加大。

温度对麻茎失重率及脱胶周期的影响见表 2。失重率受温度的影响较小,而脱胶周期受温度的影响较大。温度过高或过低均不利于脱胶,因此选择 36 ℃作为适宜脱胶温度。

2.5脱胶液重复利用对脱胶效果的影响

将酶液重复使用进行脱胶实验,结果如图 7 所示。可见,果胶酶活力在前 3 次脱胶过程中呈逐渐下降的趋势,至第 3 次脱胶终点酶活力降至最小值,仅为脱胶开始时的 32.34%。此后,随着第 4 次脱胶开始,果胶酶活力开始缓慢上升,在 36 h左右升至 46.37%,然后逐步下降直到第 4 次脱胶终点。第 4 次脱胶结束时脱胶液中的果胶酶活力仍比天然水脱胶中的高得多,但脱胶液已经相当混浊、异臭味较大。在脱胶液重复利用过程中半纤维素酶活力下降幅度较大,特别是第 2 次脱胶过程中下降了近 90%,在第 4 次脱胶中半纤维素酶活力几乎为 0。

麻茎失重率和脱胶周期结果见表 3。可见,随着脱胶液重复利用次数增加,麻茎失重率下降,脱胶周期延长。其原因可能是随着脱胶液中酶的失活、微生物量的增长以及有机物浓度的加大,对菌体生长及酶促反应均产生了负面影响。

3结论

(1)以黑曲霉HYA4为菌种,采用固体发酵方法生产亚麻脱胶用果胶复合酶,可在一定程度上解决酶制剂脱胶成本过高的问题。

(2)固体发酵后以 1∶25(w/v干曲)加入江水浸提培养基,所得酶液用于脱胶,酶液适宜初始pH值为 6 ～ 7,浴比 1∶10,适宜脱胶温度为 36 ℃,脱胶周期可缩短至 22 h,与温水脱胶相比缩短了约 82%;麻茎失重率与温水脱胶的相当。

(3)脱胶液可重复利用 4 次,第 4 次脱胶周期为 65 h。第 4 次脱胶后脱胶液浑浊,异臭味大,但果胶酶活力仍较高。对脱胶液的重复利用方面还需作进一步的探索。

参考文献(略)