CN107828757A - 可用于麻类脱胶的酶制剂及其麻类韧皮脱胶工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可用于麻类韧皮脱胶的酶制剂，以菊迪卡氏菌的发酵液为基础，添加木聚糖酶及CaCl2助剂，混合得到酶制剂，该菊迪卡氏菌的保藏号为CGMCC 14600，命名为菊迪卡氏菌DC。并且提供了用所述酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，依次经过酶制剂的制备、麻原料的预处理、循环式浸酶、灭活和洗麻，最终获得纯净的麻纤维。本发明菊迪卡氏菌DC培养条件粗犷、生长速度快、酶活高，能适用于苎麻、红麻、大麻、亚麻、罗布麻等韧皮脱胶；采用循环式浸酶工艺，循环利用酶制剂，提高酶制剂使用效率，缩短工艺流程，降低生产成本，无需浸酸和高压、高浓度碱煮、酸漂洗等流程，条件温和，无机、有机污染物处理负荷比化学脱胶的减低70％，加工成本降低20％左右。

Description

可用于麻类脱胶的酶制剂及其麻类韧皮脱胶工艺
技术领域
本发明属于麻类脱胶技术领域，具体涉及一种可用于麻类脱胶的酶制剂及其麻类韧皮脱胶工艺。
背景技术
苎麻、红麻、大麻、亚麻、罗布麻等麻类作物韧皮部分，含有20％～40％的非纤维素物质，包括木质素、果胶和半纤维素等物质，这些物质镶嵌于细胞之间及细胞壁中，结构十分复杂，对麻类进行开发利用都需进行纤维提取，纤维的提取过程一般需要除去非纤维物质，而脱胶工艺是其关键步骤。
麻类脱胶方法主要包括化学脱胶和生物脱胶两大类。传统的沤麻法存在脱胶周期长、污染严重、工艺条件控制困难、纤维产量与质量不稳定等问题；现有麻类脱胶企业普遍采用化学脱胶法，耗水量大，纤维制成率低、脱胶产生的大量高浓度废水、废渣，严重污染环境，制约着产业的健康发展。现行的酶脱胶方法存在酶活低、组分不匹配、稳定性差以及用碱量高等缺点，依然无法解决脱胶废水量大、废水中COD值高、环保处理费用高的难题。
生物脱胶以生物催化剂(酶)催化非纤维素物质降解为核心而获得满足后续加工要求的纤维素纤维的加工过程。生物脱胶技术可以克服常规脱胶方法存在的弊端，具有低能耗、低污染、高品质等特征。目前已经报道的具有麻类生物脱胶功能的菌株有60多种，但普遍分泌的酶系与麻类韧皮胶质成分不能很好的相匹配或酶活不够高，脱胶效果不理想。虽然微生物脱胶技术在近年来取得了重要突破，但是绝大多数处于实验室研究阶段，无法得到推广应用，究其原因，主要为：(1)麻类胶质成分复杂，很难找到所分泌的酶系与麻类胶质成分相匹配的脱胶微生物；(2)麻类脱胶机理研究尚不够清楚，酶的组分与复配缺乏理论指导依据，给酶复配带来了难度；(3)复配酶成本高昂。
CN 102002468B发明了一种荧光假单胞菌DA4菌株及其获得方法和应用，该菌株具有产果胶酶和半纤维素酶能力，具有亚麻脱胶活性，利用该菌种生产的脱胶酶液，果胶酶和木聚糖酶活性高，培养过程操作安全，无毒性、无环境污染，采用其进行亚麻微生物脱胶可提高亚麻纤维的出麻率、提高亚麻纤维的强度、改善亚麻纤维质量。但是该菌株脱胶时间为1～4天，脱胶周期太长，且脱胶工艺复杂。CN 1157475C提供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，该菌株鉴定为Bacillus subtilis No.13，在同一培养条件下可产生脱胶所需的多种酶，脱胶效果好，脱胶率达到95％，纤维分散度100％，不损伤纤维，但是其菌株培养工艺复杂，脱胶周期较长，质量不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于麻类脱胶的酶制剂及其麻类韧皮脱胶工艺，以解决现有脱胶工艺中脱胶周期长、质量不稳定、脱胶废水污染大和成本高的问题。
