苎麻微生物脱胶菌株的最佳脱胶条件

陈景浩， 卢必涛， 王天佑， 蓝广芊

(西南大学 纺织服装学院， 重庆 400715)

苎麻纤维具有良好的纺纱性能及服用性能，是重要的纺织原料之一。苎麻纤维的化学成分主要由纤维素、半纤维素、果胶、木质素、蜡质脂肪、色素、蛋白质和矿物质等组成，因此可采用全脱胶的方法获得单纤维，从而得到线密度小、均匀度好的苎麻纱[1]。苎麻脱胶有化学脱胶和微生物脱胶2种方法。化学脱胶主要采取强酸强碱等方法去除胶质，生产成本高，脱胶制成率低，用水多，能耗高，排污量大，不符合目前我国节能减排的号召。微生物脱胶是利用微生物在繁殖过程中分泌出的一种酶来分解胶质，使高分子质量的果胶及半纤维素等分解成低分子质量的物质溶于水中，完成脱胶[2]，该工艺过程环保，对纤维损伤小，对提高苎麻纤维的单纤维强力和麻纤维的质量十分有利[3]。微生物脱胶既可保持苎麻天然植物纤维的自然风格和特性，又有效避免了环境污染，因此苎麻微生物脱胶的研究对改善当前环境污染的严重现状具有积极意义[4]。为得到微生物脱胶菌株的最佳脱胶条件，本文以培养时间、培养温度、菌液量体积比、转速为试验因素，通过4因素3水平正交试验，来研究其最佳脱胶条件。

1 试验部分

1.1 试验材料和设备

试验材料：苎麻，购自四川省大竹县苎麻厂；菌株主要是用学院的苎麻微生物脱胶菌株富集液；牛肉膏(北京奥博星生物技术有限责任公司)，NaCl(重庆北碚化学试剂厂)，蛋白胨(北京奥博星生物技术有限责任公司)。

试验设备：洁净无菌工作台(苏州安泰空气技术有限公司)；ES-315高压灭菌锅(上海民仪电子有限公司)；JA2003A电子天平(上海精天电子仪器有限公司)；Y802N八篮恒温烘箱(南通宏大实验仪器有限公司)；ZD-85A恒温振荡器(金坛市富华仪器有限公司)；DHP-9082电热恒温培养箱(上海齐欣科学仪器有限公司)；LLY-06AD型电子单纤维强力仪(莱州市电子仪器有限公司)；S3000扫描电子显微镜(日本Hitachi公司)。

1.2 试验方法

1.2.1培养基的配制

牛肉膏5 g，NaCl 5 g，蛋白胨10 g，蒸馏水1 000 mL，pH值为7.4～7.6。常规细菌生化培养基，参照文献[5]配制。

1.2.2苎麻微生物脱胶菌株的筛选

从脱胶效果较好的菌株中筛选出1种脱胶效果最好的菌种，以便进行下一步。试验步骤为：将脱胶菌株活化后，接种于LB培养基，37 ℃下振荡培养24 h,取10 mL脱胶菌株培养液加入经过高压灭菌的苎麻原麻试样，每个原麻试样中有4个原麻样品和180 mL蒸馏水，然后放入电热恒温培养箱，培养温度为37 ℃；每个菌株做3个重复试验，分别为3、5、7 d。

1.2.3减量率的计算

设苎麻脱胶前质量为G1，经过微生物脱胶后苎麻质量为G2，则苎麻减量率的计算公式[6]为：

1.2.4菌株8-1脱胶最佳条件正交试验设计

以培养时间、培养温度、菌液量体积比、转速为试验因素，每个因素拟采取3个水平，选用L9(34)正交表进行正交试验，以苎麻微生物脱胶后的减量率作为考察指标，正交因素水平见表1。对4个试验因素进行正交试验，方案见表2。

表1 因素水平表Tab.1 Level of factor

表2 正交试验方案设计Tab.2 Orthogonal test designs

1.2.5微生物脱胶菌株脱胶效果验证试验

采用脱胶效果最好的菌株8-1，通过正交试验得到最佳脱胶条件，在此条件下将脱胶苎麻用量和菌液量均扩大25倍，即苎麻100 g、培养时间4 d、培养温度39 ℃、菌液量125 mL、静置培养，具体脱胶试验步骤与1.2.2相同。

1.2.6苎麻化学脱胶

称取100 g的苎麻原麻进行化学脱胶。其工艺为：浸酸→水洗→煮练→酸洗→水洗→烘干。具体条件为[7]：1)浸酸：2%H2SO4，1 h，50 ℃，浴比1∶15；2)水洗：蒸馏水，3 min，50 ℃；3)煮练：12%NaOH，3%Na2SiO3，2 h，100 ℃，浴比1∶20；4)酸洗：2%H2SO4，3 min，室温，浴比1∶15。

1.2.7脱胶纤维力学性能测试

用LLY-06AD型电子单纤维强力仪测量微生物脱胶与化学脱胶后单纤维力学性能。参数设置为：隔距10 mm，拉伸速度40 mm/min，预加张力1 cN。分别随机抽取2种脱胶方法得到的苎麻单纤维50根，取平均值。

1.2.8脱胶纤维微观表面观察

取苎麻原麻纤维、经菌株8-1脱胶后的苎麻纤维和经化学脱胶后的苎麻纤维，分别用电镜观察其表面形态。

2 试验结果和分析

2.1苎麻微生物脱胶菌株的筛选

计算6种菌株脱胶后的减量率，结果见表3。由表可知，菌株8-2的平均减量率为25.11%，菌株N8的平均减量率为26.33%，菌株8-1的平均减量率为28.42%，菌株6的平均减量率为27.88%，菌株9的平均减量率为25.73%，菌株10的平均减量率为24.08%。

