苧麻微生物脫膠菌株的最佳脫膠條件

陳景浩， 盧必濤， 王天佑， 藍廣芊

(西南大學 紡織服裝學院， 重慶 400715)

苧麻纖維具有良好的紡紗性能及服用性能，是重要的紡織原料之一。苧麻纖維的化學成分主要由纖維素、半纖維素、果膠、木質素、蠟質脂肪、色素、蛋白質和礦物質等組成，因此可采用全脫膠的方法獲得單纖維，從而得到線密度小、均勻度好的苧麻紗[1]。苧麻脫膠有化學脫膠和微生物脫膠2種方法。化學脫膠主要采取強酸強堿等方法去除膠質，生產成本高，脫膠制成率低，用水多，能耗高，排污量大，不符合目前我國節能減排的號召。微生物脫膠是利用微生物在繁殖過程中分泌出的一種酶來分解膠質，使高分子質量的果膠及半纖維素等分解成低分子質量的物質溶于水中，完成脫膠[2]，該工藝過程環保，對纖維損傷小，對提高苧麻纖維的單纖維強力和麻纖維的質量十分有利[3]。微生物脫膠既可保持苧麻天然植物纖維的自然風格和特性，又有效避免了環境污染，因此苧麻微生物脫膠的研究對改善當前環境污染的嚴重現狀具有積極意義[4]。為得到微生物脫膠菌株的最佳脫膠條件，本文以培養時間、培養溫度、菌液量體積比、轉速為試驗因素，通過4因素3水平正交試驗，來研究其最佳脫膠條件。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和設備

試驗材料：苧麻，購自四川省大竹縣苧麻廠；菌株主要是用學院的苧麻微生物脫膠菌株富集液；牛肉膏(北京奧博星生物技術有限責任公司)，NaCl(重慶北碚化學試劑廠)，蛋白胨(北京奧博星生物技術有限責任公司)。

試驗設備：潔凈無菌工作臺(蘇州安泰空氣技術有限公司)；ES-315高壓滅菌鍋(上海民儀電子有限公司)；JA2003A電子天平(上海精天電子儀器有限公司)；Y802N八籃恒溫烘箱(南通宏大實驗儀器有限公司)；ZD-85A恒溫振蕩器(金壇市富華儀器有限公司)；DHP-9082電熱恒溫培養箱(上海齊欣科學儀器有限公司)；LLY-06AD型電子單纖維強力儀(萊州市電子儀器有限公司)；S3000掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1培養基的配制

牛肉膏5 g，NaCl 5 g，蛋白胨10 g，蒸餾水1 000 mL，pH值為7.4～7.6。常規細菌生化培養基，參照文獻[5]配制。

1.2.2苧麻微生物脫膠菌株的篩選

從脫膠效果較好的菌株中篩選出1種脫膠效果最好的菌種，以便進行下一步。試驗步驟為：將脫膠菌株活化后，接種于LB培養基，37 ℃下振蕩培養24 h,取10 mL脫膠菌株培養液加入經過高壓滅菌的苧麻原麻試樣，每個原麻試樣中有4個原麻樣品和180 mL蒸餾水，然后放入電熱恒溫培養箱，培養溫度為37 ℃；每個菌株做3個重復試驗，分別為3、5、7 d。

1.2.3減量率的計算

設苧麻脫膠前質量為G1，經過微生物脫膠后苧麻質量為G2，則苧麻減量率的計算公式[6]為：

1.2.4菌株8-1脫膠最佳條件正交試驗設計

以培養時間、培養溫度、菌液量體積比、轉速為試驗因素，每個因素擬采取3個水平，選用L9(34)正交表進行正交試驗，以苧麻微生物脫膠后的減量率作為考察指標，正交因素水平見表1。對4個試驗因素進行正交試驗，方案見表2。

表1 因素水平表Tab.1 Level of factor

表2 正交試驗方案設計Tab.2 Orthogonal test designs

1.2.5微生物脫膠菌株脫膠效果驗證試驗

采用脫膠效果最好的菌株8-1，通過正交試驗得到最佳脫膠條件，在此條件下將脫膠苧麻用量和菌液量均擴大25倍，即苧麻100 g、培養時間4 d、培養溫度39 ℃、菌液量125 mL、靜置培養，具體脫膠試驗步驟與1.2.2相同。

1.2.6苧麻化學脫膠

稱取100 g的苧麻原麻進行化學脫膠。其工藝為：浸酸→水洗→煮練→酸洗→水洗→烘干。具體條件為[7]：1)浸酸：2%H2SO4，1 h，50 ℃，浴比1∶15；2)水洗：蒸餾水，3 min，50 ℃；3)煮練：12%NaOH，3%Na2SiO3，2 h，100 ℃，浴比1∶20；4)酸洗：2%H2SO4，3 min，室溫，浴比1∶15。

1.2.7脫膠纖維力學性能測試

用LLY-06AD型電子單纖維強力儀測量微生物脫膠與化學脫膠后單纖維力學性能。參數設置為：隔距10 mm，拉伸速度40 mm/min，預加張力1 cN。分別隨機抽取2種脫膠方法得到的苧麻單纖維50根，取平均值。

1.2.8脫膠纖維微觀表面觀察

取苧麻原麻纖維、經菌株8-1脫膠后的苧麻纖維和經化學脫膠后的苧麻纖維，分別用電鏡觀察其表面形態。

2 試驗結果和分析

2.1苧麻微生物脫膠菌株的篩選

計算6種菌株脫膠后的減量率，結果見表3。由表可知，菌株8-2的平均減量率為25.11%，菌株N8的平均減量率為26.33%，菌株8-1的平均減量率為28.42%，菌株6的平均減量率為27.88%，菌株9的平均減量率為25.73%，菌株10的平均減量率為24.08%。