本发明提供一种可用于麻类韧皮脱胶的酶制剂，以菊迪卡氏菌的发酵液为基础，添加木聚糖酶及CaCl2助剂，混合得到酶制剂，该菊迪卡氏菌的保藏号为CGMCC 14600，命名为菊迪卡氏菌DC(Dickeya chrysanthemi IBFC 2016)，其于2017年9月08日被保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心。该菊迪卡氏菌DC的生长温度为20～42℃，最适合生长温度为34℃，生长pH为5.5～8.5，最适pH约为7.0。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种利用所述酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，包括以下步骤：
(1)酶制剂的制备：将菊迪卡氏菌DC菌种进行活化、扩增处理，得到菌悬液；向菌悬液中添加木聚糖酶及CaCl2助剂，制得混合酶制剂；
(2)麻原料的预处理；
(3)循环式浸酶：将不少于2笼麻依次进行浸酶，首先将第1笼麻放置在接种锅里，然后注入配置好的酶制剂至覆盖原料，直至能用水冲洗分散纤维时酶解结束，然后放入第2笼麻进行浸酶，补充配置好的酶制剂至覆盖原料，按前面步骤重复处理；
(4)灭活：将装有酶解原料的麻笼移入含碱液的接种锅中，然后搅拌、高温灭活；
(5)洗麻：将灭活后的麻类韧皮进行洗麻处理，洗麻过程中一边碾压一边用高压水冲洗，直至获得纯净的麻纤维。
优选的，所述步骤(1)中酶制剂的制备，通过以下方式实现：
S1.将1环斜面保藏的菊迪卡氏菌DC菌种接种到肉汤培养基中进行活化，在34±1℃下震荡或者搅拌培养10～12h，随后加入到含无菌肉汤培养液的三角瓶中，在34±1℃的温度下以180～200rpm的转速进行搅拌培养7～8h，获得菌悬液；
S2.按2％的接种量转接到含无菌肉汤培养基的发酵罐，在34±1℃下以180～200rpm的转速进行搅拌发酵，并向其中通入压缩空气，压缩空气对含无菌肉汤的培养基的流量为0.2～0.3m3/(m3·h)，发酵罐内保持0.3～0.5MPa的压强，培养5～7h，获得菌悬液，根据生产规模，菌悬液可以按该程序和参数进行进一步扩培；
S3.向发酵液中先后添加木聚糖酶，及CaCl2，至质量百分比分别为1～5g/L及4～5g/L，制成混合酶制剂，所得酶制剂中菊迪卡氏菌DC的活菌含量为1×108～1×109cfu/mL，木聚糖酶酶活力≥100u/mL，果胶酶酶活力≥200u/mL，甘露聚糖酶酶活力≥300u/mL。
优选的，所述步骤(2)中麻原料的预处理为将麻类韧皮抖松、除杂，按长度将原料扎成0.4kg/把～0.7kg/把的麻把，然后进行悬挂式圆柱形麻笼装笼，装笼密度为400±50kg/笼，麻笼的高径比为1:1，高度为1.5～2.0m，以麻把基部紧挨着每一层麻的底部为准将麻把弯折后均匀悬挂于麻笼的挂麻钢条上。
优选的，所述步骤(3)中循环式浸酶，通过以下方式实现：准备2笼麻，第1笼麻静止放置于在接种锅里，注入配置好的液态酶制剂至覆盖原料为宜，升温至50～60℃，调节pH值为7.0～8.5，静止酶解2～3h，直至能用水冲洗分散纤维，再用行车吊起、移走麻笼；将第2笼麻放置在接种锅余液里，补充注入配置好的液态酶制剂至覆盖原料为宜，继续保持温度50～60℃，pH值7.0～8.5，静止酶解2～3h，直至能用水冲洗分散纤维，再用行车吊起、移走麻笼。
优选的，所述步骤(4)中碱液为NaOH溶液，浓度为3～5g/L。
优选的，所述步骤(4)中搅拌为通入蒸汽或空气鼓动搅拌，温度为90～100℃，
保温时间为20～30min。
优选的，所述步骤(5)中洗麻是通过生物脱胶碾压水冲耦合洗麻机组洗涤。
与现有技术相比，本发明方法的优点是：
(1)本发明菊迪卡氏菌DC培养条件粗犷、生长速度快、酶系齐全、酶活高，同时产胞外果胶酶及甘露聚糖酶，在合适培养条件下，培养7h时，果胶酶、甘露聚糖酶酶活分别为250u/mL及340u/mL，并且检测不到纤维素酶酶活。
(2)本发明高效麻类脱胶复合酶制剂，脱胶时间短，2～3h就能完成酶解过程，适用范围广，能适用于苎麻、红麻、大麻、亚麻、罗布麻等韧皮脱胶。
(3)本发明采用循环式浸酶工艺，循环利用酶制剂，提高酶制剂使用效率，缩短工艺流程，无需浸酸和高压、高浓度碱煮、酸漂洗等流程，条件温和，无机、有机污染物处理负荷比化学脱胶降低70％，加工成本降低20％左右。
附图说明
图1是本发明的工艺流程。
