CN105525360B - 一种苎麻生物脱胶方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种苎麻生物脱胶方法，包括如下步骤：使用芽孢杆菌Bacillus sp.HG‑28作为菌种，经过菌种活化步骤、扩大培养步骤、稀释步骤，获得用于苎麻生物脱胶的脱胶菌液F，然后将苎麻原麻浸没于脱胶菌液F中进行生物脱胶。实施本发明，能耗较小、污染较轻；生物脱胶时间短、过程易操作、脱胶效率高；菌体培养的时间短、成本低；得到的苎麻精干麻品质高、残胶率低、断裂强度高，优于国家标准GB/T 20793‑2006一级精干麻的外观和各项技术指标的要求；规模化生产前景广阔。

Description

一种苎麻生物脱胶方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，更具体的说，涉及一种使用芽孢杆菌Bacillus sp.HG-28进行苎麻生物脱胶的方法。

背景技术

苎麻，学名Boehmeria nivea(L.)Gaud.，是一种提供重要纺织纤维的经济作物。苎麻单纤维长、强度大、吸湿散湿快、导热性好，是优良纺织原料及医用材料，用途广泛。苎麻纤维可以纯纺，也可与棉、毛、丝等混纺，其织物具有防腐、抑菌、透气、挺括等优点。我国是苎麻纤维生产大国，其产量占世界95％以上，在国际市场具有重大需求，是我国具有国际市场竞争优势的特色产业。

目前，制约苎麻产业发展存在的主要瓶颈问题是如何在降低苎麻纤维生产成本与生产过程的污染问题的前提下，提高苎麻纤维的品质，以满足国内外高端市场需求。由于苎麻含胶质占总重量19％～30％左右，在纺织加工前要进行脱胶，目前，几乎所有厂家在苎麻脱胶过程中都采用化学脱胶方法，首先用酸浸泡苎麻，然后用碱液煮练苎麻，煮练后的苎麻通过拷打机拷打后，再用漂白剂漂洗、酸中和，然后水洗、脱水、给油、烘干得到成品苎麻精干麻。苎麻的化学脱胶需要使用大量酸、碱，产生的废水量大且很难处理，对环境会造成大量污染。因此，目前不少苎麻初加工企业由于生产废水污染水体、不能达标排放被迫关停，以致苎麻原料需求减小，农民种麻收入得不到保障，种麻积极性受到打击，整个产业面临困境。所以，苎麻脱胶过程中的节能减排技术问题已成为制约苎麻产业可持续发展的瓶颈。

近年来，为了减少或根治脱胶造成的污染，已公认利用微生物进行苎麻脱胶是未来主要发展方向，相继开展了苎麻生物脱胶技术研究和相关工艺探索。

刘自鎔等在CN1371990A号专利中公开了一株可产生韧皮纤维脱胶酶的菌株及其在苎麻、大麻脱胶中的应用，该菌株具有培养条件粗放、生长繁殖快，在同一培养条件下可产生脱胶所需的多种酶，脱胶效果好，且2～6小时即可完成，脱胶率达到95％，纤维分散度100％，不损伤纤维，无环境污染。但是该菌株两级种子培养时间比较长(累计达16～28小时)，种子培养结束后还需再发酵12～18小时后才能用于苎麻脱胶，生产周期过长；且精干麻产品残胶率偏高(2.18％)，断裂强度偏小(4.30cN/dtex)，只能达到GB/T20793-2006二级品的要求，不适合用于高品质苎麻精干麻大规模生产。

刘正初等在CN101235357B号专利中公开了一种欧文氏杆菌工厂化发酵快速提取苎麻纤维工艺。该菌株嗜好甘露糖，纯培养7～9小时达到分泌非纤维素降解关键酶(果胶酶、β-甘露聚糖酶和木聚糖酶)的高峰。将其菌剂活化5～6小时后接种到苎麻等草本纤维原料上发酵5～6小时的发酵草料变成蓝色，剥离和部分降解伴生于纤维细胞间的果胶、半纤维素及部分木质素，再借助高压水柱冲洗可除去附着在纤维上的非纤维素残留物，达到提取纯净纤维的目的。但是其活化菌液制备时间较长、过程较繁琐、且需要使用超滤膜设备，不利于在工厂里进行种子的全套活化生产程序。