由于苧麻原麻中的膠質含量一般為25%～35%，因此質量減少25%～35%可視為脫膠效果較好。可認為這5種菌株的脫膠效率都非常好；而菌株8-1平均減量率比其他4種菌株更加潔白，纖維發散更加完全，因此，選取菌株8-1為最佳脫膠菌株，進行下一步試驗。

表3 脫膠菌株減量率Tab.3 Degumming rate of degumming efficient strains

2.2 正交試驗結果與數據分析

正交試驗結果見表4。

表4 菌種8-1正交試驗結果分析Tab.4 Analysis of 8-1′s orthogonal tests

根據kA1、kA2、kA3的大小可判斷A1、A2、A3對試驗指標的影響大小。由于試驗指標為減量率，而kA3>kA2>kA1，所以可斷定A3為A因素的最優水平。同理，可計算并確定B2、C1、D1分別為B、C、D因素的最優水平。4個因素的最優水平組合A3B2C1D1為本試驗的最優水平組合，即8-1菌種對于苧麻微生物脫膠最佳條件為：培養溫度39 ℃；培養時間4 d；菌液量體積比1∶40；轉速160 r/min。

根據極差大小，判斷因素的主次影響順序。計算出A、B、C、D因素的極差值分別為1.17、8.75、1.24、0.60。比較R值大小可見，RB>RC>RA>RD，所以因素對試驗指標影響的主次順序是BCAD，即培養時間影響最大，其次是培養溫度和菌液量體積比，而轉速的影響最小。

綜合以上數據分析，菌株8-1經過正交試驗基本可得到苧麻微生物脫膠的最佳條件。其中培養時間影響最大，培養4 d已得到脫膠效果較好的苧麻。其次是培養溫度和菌液量體積比，溫度為39 ℃、菌液量體積比在1∶40左右時得到的苧麻脫膠效果較好。轉速對于脫膠影響最小，因此苧麻微生物脫膠時只要靜置就可以。

2.3 菌株8-1脫膠效果驗證

在溫度為39 ℃、菌液量體積比為1∶40、靜置培養時間為4 d條件下，將菌株8-1進行脫膠效果驗證試驗，完成后用清水清洗苧麻，可發現效果較好，苧麻纖維發散完全，手感柔軟，顏色較白，基本上將膠質脫去(見圖1)。

將脫膠后的苧麻放入烘箱80 ℃烘干至質量恒定，稱量，計算得到減量率，結果見表5。由表可看出，菌株8-1膠質去除率達到了25.94%，基本達到脫膠要求，并且由圖1可見脫膠效果較好，苧麻纖維發散完全，手感柔軟，因此驗證了微生物脫膠效果。

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

2.4 脫膠纖維力學性能

以化學脫膠后的苧麻纖維為對照樣，對經過菌株8-1脫膠后苧麻纖維的力學性能，結果見表6。由表可知，微生物脫膠的苧麻纖維斷裂強力、斷裂強度、斷裂功都大于化學脫膠的，相應的斷裂伸長和伸長率比化學脫膠的苧麻纖維小，但不勻率也小[8]。經過微生物脫膠后，苧麻纖維強力比化學脫膠后的苧麻纖維提高43.45%，其原因可能是原麻沒有經過浸酸預處理和化學試劑堿煮練，對于纖維的損傷比較小。微生物脫膠處理的條件溫和，能夠最大限度地保留纖維的原有性能[9]。

圖1 苧麻微生物脫膠效果圖Fig.1 Effect drawing of ramie degum by microorganism. (a) Blank control； (b) Degumming effect of 8-2 strains

表6 不同脫膠方法苧麻纖維的力學性能比較Tab.6 Mechanical property contracts of two kinds of fibers

2.5 脫膠纖維微觀形態表征

取苧麻原麻纖維、經菌株8-1脫膠后的苧麻纖維和經化學脫膠后的苧麻纖維進行電鏡觀察，縱截面形態見圖2。由圖可見：與未經過脫膠的苧麻原麻單纖維相比，經過微生物脫膠后的苧麻單纖維表面的膠質幾乎完全脫掉了，沒有其他雜質；與經過常規化學脫膠后的苧麻單纖維相比，經微生物脫膠后的苧麻單纖維損傷很小，表面光滑[10]。

圖2 不同處理方式的苧麻單纖維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 結 語

1)通過試驗發現，利用篩選得到的高效脫膠菌株對苧麻進行微生物脫膠處理后，苧麻纖維完全發散，手感柔軟，色澤較白，其中菌株8-1膠質去除率達到了28.42%，脫膠效果明顯，是6種菌株脫膠效果最好的，因此選用菌株8-1進行后階段試驗。

2)影響最大的因素為培養時間，其次是培養溫度和脫膠菌株的菌液量體積比，影響最小的因素是轉速。當脫膠處理條件為4 d、39 ℃、菌液量體積比為1∶40、靜置培養時，可達到較好的脫膠效果。

3)通過脫膠效果驗證試驗得出，菌株8-1膠質去除率達到了25.94%，基本達到脫膠要求，并且脫膠效果較好，苧麻纖維發散完全，手感柔軟。說明苧麻微生物脫膠有較大應用價值。

4)通過試驗發現，經過微生物脫膠后的苧麻單纖維強力高于化學脫膠后的苧麻單纖維強力，并且經微生物脫膠后的苧麻單纖維表面光滑，損傷很小。進一步說明苧麻微生物脫膠具有很大的發展前景。

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