汉麻生物脱胶技术研究进展

刘嘉乐，孙宇峰，王伟东*

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院/寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室，黑龙江 大庆 163319；2.粮食副产物加工与利用教育部工程研究中心，黑龙江 大庆 163319；3.黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319）

汉麻（Hemp），也被称为工业大麻，是大麻科大麻属一年生草本植物。汉麻具有很高的综合利用价值，其皮、茎、叶、花和籽均可以加工成为工业原料，其韧皮纤维具有吸湿排汗、防紫外和吸附异味等功能，受到广泛关注［1］。汉麻韧皮纤维生产的关键环节是脱去汉麻原麻中果胶、半纤维素和木质素等非纤维素胶质，同时避免损害纤维本身［2］。目前汉麻的脱胶方法主要有传统沤麻法、化学脱胶法和生物脱胶法三种。传统沤麻法作为一种历史悠久的生物脱胶技术，存在污染大、耗时长、受气候环境影响等缺点，难以适应工业生产。以往工业生产多采用化学脱胶法，该方法生产汉麻纤维需要较高的能耗，环境污染相对严重，且汉麻纤维往往因为生产使用的酸碱成分受到一定程度的损伤，影响纤维质量［3］。生物脱胶法与上述两种方法相比具有显著的优势，更具发展潜力。

生物脱胶法主要分为两种，微生物法脱胶和酶法脱胶。微生物法脱胶是以汉麻纤维的胶质为主要碳源，利用微生物的生长繁殖过程降解胶质，以实现汉麻纤维的高效分离［4］。此法生产的汉麻纤维具备成本较低、环境污染小、精干麻品质优异等特点。研究者也利用此方法改进传统沤麻方法，使其能适应现代工业生产的需求。酶法脱胶也是一种重要的脱胶技术，其利用源自微生物的果胶酶、木聚糖酶等制成的生物酶制剂进行汉麻脱胶，脱胶效果较优且均一［5］。本文主要就汉麻生物脱胶的原理、优缺点及生物脱胶技术的发展进行总结和阐述，旨在为生物脱胶技术在汉麻脱胶加工领域的应用发展提供参考。

1 汉麻生物脱胶的原理

汉麻生物脱胶实质上是脱胶微生物利用包裹着汉麻纤维的胶质组分进行生长代谢的过程［6］。胶质组分是以果胶、半纤维素和木质素为主要成分的混合有机物，主要存在于汉麻单纤维之间，将单纤维交联成网状并聚合成束［7］。微生物侵入并定殖在汉麻韧皮中，在代谢过程中分泌的胞外酶将胶质降解成微生物可以摄取利用的小分子糖，小分子糖类作为碳源被微生物吸收利用并分泌更多的脱胶相关酶，使得胶质结构受到破坏，实现汉麻单纤维的分离，是一种“胶养菌、菌产酶、酶脱胶”的螺旋上升式生化反应［8-9］。

图1 汉麻生物脱胶原理［10］Fig.1 Principle of biological retting technology［10］

胞外酶是汉麻生物脱胶的关键因素，根据其主要底物可以分为三类，果胶降解酶、半纤维素降解酶和木质素降解酶［11-13］。果胶酶通常是汉麻生物脱胶过程中最先发挥作用的一类酶，以原果胶酶、酯酶及解聚酶为主的三类果胶酶作用下实现果胶的可溶性转化、去酯化及糖苷键的水解［14-16］。半纤维素酶能够破坏半纤维素与纤维素之间的连结，将纤维素单体分离出来，并将半纤维素水解为更小的单体［17］。木质素降解酶主要包括漆酶、木质素过氧化物酶等，以汉麻韧皮中影响纤维品质的木质素组分为主要降解目标［18］。