曹军卫等在CN1177003C号专利中公开了一株新的嗜碱芽孢杆菌菌株及其在苎麻脱胶中的应用。该发明提供的技术具有脱胶周期短，脱胶效率高，菌种不易被污染，酶活力稳定，处理成本低，纤维质量好等优点。吴瑜等在CN101270343A号专利中公开了一种苎麻脱胶菌。该发明苎麻脱胶菌的脱胶能力有质的提高，对麻纤维无损伤，经过脱胶后杂质几乎全部脱掉，脱胶速度至少提高一倍。张兴群等在CN101654660B号专利中公开了一种具有苎麻脱胶活性的枯草芽孢杆菌菌株及其制备和应用，利用以该菌株为核心的体系用于苎麻脱胶，利用该体系进行苎麻脱胶具有脱胶时间短，苎麻纤维分散率达到100％，脱胶率达到90％以上，精干麻质量达到化学脱胶水平。上述几种方法存在培养体系价格高、培养时间长等问题，且均只是实验室小试，离实际运用于工业生产尚有较大差距。

以上现有技术存在的问题主要在于所述菌株活化与扩增环节培养条件相对严苛、培养时间较长，脱胶环节存在时间长、难于控制、化学品与水的消耗量偏大，苎麻精干麻产品品质不高。目前，真正用于工业生产的脱胶微生物与生物脱胶技术尚不成熟，未能完全解决存在的瓶颈问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种苎麻生物脱胶方法，解决现有苎麻脱胶工业存在的污染严重、工艺条件严苛、生产周期长、产品品质不高的问题。

本发明解决上述问题的技术方案在于：

提供一种苎麻生物脱胶方法，所述方法包括如下步骤：

S1、脱胶菌液培养：使用芽孢杆菌Bacillus sp.HG-28作为菌种，经过菌种活化步骤、扩大培养步骤、稀释步骤，获得用于苎麻生物脱胶的脱胶菌液F；

S2、生物脱胶：将装入麻笼的苎麻原麻浸没于脱胶菌液F中，苎麻原麻与脱胶菌液F的质量比为1∶11～1∶12，以0.5～3m³/h的通气量通入空气，生物脱胶4～12h后，将发酵罐密封，加热使压力升至0.1～0.15MPa，保持20～40min，结束脱胶过程。

在本发明的苎麻生物脱胶方法中，所述步骤S1之前还包括菌种保存步骤，所述菌种保存步骤具体为：

将芽孢杆菌Bacillus sp.HG-28菌种接种到装有50～100mL一号培养基的250mL锥形瓶中，在33～38℃的温度下、保持90～180r/min的转速，于摇床上培养3～6h，得到菌液A。将菌液A与体积分数为50％的甘油水溶液按3:2的比例分别移入1～5mL的离心管内混和均匀，得到菌液B，-20℃条件下保存备用；

其中，所述一号培养基包括：10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉、10g/L的NaCl。与水混和、定容后，调节初始pH值为7～7.5。

在本发明的苎麻生物脱胶方法中，所述菌种活化步骤进一步包括：

将保存有菌液B的离心管移至室温下保持5～15min，然后将菌液B按0.1％～5％的接种量接种到装有200～400mL一号培养基或二号培养基的1L锥形瓶中，在33～38℃的温度下、保持90～180r/min的转速，于摇床上培养3～6h，得到菌液C；

其中，所述二号培养基包括：10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉、5g/L的NaCl。与水混和、定容后，调节初始pH值为6.8～7.7。

在本发明的苎麻生物脱胶方法中，所述扩大培养步骤进一步包括：

将所述菌液C按1％～5％的接种量接种到装有25～35L二号培养基的50L种子罐中，在33～38℃的温度下、保持90～180r/min的转速和5～30L/min的通气量，培养2～5h，得到菌液D；

然后将菌液D接种到装有300～700kg二号培养基或三号培养基的1t种子罐中，在33～38℃的温度下、保持60～150r/min的转速和0.5～3m³/h的通气量，培养2～5h，得到菌液E；

其中，所述三号培养基包括：5～20g/L的黄豆粕粉、5～15g/L的麸皮、0～5g/L的NaCl、0～0.1g/L的K₂HPO₄、0～0.1g/L的(NH₄)₂SO₄。与水混和、定容后，调节初始pH值为6.8～7.7。