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。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
实施例1
本发明可产麻类韧皮脱胶酶的菌株，保藏号为CGMCC 14600，命名为菊迪卡氏菌DC(Dickeya chrysanthemi IBFC 2016)，其于2017年9月08日被保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心。
所述菊迪卡氏菌DC的筛选、鉴定方法，包括以下步骤：
(1)采样与处理：取沤麻池污泥样品10g，放置装有适量玻璃珠的锥形瓶中，加入200mL无菌水，180rpm混匀20min，用多层纱布过滤除渣获得悬液。
(2)富集筛选：取10mL悬液、150mL自来水以及15g苎麻韧皮混合，置于锥形瓶中，35℃，180rpm震荡发酵至纤维分散；取该发酵液10mL，以及150mL自来水、15g大麻韧皮混合，置于锥形瓶中，35℃，180rpm震荡发酵至纤维分散；取第二次发酵液10mL，以及150mL自来水、15g大麻韧皮混合，置于锥形瓶中，35℃，180rpm震荡发酵至纤维分散。
(3)功能筛查：取第三次发酵液1mL进行稀释涂布，分离获得单菌落。挑选1个单菌落，接入肉汤培养液中培养至浑浊，取3mL菌悬液、150mL自来水以及15g大麻韧皮混合，置于锥形瓶中，35℃，180rpm震荡发酵。筛选出一株发酵8h能完成苎麻生物脱胶的菌株，编号DC～IBFC 2016。
(4)分类鉴定：提取菌株PW～IBFC 2016基因组DNA，通过保守引物27F及1492R扩增16S rDNA序列，经纯化、测序及Blastn比对，结合API试剂盒获取的生理生化特性，鉴定菌株IBFC 2016属于Dickeya chrysanthemi。
实施例2
将实施例1得到的菊迪卡氏菌DC进行应用，于2016年10月12～20日，在中国农业科学院麻类加工酶制剂中试车间实施酶制剂的制备及罗布麻脱胶技术，其工艺流程如图1所示，具体步骤包括：
(1)酶制剂的制备：
S1.将菊迪卡氏菌DC菌种接种到含5mL肉汤培养基中进行活化，在34℃下震荡或者搅拌培养10h，随后加入到含200mL无菌肉汤培养液的三角瓶中，在34℃下以180rpm的转速搅拌培养7h获得菌悬液；
S2.按2％的接种量转接到含无菌肉汤培养基的发酵罐，在34℃下以180rpm的转速进行搅拌发酵，并向其中通入压缩空气，压缩空气对含无菌肉汤的培养基的流量为0.2m3/(m3·h)，发酵罐内保持0.3MPa的压强，培养5h，获得菌悬液10L；同等条件下，再通过发酵罐二级扩培获得6000L扩配液备用；
S3.向发酵液中添加酶活力为20000u/g的木聚糖酶18kg(最适温度范围：40℃～60℃，最适pH范围：6.0～8.0)，然后向发酵液中添加27kg的CaCl2，通气混匀获得液态脱胶酶制剂。
(2)罗布麻原料预处理：
将无霉变的罗布麻韧皮抖松、除杂，按长度将原料扎成0.6kg/把的麻把，然后进行悬挂式圆柱形麻笼装笼(其结构参照专利ZL200810143762.1)。麻笼的高径比为1:1，高度为1.5m，额定装料量为400kg/笼，底座开孔以保证麻笼通气均匀，以麻把基部紧挨着每一层麻的底部为准将麻把弯折后均匀悬挂于麻笼的挂麻钢条上；
(3)循环式浸酶：
将第1笼麻放置在接种锅里，注入所得的液态酶制剂至覆盖原料为宜，升温至55℃，调节pH值为7.0，静止酶解2h，再移走麻笼。将第2笼装载麻原料的麻笼放置在接种锅余液里，补充注入配置好的液态酶制剂至覆盖原料为宜，继续保持温度55℃，pH值7.0，静止酶解2h，再移走麻笼；
(4)灭活：
将装有酶解原料的麻笼移入含3g/L NaOH的热水的接种锅中，90℃维持20min，并通入蒸汽鼓动搅拌；
(5)洗涤：
通过生物脱胶碾压水冲耦合洗麻机组(参考专利：ZL201220390609.0)洗涤，获得纯净的罗布麻纤维。
实施例3
将实施例1得到的菊迪卡氏菌DC进行应用，于2016年12月20～28日，在湖南利尔康生物公司及汉寿紫阳纺织原料有限责任公司分别实施酶制剂的制备及苎麻脱胶技术，其工艺流程如图1所示，具体步骤包括：