2 生物脱胶技术的分类

2.1 传统生物脱胶技术

我国汉麻应用历史悠久，早在公元3000年前，就有汉麻纤维残片被发现。天然水沤制法和雨露脱胶法是两种传统的脱胶技术，作为汉麻脱胶生产的主要方式一直沿用至今。

2.1.1 天然水沤制法

天然水沤制法是将麻束浸没在天然水域或人工池塘中，利用天然微生物降解胶质的过程。现多将天然水沤制法分为两个阶段：第一阶段，原麻中可溶性成分（糖、含氮物质等）溶解，游离的天然微生物利用这些营养物质繁殖，纤维逐渐分散，允许微生物定殖在麻束内部，为有氧发酵阶段；第二阶段，环境中氧气含量逐渐降低的情况下，以梭菌属为主的厌氧微生物繁殖并降解纤维表面的胶质，为厌氧发酵阶段［19］。此法生产的汉麻纤维质量较高，但在生产过程中需要面对大量消耗的水资源、昂贵的人力成本、较长的发酵周期、难以处理的环境污染等问题［20］。即便已经拥有成熟且因地制宜的冷水浸渍法、热水浸渍法和青茎晒法等脱胶方法，但现已很少单独使用此方法进行脱胶生产［21］。

2.1.2 雨露脱胶法

雨露脱胶法作为一种传统脱胶技术，与天然水沤制法相比，主要区别在于原麻是被铺在平地，利用雨水和露水浸湿麻茎。在适宜的温度和湿度条件下，以丝状真菌、禾黑芽枝霉等真菌为先导，破坏汉麻韧皮结构，为细菌侵入提供通道。细菌则通过菌丝形成的通道，侵入汉麻韧皮内部，并逐渐占据内环境的主体。雨露脱胶的过程是在细菌和真菌的相互作用下完成的［22］。这种方法进行汉麻脱胶生产优点在于生产工艺简洁，汉麻纤维的出麻率较高，水资源消耗小；主要缺点在于易受环境因素影响，纤维质量不如天然水沤法等［23］。雨露脱胶过程中发挥作用的微生物并非完全来自沤麻环境，麻茎自身携带的微生物亦在其中发挥着重要作用［24］。

为了进一步提高雨露脱胶在实际生产中的应用价值，杨庆丽等［25］筛选一株汉麻脱胶真菌取代传统的天然微生物进行雨露脱胶，将脱胶时间由13 d缩短至10 d，缩短约23%，并一定程度地改善了纤维质量。雨露脱胶简洁的生产工艺使该方法仍被广泛应用于实际生产中。研究者们也通过现代生物学方法来改进这项传统技术，使其能够适应现代化生产需求。

2.2 现代微生物脱胶技术

2.2.1 微生物接种脱胶技术

现代微生物技术主要是指在人工调控的发酵环境下，以汉麻茎秆上的胶质等作为碳源培养脱胶微生物，利用微生物发育过程中分泌的胞外酶降解包裹汉麻纤维的胶质，实现胶养菌、菌产酶、酶脱胶的生产过程。脱胶微生物的研究开始于1902年，Hauman首次从浸渍亚麻茎中分离出脱胶细菌［26］。自此，研究者们开始研究麻类脱胶过程中微生物所发挥的作用，也陆续从汉麻种植地、沤麻池等地分离出数以百计的脱胶菌株，分离获得的脱胶微生物类型多为白腐真菌、黑曲霉、芽孢杆菌、假单胞菌等［27-30］，如 Yu等［31］筛选出的枯草芽孢杆菌 ZAL145、Guo等［32］筛选的芽孢杆菌 Y1、Cheng等［33］筛选的苏云金芽孢杆菌、Fan等［34］筛选的芽孢杆菌HG-28等都是对汉麻生物脱胶菌种资源的丰富与拓展。Li等［35］分离一株裂褶菌（Schizophyllumcommune），并用该菌株处理汉麻纤维两周，处理后汉麻纤维光泽良好，木质素和果胶等胶质组分均有不同程度的下降，木质素含量降低到4%，果胶含量降至1.8%，但该真菌具备分泌纤维素酶的能力，可能损害汉麻纤维，不适合于脱胶生产。杨田等［36］筛选出两株枯草芽孢杆菌，脱胶4 d后残胶率降低到13%，纤维素含量达82%，汉麻纤维完全分散，色泽光亮无杂质。张海林［37］筛选一株果胶黑曲霉2号，通过紫外诱变和离子注入诱变获得诱变菌株C36-2，其果胶酶活性提高5.97%，最大产酶时间提前约8 h，纤维素酶活性降低3.15%。曾洁［38］对广谱高效脱胶菌株DCE-01进行改造，利用三个关键脱胶酶基因——果胶酶基因（pelE）、木聚糖酶基因（xyn）及甘露聚糖酶基因 （man）构建重组子，获得多基因同源共表达的重组菌株DCE01PXM，其中pelE酶和man酶均较原菌株有显著提升。此外也有研究［39］发现，放线菌也具备脱胶能力，且对环境耐受性更强，如汪学军等［40］在六安分离出的一株具备脱胶能力的白色诺卡氏菌DM182，透明圈直径达3.78 cm。