在本发明的苎麻生物脱胶方法中，所述稀释步骤进一步包括：

将水注入发酵罐中，保温34～37℃，调节pH值为6.8～7.5，加入所述菌液E并混和均匀得到脱胶菌液F，所述菌液E占脱胶菌液F的体积分数为2％～6％。

实施本发明，具有如下有益效果：芽孢杆菌菌株Bacillus sp.HG-28用于苎麻脱胶，能耗较小、污染较轻；生物脱胶时间短、过程易操作、脱胶效率高；菌体培养的时间短、成本低；得到的苎麻精干麻品质高、残胶率低、断裂强度高，优于国家标准GB/T 20793-2006《苎麻精干麻》一级精干麻的外观和各项技术指标的要求；规模化生产前景广阔。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明使用的芽孢杆菌Bacillus sp.HG-28是使用选择培养基从咸宁咸安区苎麻种植园土壤中分离得到的，通过16S rDNA序列分析和构建系统发育树被鉴定为芽孢杆菌，并将其命名为Bacillus sp.HG-28。Bacillus sp.HG-28已于2013年7月2号提交给中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC，地址在中国湖北省武汉市武汉大学)保藏，保藏编号为CCTCCNo:M 2013308。

实施例1

菌种活化步骤：将保存有菌液B的离心管移至室温下保持5min，然后将菌液B按0.1％的接种量接种到装有200一号培养基的1L锥形瓶中，在38℃的温度下、保持180r/min的转速，于摇床上培养6h，得到菌液C；一号培养基的配方是：单位体积的水中混和有10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉与10g/L的NaCl，并调节初始pH值为7。

扩大培养步骤：将菌液C按5％的接种量接种到装有35L二号培养基的50L种子罐中，在33℃的温度下、保持90r/min的转速和5L/min的通气量，培养5h，得到菌液D；然后将菌液D接种到装有700kg二号培养基的1t种子罐中，在38℃的温度下、保持60r/min的转速和0.5m³/h的通气量，培养2h，得到菌液E；二号培养基的配方是：单位体积的水中混和有10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉、5g/L的NaCl，并调节初始pH值为6.8。

稀释步骤包括：将5.5t水注入发酵罐中，保温34℃，调节pH值为6.8，将菌液E按2％的体积分数注入发酵罐中，混和均匀，得到脱胶菌液F。

生物脱胶：将装入麻笼的苎麻原麻浸没于脱胶菌液F中，苎麻原麻与脱胶菌液F的质量比为1∶11，以3m³/h的通气量通入空气，生物脱胶12h后，将发酵罐密封，加热使压力升至0.15MPa，保持40min，结束脱胶过程。

生物脱胶完成后，经过拷麻、漂白、给油、烘干等工序，经检测，脱胶后的苎麻单纤维细度为5.26dtex、束纤维断裂强度5.02cN/dtex、残胶率1.75％、白度51度、pH值6.89、回潮率9.13％。

实施例2

菌种活化步骤：将保存有菌液B的离心管移至室温下保持15min，然后将菌液B按5％的接种量接种到装有400mL一号培养基的1L锥形瓶中，在33℃的温度下、保持90r/min的转速，于摇床上培养3h，得到菌液C；一号培养基的配方是：单位体积的水中混和有10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉与10g/L的NaCl，并调节初始pH值为7.2。

扩大培养步骤：将菌液C按1％的接种量接种到装有25L二号培养基的50L种子罐中，在38℃的温度下、保持180r/min的转速和30L/min的通气量，培养2h，得到菌液D；二号培养基的配方是：单位体积的水中混和有10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉、5g/L的NaCl，并调节初始pH值为7.2。然后将菌液D接种到装有300kg三号培养基的1t种子罐中，在33℃的温度下、保持150r/min的转速和3m³/h的通气量，培养5h，得到菌液E；三号培养基的配方是：单位体积的水中混和有5g/L的黄豆粕粉、15g/L麸皮、5g/L的NaCl，并调节初始pH值为6.8。

稀释步骤包括：将5.5t水注入发酵罐中，保温37℃，调节pH值为7.5，将菌液E按6％的体积分数注入发酵罐中，混和均匀，得到脱胶菌液F。

生物脱胶：将装入麻笼的苎麻原麻浸没于脱胶菌液F中，苎麻原麻与脱胶菌液F的质量比为1∶12，以0.5m³/h的通气量通入空气，生物脱胶4h后，将发酵罐密封，加热使压力升至0.1MPa，保持20min，结束脱胶过程。

生物脱胶完成后，经过拷麻、漂白、给油、烘干等工序，经检测，脱胶后的苎麻单纤维细度为5.19dtex、束纤维断裂强度5.05cN/dtex、残胶率1.63％、白度49度、pH值7.01、回潮率9.06％。

实施例3

菌种活化步骤：将保存有菌液B的离心管移至室温下保持10min，然后将菌液B按3％的接种量接种到装有300mL二号培养基的1L锥形瓶中，在37℃的温度下、保持120r/min的转速，于摇床上培养4h，得到菌液C；二号培养基的配方是：单位体积的水中混和有10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉、5g/L的NaCl，并调节初始pH值为7.7。

