苎麻脱胶绿色生物工艺取得新进展
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我国麻类种植面积和麻纤维产量均居世界前列,特别是素有“中国草”之称的苎麻产量约占全世界的90%以上。脱胶是麻类纤维加工过程中基础而又关键的工序,目前国内外工业生产基本上采用化学脱胶方法,即在强酸、强碱、强漂、高温、高压煮炼条件下去除果胶和半纤维素等胶质,普遍存在高能耗、高物耗、高水耗和高污染的问题。若以生物法逐步替代化学工艺,可以显著降低能耗、物耗和水耗,减少环境污染。但目前我国缺少高效稳定的麻类脱胶酶和微生物菌株,缺乏相应高效稳定的生物脱胶技术和工艺。
微生物研究所极端微生物研究组在中国科学院重点部署项目“绿色生物工艺研发与应用(KSZD-EW-Z-015)”的支持下,通过筛选和克隆获得了一批具有苎麻脱胶效果的菌株和酶基因。通过对其中高产脱胶复合酶系的嗜碱微生物Bacillus sp.N16-5的碱性果胶酶BsPelA进行定向进化改造,使其突变体EA稳定性提高了24倍同时活性提高了23%,脱胶效果显著提升。对果胶酶改造后的Bacillus sp.N16-5发酵产复合酶方法进行了优化,其发酵液单独即可将苎麻的残胶率降低到10%以下。基于此开发了利用菌株Bacillus sp.N16-5复合酶系的苎麻生物脱胶工艺,并已在江西恩达麻世纪科技有限公司完成了10吨级的中试实验,苎麻精干麻残胶率已可达2%左右,单纤维支数、束纤维强度、硬条率和回潮率等也已达可纺标准,各指标等同甚至优于传统化学脱胶。同时相较于传统化学脱胶,可节省65%的化工原料,节水60%左右,吨精干麻综合成本可降低200元左右。
研发人员同时对酶-化学联合脱胶工艺进行了探索,通过大肠杆菌高密度发酵的多阶段流加策略,使获得的碱性耐热果胶酶BacPelA最高产量达到8450 U/mL,为文献报道最高。基于此的联合脱胶技术在4–6小时即可使苎麻残胶率达到2–3%,且样品的柔软度、白度和疏松度等得到改善,同时较传统化学脱胶可减少化工原料60%以上,具有很好的应用潜力。
相关研究成果已经发表在Applied and Environmental Microbiology,并申请3项国家发明专利。