(1)酶制剂的制备：
S1.将菊迪卡氏菌DC菌种接种到含5mL肉汤培养基中进行活化，在34℃下震荡或者搅拌培养12h，随后加入到含200mL无菌肉汤培养液的三角瓶中，在34℃下以200rpm的转速搅拌培养8h获得菌悬液；
S2.按2％的接种量转接到含无菌肉汤培养基的发酵罐，在34℃下以200rpm的转速进行搅拌发酵，并向其中通入压缩空气，压缩空气对含无菌肉汤的培养基的流量为0.3m3/(m3·h)，发酵罐内保持0.5MPa的压强，培养7h，获得菌悬液10L；同等条件下，再通过发酵罐二级扩培获得6000L扩配液备用；
S3.向发酵液中添加酶活力为20000u/g木聚糖酶18kg(最适温度范围：40℃～60℃，最适pH范围：6.0～8.0)；然后向发酵液中添加27kg的CaCl2，通气混匀获得液态脱胶酶制剂。
(2)苎麻原料预处理：
将无霉变的苎麻韧皮抖松、除杂，按长度将原料扎成0.7kg/把的麻把，然后进行悬挂式圆柱形麻笼装笼(其结构参照专利ZL200810143762.1)。麻笼的高径比为1:1，高度为2.0m，额定装料量为450kg/笼，底座开孔以保证麻笼通气均匀，以麻把基部紧挨着每一层麻的底部为准将麻把弯折后均匀悬挂于麻笼的挂麻钢条上；
(3)循环式浸酶：
将第1笼麻放置在接种锅里，注入所得的液态酶制剂至覆盖原料为宜，升温至55℃，调节pH值为8.5，静止酶解3h，再移走麻笼。将第2笼装载麻原料的麻笼放置在接种锅余液里，补充注入配置好的液态酶制剂至覆盖原料为宜，继续保持温度60℃，pH值8.5，静止酶解3h，再移走麻笼；
(4)灭活：
将装有酶解原料的麻笼移入含5g/L NaOH的热水的接种锅中，100℃维持30min，并通入蒸汽鼓动搅拌；
(5)洗涤：
用汉寿紫阳纺织原料有限责任公司现有敲麻机敲麻，获得纯净的麻纤维。
实施例4
将实施例1得到的菊迪卡氏菌DC进行应用，于2017年3月12～18日，在中国农业科学院麻类加工酶制剂中试车间实施酶制剂的制备及亚麻脱胶技术，其工艺流程如图1所示，具体步骤包括：
(1)酶制剂的制备：
S1.将菊迪卡氏菌DC菌种接种到含5mL肉汤培养基中进行活化，在34℃下震荡或者搅拌培养11h，随后加入到含200mL无菌肉汤培养液的三角瓶中，在34℃下以190rpm的转速搅拌培养7.5h获得菌悬液；
S2.按2％的接种量转接到含无菌肉汤培养基的发酵罐，在34℃下以190rpm的转速进行搅拌发酵，并向其中通入压缩空气，压缩空气对含无菌肉汤的培养基的流量为0.4m3/(m3·h)，发酵罐内保持0.4MPa的压强，培养6h，获得菌悬液10L；同等条件下，再通过发酵罐二级扩培获得6000L扩配液备用；
S3.向发酵液中添加酶活力为20000u/g木聚糖酶18kg(最适温度范围：40℃～60℃，最适pH范围：6.0～8.0)；然后向发酵液中添加27kg的CaCl2，通气混匀获得液态脱胶酶制剂。
(2)亚麻预处理：
将无霉变的亚麻除杂、碎茎、去渣，按长度将原料扎成0.6kg/把的麻把，然后进行悬挂式圆柱形麻笼装笼(其结构参照专利ZL200810143762.1)。麻笼的高径比为1:1，高度为1.8m，额定装料量为400kg/笼，底座开孔以保证麻笼通气均匀，以麻把基部紧挨着每一层麻的底部为准将麻把弯折后均匀悬挂于麻笼的挂麻钢条上；
(3)循环式浸酶：
将第1笼麻放置在接种锅里，注入所得的液态酶制剂至覆盖原料为宜，升温至55℃，调节pH值为7.5，静止酶解2.5h，再移走麻笼。将第2笼装载麻原料的麻笼放置在接种锅余液里，补充注入配置好的液态酶制剂至覆盖原料为宜，继续保持温度55℃，pH值7.5，静止酶解2.5h，再移走麻笼；
(4)灭活：
将装有酶解原料的麻笼移入含4g/L NaOH的热水的接种锅中，95℃维持25min，并通入蒸汽鼓动搅拌；
(5)洗涤与打麻
清水洗涤后，敲麻、摆洗，获得亚麻纤维。

Claims (8)

1.一种可用于麻类韧皮脱胶的酶制剂，以菊迪卡氏菌的发酵液为基础，添加木聚糖酶及CaCl2助剂，混合得到酶制剂，该菊迪卡氏菌的保藏号为CGMCC 14600，命名为菊迪卡氏菌DC(Dickeya chrysanthemi IBFC2016)，其于2017年9月08日被保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心。