现代微生物脱胶技术环境污染小、生产成本低、精干麻品质和产率较优秀，能够带来较大的生态、经济和社会利益。但目前鉴定的脱胶菌株能实际用于生产中的相对较少，单一脱胶菌株也难以面对复杂的实际生产环境，导致菌株的脱胶效果不稳定。多种脱胶菌株共同构建的脱胶复合体系更能适应生产环境，复合菌系的构建将是现代微生物脱胶技术应用的一个重要方式。

2.2.2 酶法生物脱胶技术

酶法生物脱胶是一种利用微生物产生的酶来完成脱胶的方式。目前果胶酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶和漆酶是研究比较多的用于汉麻脱胶的生物酶制剂。徐鹏等［41］从沤麻水体中分离出的X-6菌在优化后的果胶酶发酵培养基中培养，可以收集到酶活力达586 U/mL的粗酶液，使用该酶液进行脱胶试验，汉麻脱胶效果良好。吴宁等［42］使用果胶酶进行汉麻的预处理，50℃处理3 h后获得分离情况良好的汉麻单纤维，且处理过程中汉麻纤维损伤小。李琦等［43］克隆木聚糖酶基因xyn，转化毕赤酵母 X33，在分批加入0.5%甲醇诱导木聚糖酶表达后，木聚糖酶活性可达487.2 U/mL。成莉凤等［44］利用源自欧文氏杆菌的β-甘露聚糖酶基因构建新的基因工程菌株slpman-pET28a/BL，其分泌的β-甘露聚糖酶酶活性达645.5 U/mL，是出发菌株的1.97倍。郭小敏［45］研究了漆酶对汉麻纤维木质素的降解，在介体ABTS的作用下，木质素残留率为1.39%。目前国内外关于微生物产酶能力的研究较多，也有如添加EDTA等螯合剂作为助剂提高对应酶脱胶能力的研究［46］，多数试验中目标酶活力通常均能满足工业生产的需求。酶法脱胶具备专一性的特点，脱胶过程中纤维损伤小，使得酶法脱胶后汉麻纤维的品质相对优异。但在实际生产中，酶法脱胶仍存在酶制剂生产成本高昂、实际生产条件变化导致脱胶效果不太理想、酶固定方法不成熟等情况，限制了酶法脱胶的生产应用。

3 汉麻生物脱胶技术的问题与改进方向

3.1 汉麻生物脱胶技术存在的问题

汉麻生物脱胶技术的发展限制主要源自汉麻原料的特殊性和脱胶技术的应用局限性，如何针对汉麻原料设计适宜的脱胶路线和改良生物脱胶技术对于生产环境的限制是汉麻生物脱胶技术研究的重点。

3.1.1 汉麻原料的特殊性

汉麻生物脱胶技术与苎麻等草本纤维作物脱胶技术最大区别和限制在于前者需要适度脱胶，这是由汉麻纤维性质所决定的。汉麻纤维是一种短纤维，单纤维长度差异较大，一般为7～50 mm。相较苎麻纤维平均长度60～120 mm，汉麻单纤维长度难以满足生产需求，若完全脱胶则会出现短绒现象，无法满足纺织需求［47-48］。在脱胶过程中合理控制脱胶程度，保留一定量的木质素和果胶等胶质成分，维持短纤维的粘连状态以获得具有一定长度的工艺纤维，是汉麻生物脱胶技术的重要要求［49］。

3.1.2 脱胶技术的应用局限性

目前汉麻生物脱胶技术的研究主要是利用高效脱胶微生物进行汉麻脱胶。这种纯菌种接种脱胶技术需要严格的无菌操作，即在每次发酵前均需要对原料和设备进行消毒，以确保发酵过程中没有杂菌干扰发酵环境［50］，但这一要求难以在实际生产环境下实现。提高脱胶菌种对抗杂菌的能力是解决接种脱胶技术如何应用在实际生产中的关键。

