CN109295784B - 一种以麻类、秸秆等草本植物为原料制备纤维素醚的方法 - Google Patents

一种以麻类、秸秆等草本植物为原料制备纤维素醚的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以麻类、秸秆等草本植物为原料制备纤维素醚的方法。其中，麻类、秸秆等草本植物的脱胶方法包括如下步骤：使用复合菌株对麻类原料进行发酵脱胶；所述复合菌株包括保藏编号为CGMCC14601的植物腐败菌和保藏号为CCTCC M2018483的枯草芽孢杆菌。本发明采用植物腐败菌PW与枯草芽孢杆菌BSE混合培养，共同催化降解麻类、秸秆等草本植物非纤维素，该制备方法具有酶活高、繁殖快、酶系齐全、工艺简单、劳动强度小、脱胶均匀、胶质去除彻底等优点。

Description

一种以麻类、秸秆等草本植物为原料制备纤维素醚的方法
技术领域
本发明涉及麻类、秸秆等天然纤维技术领域，更具体地，涉及一种以麻类、秸秆等草本植物为原料制备纤维素醚的方法。
背景技术
纤维素是世界上最多的生物聚合物，是人类最宝贵的天然可再生资源之一。苎麻、红麻、黄麻、大麻、青麻、亚麻、罗布麻等麻类韧皮部，蕉麻、剑麻等麻叶，以及小麦、水稻等秸秆中含有40％～70％的纤维素以及20％～50％的胶质，是重要的纤维原材料。胶质主要包括果胶、半纤维素、木质素等，这些物质镶嵌于细胞之间及细胞壁中。通过脱胶工艺，可以去除非纤维素提取麻类韧皮中的纤维素。
中国是全球最大的纤维素醚生产和消费国，产量年均增长超过20％，纤维素醚行业设计产能已超过40万吨。随着医药、食品、日化等行业的发展，对高品质纤维素醚的需求不断增长。同时，甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等具有良好的成膜、增稠、保水等性能，是优良的化工材料。麻类、秸秆等植物纤维素通过碱化、醚化后，能生成具有良好成膜、增稠、保水等特性的甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等纤维素醚。
国内外普遍采用的以酸碱蒸煮的化学脱胶方法或天然水体浸泡水沤脱胶方法提取草本植物纤维，不仅严重污染环境、损伤纤维品质，而且加工成本高，制约了产业发展。生物脱胶是以生物催化剂(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。不添加烧碱等助剂的生物脱胶技术，尤其是微生物脱胶技术，在近年来取得了重要突破。但是，长期的、稳定的、规模化应用的草本植物生物脱胶技术尚未见报道，究其原因，主要在于脱胶菌株功能低下以及脱胶工艺不够完善。脱胶微生物分泌的酶系不全面、酶活力不够高，因此生物脱胶后的残胶含量高，给后续加工带来了困难。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种草本植物的脱胶方法。该脱胶方法包括如下步骤：
使用复合菌株对草本植物进行发酵脱胶；所述复合菌株包括保藏编号为CGMCC14601的植物腐败菌PW和保藏号为CCTCC M2018483的枯草芽孢杆菌BSE。
菌株PW属于Pectobacterium wasabiae，其于2017年9月15日被保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心。该植物腐败菌PW的生长温度为15～45℃，最适合生长温度约为34℃，生长pH为5.0～8.5，最适pH约为6.8。
菌株BSE属于Bacillus subtilis，其于2018年7月14日被保藏于中国典型培养物保藏中心。该枯草芽孢菌BSE的生长温度为10～70℃，最适合生长温度约为34℃，生长pH为2.0～9.0，最适pH约为7.0。