由于苎麻原麻中的胶质含量一般为25%～35%，因此质量减少25%～35%可视为脱胶效果较好。可认为这5种菌株的脱胶效率都非常好；而菌株8-1平均减量率比其他4种菌株更加洁白，纤维发散更加完全，因此，选取菌株8-1为最佳脱胶菌株，进行下一步试验。

表3 脱胶菌株减量率Tab.3 Degumming rate of degumming efficient strains

2.2 正交试验结果与数据分析

正交试验结果见表4。

表4 菌种8-1正交试验结果分析Tab.4 Analysis of 8-1′s orthogonal tests

根据kA1、kA2、kA3的大小可判断A1、A2、A3对试验指标的影响大小。由于试验指标为减量率，而kA3>kA2>kA1，所以可断定A3为A因素的最优水平。同理，可计算并确定B2、C1、D1分别为B、C、D因素的最优水平。4个因素的最优水平组合A3B2C1D1为本试验的最优水平组合，即8-1菌种对于苎麻微生物脱胶最佳条件为：培养温度39 ℃；培养时间4 d；菌液量体积比1∶40；转速160 r/min。

根据极差大小，判断因素的主次影响顺序。计算出A、B、C、D因素的极差值分别为1.17、8.75、1.24、0.60。比较R值大小可见，RB>RC>RA>RD，所以因素对试验指标影响的主次顺序是BCAD，即培养时间影响最大，其次是培养温度和菌液量体积比，而转速的影响最小。

综合以上数据分析，菌株8-1经过正交试验基本可得到苎麻微生物脱胶的最佳条件。其中培养时间影响最大，培养4 d已得到脱胶效果较好的苎麻。其次是培养温度和菌液量体积比，温度为39 ℃、菌液量体积比在1∶40左右时得到的苎麻脱胶效果较好。转速对于脱胶影响最小，因此苎麻微生物脱胶时只要静置就可以。

2.3 菌株8-1脱胶效果验证

在温度为39 ℃、菌液量体积比为1∶40、静置培养时间为4 d条件下，将菌株8-1进行脱胶效果验证试验，完成后用清水清洗苎麻，可发现效果较好，苎麻纤维发散完全，手感柔软，颜色较白，基本上将胶质脱去(见图1)。

将脱胶后的苎麻放入烘箱80 ℃烘干至质量恒定，称量，计算得到减量率，结果见表5。由表可看出，菌株8-1胶质去除率达到了25.94%，基本达到脱胶要求，并且由图1可见脱胶效果较好，苎麻纤维发散完全，手感柔软，因此验证了微生物脱胶效果。

表5 菌株8-1减量率Tab.5 Degumming rate of strain 8-1

2.4 脱胶纤维力学性能

以化学脱胶后的苎麻纤维为对照样，对经过菌株8-1脱胶后苎麻纤维的力学性能，结果见表6。由表可知，微生物脱胶的苎麻纤维断裂强力、断裂强度、断裂功都大于化学脱胶的，相应的断裂伸长和伸长率比化学脱胶的苎麻纤维小，但不匀率也小[8]。经过微生物脱胶后，苎麻纤维强力比化学脱胶后的苎麻纤维提高43.45%，其原因可能是原麻没有经过浸酸预处理和化学试剂碱煮练，对于纤维的损伤比较小。微生物脱胶处理的条件温和，能够最大限度地保留纤维的原有性能[9]。

图1 苎麻微生物脱胶效果图Fig.1 Effect drawing of ramie degum by microorganism. (a) Blank control； (b) Degumming effect of 8-2 strains

表6 不同脱胶方法苎麻纤维的力学性能比较Tab.6 Mechanical property contracts of two kinds of fibers

2.5 脱胶纤维微观形态表征

取苎麻原麻纤维、经菌株8-1脱胶后的苎麻纤维和经化学脱胶后的苎麻纤维进行电镜观察，纵截面形态见图2。由图可见：与未经过脱胶的苎麻原麻单纤维相比，经过微生物脱胶后的苎麻单纤维表面的胶质几乎完全脱掉了，没有其他杂质；与经过常规化学脱胶后的苎麻单纤维相比，经微生物脱胶后的苎麻单纤维损伤很小，表面光滑[10]。

图2 不同处理方式的苎麻单纤维SEM照片(×2 000)Fig.2 SEM images of ramie fiber with different degumming methods (×2 000). (a) Ramie fiber without degumming; (b) Ramie fiber degummed by 8-1 strains; (c) Ramie fiber degummed by chemical method

3 结 语

1)通过试验发现，利用筛选得到的高效脱胶菌株对苎麻进行微生物脱胶处理后，苎麻纤维完全发散，手感柔软，色泽较白，其中菌株8-1胶质去除率达到了28.42%，脱胶效果明显，是6种菌株脱胶效果最好的，因此选用菌株8-1进行后阶段试验。

2)影响最大的因素为培养时间，其次是培养温度和脱胶菌株的菌液量体积比，影响最小的因素是转速。当脱胶处理条件为4 d、39 ℃、菌液量体积比为1∶40、静置培养时，可达到较好的脱胶效果。

3)通过脱胶效果验证试验得出，菌株8-1胶质去除率达到了25.94%，基本达到脱胶要求，并且脱胶效果较好，苎麻纤维发散完全，手感柔软。说明苎麻微生物脱胶有较大应用价值。

4)通过试验发现，经过微生物脱胶后的苎麻单纤维强力高于化学脱胶后的苎麻单纤维强力，并且经微生物脱胶后的苎麻单纤维表面光滑，损伤很小。进一步说明苎麻微生物脱胶具有很大的发展前景。

FZXB

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