另一种主要的生物脱胶方法为酶法脱胶，其主要限制在于生物酶生产技术要求高，通常只能由专业酶制剂公司制备，这就导致酶法生产成本增加，因此，市场上脱胶专用的酶制剂很少，且普遍酶活性较差，难以达到理想的脱胶效果。虽然有许多研究获得了高产酶活性的菌株，但能成功转化为酶制剂产品的较少［51］。

3.2 汉麻生物脱胶技术的改进方向

将汉麻生物脱胶技术的优化分为纯种微生物脱胶和复合菌系脱胶两种方式。一是通过诱变育种、杂交育种、基因工程育种和进化工程育种等手段获得高效脱胶菌株；二是利用多种脱胶菌株协同作用，通过构建高效脱胶复合菌系，以实现共同脱胶。

3.2.1 单一菌株脱胶技术的改良

单一菌株脱胶技术的改良重点在于高效菌株的分离筛选。目前发现的高效脱胶菌株主要是从麻田、沤麻池等与汉麻生产相关的环境中分离获得的，也有研究者从生产废水、污泥等微生物菌落丰富的环境中分离具备麻类脱胶功能的新菌株。但天然菌株往往难以满足实际生产应用的需求，诱变育种、基因工程等新型技术手段的加入使得单一菌株的脱胶性能得以进一步提升。Liu等［53］通过辐射诱变育种的手段获得新菌株PhlebiaradiataCel26，使用该菌株进行20 d的沤麻试验，脱胶后汉麻纤维强度为67GPa，远超天然水沤麻的52GPa。Zhou等［54］将源自嗜碱性芽孢杆菌的耐热碱性果胶酶基因（BacPelA）通过基因工程手段克隆至大肠杆菌中，重组后大肠杆菌BacPelA的总活性达8378.2 U/mL。陈涛等［55］利用进化工程的技术方法，发现了有利于枯草芽孢杆菌高效利用木糖的基因突变，结合基因工程手段获得能够高效利用木糖的枯草芽孢杆菌。

3.2.2 复合菌系脱胶技术的改良

为克服单一菌系在实际生产中对环境耐受性较差等因素，研究者尝试使用复合菌系进行麻类脱胶研究，已有较多的成果被应用在苎麻脱胶过程中。杜兆芳等［56］按曲霉M2种子液接种量11%，芽孢杆菌B2种子液接种量6%的比例进行50 h的脱胶试验，此条件下脱胶率达到31.9%；陈其国等［57］使用M1、B5、B3三株脱胶菌株进行混菌脱胶研究，将三株脱胶菌株按B3、B5、M1顺序间隔12 h接种脱胶，脱胶过程持续60 h，脱胶率可达到29.9%。这类利用几种脱胶菌株构建的复合菌系往往会比单一菌种具有更强的脱胶能力，菌系的稳定性也相对较强，复合菌系内各菌种的协作机制是复合菌系具备较强脱胶能力的主要原因。但复杂的胶质结构与脱胶过程限制了此类机制的解读，若能进一步明晰此机制的基本规律，将有利于高效复合菌系的构建，有利于复合菌系在脱胶生产中的实际应用。

4 展望

汉麻生物脱胶技术是贯穿汉麻应用历史的一项核心技术。从最初以雨露脱胶为代表的传统生物脱胶技术，到现在以“接菌脱胶”和“酶法脱胶”为主要表现形式的现代生物脱胶技术，其本质始终是围绕着脱胶微生物及其产物-脱胶功能酶。现代生物脱胶技术具备环境污染小、脱胶纤维质量高等特点，随着研究者们的不断挖掘，该技术将得到广泛的应用与发展。

目前该技术仍存在一些亟待解决的问题，如进一步提高生物脱胶效率、改善脱胶微生物抗杂菌能力和降低相关功能酶生产成本等。构建具备高效脱胶能力的复合功能菌系可能是未来脱胶技术的突破点，稳定的复合菌系在面对复杂的实际生产环境时能够抑制杂菌的生长，能有效提高菌系的脱胶能力［58-59］。利用合成生物学、基因工程等新兴技术手段分析脱胶细菌的全基因组结构，筛选胶质降解关键基因元件，利用其对菌种进行定向改造，提高脱胶过程中的代谢转化效率及改善环境耐受性［60-61］。采用合成微生物群落的方法人工构建复合菌系，利用微生物之间的相互作用机制，通过代谢设计和环境调控［62］等手段控制菌群的稳定性及代谢方向以提高微生物脱胶效率也是可选的方向。