本发明首次提出以本发明所述的特定复合菌株对麻类、秸秆等草本植物原料进行发酵脱胶。两个复合菌株能够在同一培养体系下培养、生长，并完成麻类、秸秆等草本植物的非纤维素降解过程。复合菌株体系具有酶活高、繁殖快、酶系齐全、工艺简单、劳动强度小、脱胶均匀、胶质去除彻底等优点。
在本发明一个优选实施方式中，所述植物腐败菌和所述枯草芽孢杆菌的质量比为3:1～3:2，优选为2:1。在上述用量比范围内，二者能够兼容生长，不发生拮抗作用，10h时的纯培养中果胶酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶、木质素酶的酶活分别为156IU/mL、175IU/mL、82IU/mL、107IU/mL，活菌量达2.5×108CFU/mL。
在本发明一个优选实施方式中，所述复合菌株由保藏编号为CGMCC14601的植物腐败菌和保藏号为CCTCC M2018483的枯草芽孢杆菌组成。
在本发明一个优选实施方式中，为了保证脱胶的均匀性和彻底性，所述草本植物长度为1～5mm，长度优选为2～3mm。
其中，可以将含水率低于5％～15％的草本植物磨碎成长度为1～5mm的草本植物粉末。
在本发明一个优选实施方式中，所述草本植物为麻类或秸秆。所述麻类原料优选为麻类韧皮或麻叶，所述麻类韧皮优选为苎麻、红麻、黄麻、大麻、青麻、亚麻或罗布麻，所述麻叶优选为蕉麻或剑麻。所述秸秆优选为水稻或小麦。所述草本植物进一步优选为大麻韧皮、剑麻叶或水稻秸秆。
在本发明一个优选实施方式中，所述脱胶方法具体包括：
1)将所述植物腐败菌和枯草芽孢杆菌混合培养，得到菌悬液；所述培养条件为：肉汤培养基，pH为6～7，温度为31～35℃，通气量0.2～0.3m3/(m3·h)，搅拌速度为120～150rpm；
2)加水稀释步骤1)得到的菌悬液20～50倍，保持pH为6～7，温度为31～35℃；
3)向步骤2)得到的菌悬液中加入所述草本植物，在31～35℃、通气量为0.2～0.3m3/(m3·h)和搅拌速度为120～150rpm的条件下发酵脱胶6～10h。
其中，在步骤2)中，发酵结束后，菌悬液浑浊，菌体浓度达到107cfu/mL以上；植物原料松软，水洗后白度增加，纤维素含量80％以上。
其中，步骤1)中肉汤培养基中包括牛肉膏1％，蛋白胨0.3％，葡萄糖0.5％，氯化钠0.5％。其中，浓度为质量浓度。
在本发明一个优选实施方式中，步骤3)中所述步骤2)得到的菌悬液与所述草本植物的质量比为100:(5～10)。
其中，步骤2)中所述通气量中空气为0.3～0.4MPa。
其中，步骤2)中所述通气量过程中保持空气压力为0.3～0.4MPa。
本发明的另一个目的在于提供一种麻类纤维素醚的制备方法，该制备方法包括如下步骤：向其中加入灭活剂和氧化剂，在80～100℃灭活，并以50～100rpm的速度搅拌灭活1～2h，清水洗涤、过滤，获得纤维素浆，醚化。
所述灭活剂优选为磷酸铵、多聚磷酸钠、草酸铵中的一种或多种。所述氧化剂优选为H2O2。其中，磷酸铵、多聚磷酸钠、草酸铵能将不溶性的果胶酸盐转化成可溶性果胶酸盐，进一步促进果胶降解，同时通过改变渗透压加速微生物灭活；H2O2是一种氧化剂，既能进一步降解非纤维素，又能杀死微生物。
其中，磷酸铵、多聚磷酸钠、草酸铵中的一种或多种的质量体积比优选为10～30g/L。
加入H2O2后混合溶液中H2O2的质量体积比浓度为0.5％～5％。
其中，灭活具体优选为：在80～100℃灭活，并以50～100rpm的速度搅拌1h后，用清水洗涤，40～80目分样筛过滤获得纤维浆。
在本发明一个优选实施方式中，所述醚化具体为：向所述纤维素浆中加入无水乙醇和18wt％氢氧化钠溶液，混匀，20～30℃下搅拌1～2h后，再向其中加入醚化剂，40～80℃搅拌2～4h，中和，洗涤。
其中，所述纤维素浆、无水乙醇、18wt％氢氧化钠溶液的质量、体积、体积比优选为1:(30～50):(5～15)。