扩大培养步骤：将所述菌液C按3％的接种量接种到装有30L二号培养基的50L种子罐中，在37℃的温度下、保持120r/min的转速和20L/min的通气量，培养4h，得到菌液D；然后将菌液D接种到装有500kg三号培养基的1t种子罐中，在37℃的温度下、保持120r/min的转速和1.5m³/h的通气量，培养4h，得到菌液E；三号培养基的配方是：单位体积的水中混和有20g/L的黄豆粕粉、5麸皮、0.1g/L的K₂HPO₄、0.1g/L的(NH₄)₂SO₄，并调节初始pH值为7.7。

稀释步骤包括：将水注入发酵罐中，保温36℃，调节pH值为7.0，将菌液E按4％的体积分数注入发酵罐中，混和均匀，得到脱胶菌液F。

生物脱胶：将装入麻笼的苎麻原麻浸没于脱胶菌液F中，苎麻原麻与脱胶菌液F的质量比为1∶12，以1.5m3/h的通气量通入空气，生物脱胶6h后，将发酵罐密封，加热使压力升至0.12MPa，保持30min，结束脱胶过程。

生物脱胶完成后，经过拷麻、漂白、给油、烘干等工序，经检测，脱胶后的苎麻单纤维细度为5.12dtex、束纤维断裂强度5.15cN/dtex、残胶率1.53％、白度51度、pH值6.98、回潮率9.21％。

Claims (5)

1.一种苎麻生物脱胶方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、脱胶菌液培养：使用芽孢杆菌Bacillus sp.HG-28作为菌种，经过菌种活化步骤、扩大培养步骤、稀释步骤，获得用于苎麻生物脱胶的脱胶菌液F；

S2、生物脱胶：将装入麻笼的苎麻原麻浸没于脱胶菌液F中，苎麻原麻与脱胶菌液F的质量比为1∶11～1∶12，以0.5～3m³/h的通气量通入空气，生物脱胶4～12h后，将发酵罐密封，加热使压力升至0.1～0.15MPa，保持20～40min，结束脱胶过程。

2.根据权利要求1所述的苎麻生物脱胶方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括菌种保存步骤，所述菌种保存步骤具体为：

将芽孢杆菌Bacillus sp.HG-28菌种接种到装有50～100mL一号培养基的250mL锥形瓶中，在33～38℃的温度下、保持90～180r/min的转速，于摇床上培养3～6h，得到菌液A；将菌液A与体积分数为50％的甘油水溶液按3:2的比例分别移入1～5mL的离心管内混和均匀，得到菌液B，-20℃条件下保存备用；

其中，所述一号培养基包括：10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉、10g/L的NaCl。

3.根据权利要求2所述的苎麻生物脱胶方法，其特征在于，所述菌种活化步骤进一步包括：

将保存有菌液B的离心管移至室温下保持5～15min，然后将菌液B按0.1％～5％的接种量接种到装有200～400mL一号培养基或二号培养基的1L锥形瓶中，在33～38℃的温度下、保持90～180r/min的转速，于摇床上培养3～6h，得到菌液C；

其中，所述二号培养基包括：10g/L的蛋白胨、5g/L的酵母浸粉、5g/L的NaCl。

4.根据权利要求3所述的苎麻生物脱胶方法，其特征在于，所述扩大培养步骤进一步包括：

将所述菌液C按1％～5％的接种量接种到装有25～35L二号培养基的50L种子罐中，在33～38℃的温度下、保持90～180r/min的转速和5～30L/min的通气量，培养2～5h，得到菌液D；

然后将菌液D接种到装有300～700kg二号培养基或三号培养基的1t种子罐中，在33～38℃的温度下、保持60～150r/min的转速和0.5～3m³/h的通气量，培养2～5h，得到菌液E；

其中，所述三号培养基包括：5～20g/L的黄豆粕粉、5～15g/L的麸皮、0～5g/L的NaCl、0～0.1g/L的K₂HPO₄、0～0.1g/L的(NH₄)₂SO₄。

5.根据权利要求4所述的苎麻生物脱胶方法，其特征在于，所述稀释步骤进一步包括：

将水注入发酵罐中，保温34～37℃，调节pH值为6.8～7.5，加入所述菌液E并混和均匀得到脱胶菌液F，所述菌液E占脱胶菌液F的体积分数为2％～6％。