2.一种用酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，包括以下步骤：
(1)酶制剂的制备：将菊迪卡氏菌DC菌种进行活化、扩增处理，得到菌悬液；向菌悬液中添加木聚糖酶及CaCl2助剂，制得混合酶制剂；
(2)麻原料的预处理；
(3)循环式浸酶：将不少于2笼麻依次进行浸酶，首先将第1笼麻放置在接种锅里，然后注入配置好的酶制剂至覆盖原料，直至能用水冲洗分散纤维时酶解结束，然后放入第2笼麻进行浸酶，补充配置好的酶制剂至覆盖原料，按前面步骤重复处理；
(4)灭活：将装有酶解原料的麻笼移入含碱液的接种锅中，并通入蒸汽或空气鼓动搅拌；
(5)洗麻：将灭活后的麻类韧皮进行洗麻处理，洗麻过程中一边碾压一边用高压水冲洗，直至获得纯净的麻纤维。
3.根据权利要求2所述的用酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，所述步骤(1)中酶制剂的制备，通过以下方式实现：
S1.将1环斜面保藏DC菌种接种到肉汤培养基中进行活化，在34±1℃下震荡或者搅拌培养10～12h，随后加入到含无菌肉汤培养液的三角瓶中，在34±1℃的温度下以180～200rpm的转速进行搅拌培养7～8h，获得菌悬液；
S2.按2％的接种量转接到含无菌肉汤培养基的发酵罐，在34±1℃下以180～200rpm的转速进行搅拌发酵，并向其中通入压缩空气，压缩空气对含无菌肉汤的培养基的流量为0.2～0.3m3/(m3·h)，发酵罐内保持0.3～0.5MPa的压强，培养5～7h，获得菌悬液，根据生产规模，菌悬液可以按该程序和参数进行进一步扩培；
S3.向发酵液中先后添加木聚糖酶及CaCl2，至质量百分比分别为1～5g/L及4～5g/L，制成混合酶制剂，所得酶制剂中菊迪卡氏菌DC的活菌含量为1×108～1×109cfu/mL，木聚糖酶酶活力≥100u/mL，果胶酶酶活力≥200u/mL，甘露聚糖酶酶活力≥300u/mL。
4.根据权利要求2所述的用酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，所述步骤(2)中麻原料的预处理为将麻类韧皮抖松、除杂，按长度将原料扎成0.4kg/把～0.7kg/把的麻把，然后进行悬挂式圆柱形麻笼装笼，装笼密度为400±50kg/笼，麻笼的高径比为1:1，高度为1.5～2.0m，以麻把基部紧挨着每一层麻的底部为准将麻把弯折后均匀悬挂于麻笼的挂麻钢条上。
5.根据权利要求2所述的用酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，所述步骤(3)中循环式浸酶，通过以下方式实现：准备2笼麻，第1笼麻静止放置于在接种锅里，注入配置好的液态酶制剂至覆盖原料为宜，升温至50～60℃，调节pH值为7.0～8.5，静止酶解2～3h，直至能用水冲洗分散纤维，再用行车吊起、移走麻笼；将第2笼麻放置在接种锅余液里，补充注入配置好的液态酶制剂至覆盖原料为宜，继续保持温度50～60℃，pH值7.0～8.5，静止酶解2～3h，直至能用水冲洗分散纤维，再用行车吊起、移走麻笼。
6.根据权利要求2所述的用酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，所述步骤(4)中碱液为NaOH溶液，浓度为3～5g/L。
7.根据权利要求2所述的用酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，所述步骤(4)中搅拌为通入蒸汽或空气鼓动搅拌，温度为90～100℃，保温时间为20～30min。
8.根据权利要求2所述的用酶制剂进行麻类韧皮脱胶的工艺，所述步骤(5)中洗麻是通过生物脱胶碾压水冲耦合洗麻机组洗涤。
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