在一个优选实施方式中，所述醚化剂的加入质量为所述纤维素浆的2～5倍，所述有机溶剂优选为无水乙醇、丙酮或甲苯。有机溶剂的加入质量为所述纤维素浆的5～10倍。所述醚化剂为一氯酸钠、环氧乙烷或氯乙烷。纤维素大分子中每个葡萄糖基环含有三个羟基，醚化剂中的烃基能取代纤维素中羟基生成水溶性、热塑性纤维素醚。
该纤维素醚制备工艺的优点在于：其一，使用微生物代替高浓度强酸强碱，清洁环保；其二，所采用的双菌复合体系能在同一条件下共同生长，不抑制，双菌发酵更高效；其三，全程工艺温度不高于100℃，无高温高压，节能安全；其四，特定灭活剂和氧化剂的使用进一步提高纤维素纯度和得率，有效提高纤维素醚的品质。
本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的草本植物纤维素醚。
本发明采用植物腐败菌PW(Pectobacterium wasabiae IBFC 2016，菌株保藏号：CGMCC 14601)与枯草芽孢杆菌BSE(Bacillus subtilis BSE，菌株保藏号为CCTCCM2018483)混合培养，共同催化降解麻类、秸秆等非纤维素。10h时的纯培养中果胶酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶、木质素酶酶活分别为156IU/mL、175IU/mL、82IU/mL、107IU/mL，活菌量达2.5×108CFU/mL，因此该工艺具有酶活高、繁殖快、酶系齐全、能同步共生等特点，弥补了单菌酶活不高、酶系不全、真菌生长缓慢等不足。
本发明用研磨粉碎工艺把麻类韧皮磨碎后再发酵，代替直接用原韧皮脱胶，不需要专用发酵室、敲打设备、人工堆积，发酵10h后，菌悬液浑浊，菌体浓度达到107cfu/mL以上，植物原料松软，水洗后白度增加，纤维素含量80％以上，因此该方法工艺简单、劳动强度小、脱胶均匀、胶质去除彻底，是一种可操作性强的生产工艺。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备草本植物纤维素膜的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明中，植物腐败菌为保藏编号为CGMCC14601的植物腐败菌，命名为植物腐败菌PW(Pectobacterium wasabiae IBFC 2016)，由本发明的发明人选育并保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心。
枯草芽孢杆菌为保藏编号为CCTCC M2018483的枯草芽孢杆菌，命名为枯草芽孢杆菌BSE(Bacillus subtilis BSE)，由本发明的发明人选育并保藏于中国典型培养物保藏中心。
其它原料及试剂均可市购。
实施例1：
本实施例提供了一种大麻韧皮乙基纤维素醚，其制备流程图如图1所示，制备方法如下：
(1)原麻研磨粉碎
将无霉变大麻韧皮晒干至含水率低于10％，抖松、除杂。用植物粉碎机研磨成约2mm长的细小松散屑状粉末。
(2)菌种培养
将植物腐败菌PW(Pectobacterium wasabiae IBFC 2016)与枯草芽孢杆菌BSE(Bacillus subtilis BSE)混合培养，制备成菌悬液；培养条件：肉汤培养液、pH为7、温度34℃，通气量0.2～0.3m3/(m3·h)，并以120rpm搅拌。
(3)稀释配液
在自带加热、搅拌和通气功能的发酵锅里注入自来水，并调至pH7、温度34℃±1℃；向其中添加2％的步骤(2)得到的菌悬液，混匀稀释成总活菌含量至少达到1×107cfu/mL的稀释液。
(4)浸泡震荡发酵脱胶
在步骤(3)得到的稀释液中再加入10％的步骤(1)得到的粉末，在35℃±1℃、0.3～0.4MPa的压缩空气流量0.2～0.4m3/(m3·h)下，以150rpm震荡发酵8h。
(5)溶剂体系配置
