馮湘沅,成莉鳳,劉正初,楊琦,劉志遠,鄭科,段盛文,彭源德
(中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所,湖南長沙410205)
苧麻是我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)最具發(fā)展?jié)摿Φ幕A材料之一,其纖維包裹于植株的韌皮部,通過剝皮和刮制獲得的產(chǎn)品含有22%~30%的非纖維素物質(zhì),經(jīng)脫膠后才能分離出纖維[1-3]。國內(nèi)外對苧麻韌皮脫膠普遍采用以燒堿煮煉為中心的化學方法,但由于存在環(huán)境污染重,水量消耗大,纖維品質(zhì)損傷嚴重等問題,制約了產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展。生物脫膠具有低能耗、低污染、高品質(zhì)等特點,是苧麻脫膠的發(fā)展方向[4-5]。英國牛津大學、日本早稻田大學、中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所、武漢大學、華中農(nóng)業(yè)大學等進行了生物脫膠研究,并取得了實質(zhì)性突破。但由于微生物酶法脫膠存在高成本、難控制等缺陷[6],很難得到規(guī)?;茝V,而菌脫膠缺乏優(yōu)良的脫膠菌株及匹配的脫膠工藝,導致目前菌脫膠尚未形成穩(wěn)定性生產(chǎn)應用[7-9]。
本文擬采用具有廣譜、高效性的DCE01菌株,以濕潤、浸泡發(fā)酵方式對苧麻韌皮進行生物脫膠,利用半自動纖維分析儀法和柱前衍生-高效液相色譜法對苧麻韌皮生物脫膠產(chǎn)物中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素和水解液中半乳糖醛酸的含量分別進行測定比較[10],旨在為工廠化生物脫膠節(jié)約成本,同時為減少環(huán)境污染提供可借鑒的發(fā)酵方式。
DCE01菌株:本實驗室2009年選育,Dickeya dadantii(保藏號:CGMCC5522)。
原麻:2017年長沙實驗基地種植,刮制而成的苧麻韌皮(繞成圈柄狀)。
液體培養(yǎng)基組成:蛋白胨0.5%、葡萄糖1%、氯化鈉0.5%、牛肉浸膏0.5%、自來水。
固體培養(yǎng)基組成:營養(yǎng)瓊脂3.5%,葡萄糖0.5%、自來水。
高效液相色譜儀(Dionex Ultimate 3000),泵(LPG-3400)紫外檢測器(VWD-3400),C18柱(Thermo Hypersil BDS,250 mm×4.6 mm,5 μm),采用變色龍軟件采集并處理數(shù)據(jù)。
FibertecTM2010半自動纖維分析儀(丹麥Foss公司);TC-4-10型陶瓷纖維爐(北京中興偉業(yè)儀器有限公司);FZ102型粉碎機(天津泰斯特儀器有限公司);SPX-250B型生化培養(yǎng)箱(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠);RH-Q型全溫振蕩器(江蘇科析儀器有限公司)。
十二烷基硫酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉、乙二醇乙醚、磷酸氫二鈉、十六烷基三甲基溴化胺、硫酸、三氟乙酸、醋酸銨、1-苯基-3-甲基-吡啉酮(PMP)等均為國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品(分析純);乙腈(色譜純)和半乳糖醛酸為美國Sigma公司產(chǎn)品。
取1環(huán)抽真空法保存的DCE01菌苔加入5 mL液體培養(yǎng)基中,混勻,35℃、180 r/min培養(yǎng)6 h后,取1 mL培養(yǎng)液稀釋涂布于固體培養(yǎng)基平皿,35℃靜置培養(yǎng)20 h,長出菌落,挑取典型單菌落接入5 mL液體培養(yǎng)基,混勻,35℃、180 r/min培養(yǎng)4 h后,全部倒入至100 mL液體培養(yǎng)基,35℃、180 r/min培養(yǎng)5 h后,取6 mL培養(yǎng)液接入300 mL液體培養(yǎng)基,35℃、180 r/min培養(yǎng)6 h。
1.4.1 濕潤發(fā)酵
參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《苧麻生物脫膠技術規(guī)范(NY/T1537—2007)》,取6 mL菌液于裝有300 mL自來水的錐形瓶中,混勻,投入30 g苧麻韌皮,浸泡15 min后倒出液體,置于35℃恒溫生化培養(yǎng)箱,靜止脫膠,設置3個重復。
1.4.2 浸泡發(fā)酵
取6 mL菌液于裝有300 mL自來水的錐形瓶中,混勻,投入30 g苧麻韌皮,置于35℃、180 r/min全恒溫振蕩器,振蕩脫膠,設置3個重復。
苧麻韌皮接入菌液后從0.5 h開始計時直至10.5 h結束,每隔2 h取樣,取出的樣品立即經(jīng)105℃保持20 min,滅活,冷卻至室溫,取樣品用自來水清洗,烘干后獲得生物脫膠產(chǎn)物。
將烘干后的生物脫膠產(chǎn)物粉碎,過20目(0.9 mm)篩,收集粉末,測定纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和半乳糖醛酸含量。
(1)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量測定采用FibertecTM2010半自動纖維分析儀,參照劉文靜等[11-12]測定方法進行。
(2)半乳糖醛酸含量采用柱前衍生-高效液相色譜法,參照馮湘沅等[13-14]測定方法進行。(3)脫除率計算公式為:
脫除率(%)=(脫膠產(chǎn)物初始含量-脫膠產(chǎn)物終止含量)/脫膠產(chǎn)物初始含量×100%(4)方差齊性F檢驗公式為:
由圖1可知,從0.5 h開始到10.5 h結束,浸泡發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中半纖維素含量由起始測定時的16.56%下降到脫膠結束時的4.28%,下降12.28個百分點,相當于半纖維素的脫除率為74.15%;濕潤發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中半纖維素含量由16.73%下降為4.55%,下降12.18個百分點,相當于半纖維素的脫除率為72.80%。在浸泡及濕潤發(fā)酵方式脫膠中,苧麻韌皮纖維中的半纖維素含量均隨脫膠時間的延長而不斷降低,整個脫膠過程中半纖維素含量變化趨勢相似。
由圖2可知,濕潤和浸泡發(fā)酵方式進行苧麻韌皮生物脫膠,產(chǎn)物水解液中果膠的降解產(chǎn)物-半乳糖醛酸含量均隨脫膠時間的延長而逐漸下降。半乳糖醛酸含量分別由起始0.5 h的30.46 μg/mL(濕潤)、30.59 μg/mL(浸泡)下降到 10.5 h 的 5.03 μg/mL(濕潤)、4.93 μg/mL(浸泡),相當于苧麻韌皮中果膠的脫除率分別為83.49%(濕潤)和83.88%(浸泡)。
從圖1、2可以看出,2.5 h前兩種發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中的半纖維素和半乳糖醛酸含量無明顯差異,2.5~6.5 h發(fā)酵期間,浸泡發(fā)酵方式脫膠速度明顯比濕潤發(fā)酵方式快,但6.5 h后兩種發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中的半纖維素和半乳糖醛酸含量幾乎接近。這說明DCE01菌株在濕潤和浸泡發(fā)酵方式脫膠過程中均能分泌果膠酶、甘露聚糖酶等脫膠關鍵酶,從而降解非纖維素物質(zhì),且在6.5 h左右順利完成脫膠。
圖1 苧麻韌皮兩種發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中半纖維素含量的變化趨勢Fig.1 Change trend of hemicellulose content during ramie degumming by two fermentation methods
圖2 苧麻韌皮兩種發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中半乳糖醛酸含量的變化趨勢Fig.2 Change trend of galacturonic acid content during ramie degumming by two fermentation methods
由圖3可知,兩種發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中木質(zhì)素含量均隨脫膠時間的延長而不斷下降。浸泡發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中木質(zhì)素含量由起始的0.89%下降到脫膠終止時的0.11%,相當于木質(zhì)素的脫除率為87.64%;濕潤發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中木質(zhì)素含量則由起始的0.91%下降到終止時的0.13%,相當于木質(zhì)素的脫除率為85.71%。這一結果為證實劉正初等[7]創(chuàng)立的“塊狀崩潰”學說提供了科學依據(jù)。雖然沒有報道DCE01菌株分泌木質(zhì)素酶,但是在兩種發(fā)酵方式脫膠過程中可大幅度降低脫膠產(chǎn)物中木質(zhì)素的含量。
圖3 苧麻韌皮兩種發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中木質(zhì)素含量的變化趨勢Fig.3 Change trend of lignin content during ramie degumming by two fermentation methods
由圖4可知,浸泡和濕潤發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物中纖維素含量均隨脫膠時間的延長而不斷增加。苧麻韌皮纖維中纖維素含量由0.5 h的71.15%(浸泡)、71.07%(濕潤)上升到10.5 h的91.88%(浸泡)、91.56%(濕潤)。這說明苧麻韌皮接種DCE01菌液后,兩種發(fā)酵方式生物脫膠過程中可將半纖維素、果膠和木質(zhì)素等膠質(zhì)逐漸剝離,使得生物脫膠產(chǎn)物中纖維素含量上升。
在選用顯著水平α=0.05情況下,分別對浸泡和濕潤發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物的化學成分(表1)半纖維素、半乳糖醛酸、木質(zhì)素下降值及纖維素上升值進行方差齊性F檢驗(表2),檢驗結果均滿足F樣<F0.05(2.2),表明兩種發(fā)酵方式脫膠效果差異不顯著。
表1 兩種發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物的化學成分變化趨勢Table 1 The change trend of chemical contends by two fermentation methods
表2 方差齊性F檢驗數(shù)據(jù)處理Table 2 The treatment of variance F test data
利用DCE01菌株以浸泡和濕潤發(fā)酵方式對苧麻韌皮進行生物脫膠,結果表明:隨著脫膠時間的延長,兩種發(fā)酵方式對苧麻韌皮纖維進行生物脫膠均能使生物脫膠產(chǎn)物中的半纖維素、木質(zhì)素、果膠降解產(chǎn)物-半乳糖醛酸含量不斷降低,纖維素含量不斷增加,變化趨勢雷同。接種6.5 h后的果膠、半纖維素、木質(zhì)素和纖維素含量的變化相對平緩,可以認為此時生物脫膠過程已經(jīng)完成。
浸泡發(fā)酵方式脫膠是將苧麻韌皮浸泡在菌懸液中通過振蕩方式發(fā)酵進行,而濕潤發(fā)酵方式脫膠是苧麻韌皮接種倒出菌懸液后通過靜止發(fā)酵方式進行。兩種發(fā)酵方式脫膠產(chǎn)物的化學成分變化值經(jīng)方差齊性F檢驗數(shù)據(jù)處理,發(fā)現(xiàn)脫膠效果無明顯區(qū)別?;谶@一結果可以推斷,生產(chǎn)上采用濕潤發(fā)酵方式更經(jīng)濟,因為浸泡發(fā)酵方式需要通氣完成,可能會導致脫膠過程能源消耗更大。