发酵脱胶结束后，加入磷酸铵(质量体积比浓度20g/L)，以及H2O2(终浓度为3％)。
(6)灭活
在100℃灭活，并以100rpm的速度搅拌。1h后，用清水洗涤，60目分样筛过滤获得纯净纤维浆。
(7)纤维素醚化
分别按质量、体积、体积比为步骤(6)的纤维浆：无水乙醇：18％氢氧化钠＝1:30:10加料混匀，30℃搅拌1h，再按纤维浆：氯乙烷：甲苯＝1:3:5的比例添加氯乙烷及甲苯溶液，60℃搅拌3h后，然后用乙酸中和以及70％的乙醇洗涤，获得乙基纤维素醚。
实施例2
本实施例提供了一种剑麻叶羧甲基纤维素醚，制备方法如下：
(1)原麻研磨粉碎
将无霉变剑麻叶烘干至含水率低于10％，抖松、除杂。用植物粉碎机磨碎成约2mm左右的细小松散屑状粉末。
(2)菌种培养
将植物腐败菌PW与枯草芽孢杆菌BSE混合培养，制备成菌悬液。培养条件：肉汤培养液、pH7、温度35℃，通气量0.2～0.3m3/(m3·h)，并以120rpm搅拌。
(3)稀释配液
在自带加热、搅拌和通气功能的发酵锅里注入自来水，并调至pH7、温度34℃±1℃；向其中添加2％的步骤(2)得到的菌悬液，混匀稀释成总活菌含量至少达到1×107cfu/mL的稀释液。
(4)浸泡震荡发酵脱胶
在步骤(3)得到的稀释液中再加入10％的步骤(1)得到的粉末，在35℃±1℃、0.3～0.4MPa的压缩空气流量0.2～0.4m3/(m3·h)下，以150rpm震荡发酵8h。
(5)溶剂体系配置
发酵脱胶结束后，加入多聚磷酸钠(质量体积比浓度20g/L)，以及H2O2(终浓度为3％)。
(6)灭活
在90℃灭活，并以80rpm的速度搅拌。1h后，用清水洗涤，60目分样筛过滤、烘干获得纯净纤维素。
(7)纤维素醚化
分别按质量、体积、体积比为步骤(6)的纤维浆：无水乙醇：18％氢氧化钠＝1:40:10加料混匀，30℃搅拌1h，再按纤维浆：一氯酸钠：无水乙醇＝1:4:40的比例添加一氯酸钠乙醇溶液，80℃搅拌3h后，然后用乙酸中和以及70％的乙醇洗涤，获得羧甲基纤维素醚。
实施例3
本实施例提供了一种水稻秸秆羟乙基纤维素膜醚，制备方法如下：
(1)原麻研磨粉碎
将无霉变水稻秸秆烘干至含水率8％，抖松、除杂。用植物粉碎机等研磨设备，磨碎成约2mm左右的细小松散屑状粉末。
(2)菌种培养
将植物腐败菌PW与枯草芽孢杆菌BSE混合培养，制备成菌悬液。培养条件：肉汤培养液、pH7、温度33℃，通气量0.2～0.3m3/(m3·h)，并以130rpm搅拌。
(3)稀释配液
在自带加热、搅拌和通气功能的发酵锅里注入自来水，并调至pH7、温度34℃±1℃；向其中添加2％的步骤(2)得到的菌悬液，混匀稀释成总活菌含量至少达到1×107cfu/mL的稀释液。
(4)浸泡震荡发酵去除非纤维素
在上述装有配液的发酵锅中再加入7％的步骤(1)得到的粉末。35℃±1℃、0.3～0.4MPa的压缩空气流量0.2～0.4m3/(m3·h)下，以160rpm震荡发酵10h。
(5)溶剂体系配置
发酵脱胶结束后，加入草酸铵(质量体积比浓度15g/L)，以及H2O2(终浓度为2.5％)。
(6)灭活
在100℃灭活，并以60rpm的速度搅拌。1h后，用清水洗涤，60目分样筛过滤获得纯净纤维浆。
(7)纤维素醚化
分别按质量、体积、体积比为步骤(6)的纤维浆:无水乙醇:18％氢氧化钠＝1:50:15加料混匀，30℃搅拌1h，过滤去滤液，再按纤维浆：环氧乙烷：丙酮＝1:3:30的比例添加环氧乙烷丙酮溶液，80℃搅拌3h后，然后用乙酸中和以及70％的乙醇洗涤，获得羟乙基纤维素醚。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种草本植物的脱胶方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将植物腐败菌和枯草芽孢杆菌混合培养，得到菌悬液；培养条件为：肉汤培养基，pH为6～7，温度为31～35℃，通气量0.2～0.3m3/(m3·h)，搅拌速度为120～150rpm；
2)加水稀释步骤1)得到的菌悬液20～50倍，保持pH为6～7，温度为31～35℃；
3)向步骤2)得到的菌悬液中加入所述草本植物，在31～35℃、通气量为0.2～0.3m3/(m3·h)和搅拌速度为120～150rpm的条件下发酵脱胶6～10h；
所述植物腐败菌的保藏编号为CGMCC14601，所述枯草芽孢菌的保藏号为CCTCCM2018483。
2.根据权利要求1所述的脱胶方法，其特征在于，所述植物腐败菌和所述枯草芽孢杆菌的活菌数比为3:1～3:2。
3.根据权利要求2所述的脱胶方法，其特征在于，所述植物腐败菌和所述枯草芽孢杆菌的活菌数比为2:1。
4.根据权利要求1～3任一项所述的脱胶方法，其特征在于，所述草本植物为长度为1～5mm的草本植物。
5.根据权利要求4所述的脱胶方法，其特征在于，所述草本植物为麻类或秸秆。
6.根据权利要求5所述的脱胶方法，其特征在于，所述麻类为麻类韧皮或麻叶，所述麻类韧皮为苎麻、红麻、黄麻、大麻、青麻、亚麻或罗布麻，所述麻叶为蕉麻或剑麻。
7.根据权利要求5所述的脱胶方法，其特征在于，所述秸秆为水稻或小麦。
8.根据权利要求1所述的脱胶方法，其特征在于，步骤3)中所述步骤2)得到的菌悬液与所述草本植物的质量比为100:(5～10)。
9.一种草本植物纤维素醚的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：使用权利要求1至8中任一项所述的脱胶方法得到脱胶后的溶液，向其中加入灭活剂和氧化剂，在80～100℃灭活，并以50～100rpm的速度搅拌灭活1～2h，清水洗涤、过滤，获得纤维素浆，醚化；所述灭活剂为磷酸铵、多聚磷酸钠、草酸铵中的一种或多种；所述氧化剂为H2O2；
所述醚化具体为：向所述纤维素浆中加入无水乙醇和18wt％氢氧化钠溶液，混匀，20～30℃下搅拌1～2h后，再向其中加入醚化剂，40～80℃搅拌2～4h，中和，洗涤；
所述纤维素浆、无水乙醇、18wt％氢氧化钠溶液的质量、体积、体积比为1:(30～50):(5～15)；
所述醚化剂为一氯酸钠、环氧乙烷或氯乙烷，其加入质量为所述纤维素浆的2～5倍。
10.权利要求9所述的制备方法得到的草本植物纤维素醚。
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CN107904186B (zh) * 2017-10-11 2019-02-12 中国农业科学院麻类研究所 可用于麻类微生物脱胶的菌株及其麻类脱胶工艺

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Application publication date: 20190201

Assignee: Yiyang Meijia New Materials Co.,Ltd.

Assignor: INSTITUTE OF BAST FIBER CROPS, CHINESE ACADEMY OF AGRICULTURAL SCIENCES

Contract record no.: X2024980010927

Denomination of invention: A method for preparing cellulose ether from herbaceous plants such as hemp and straw as raw materials

Granted publication date: 20191217

License type: Common License

Record date: 20240731

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