鞏繼賢， 張秋亞， 張 濤， 李 政， 張健飛(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

韌皮結(jié)構(gòu)對羅布麻生物脫膠的影響

鞏繼賢1,2， 張秋亞1,2， 張 濤1,2， 李 政1,2， 張健飛1,2
(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

針對目前生物脫膠仍存在的效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，以羅布麻為研究對象，從成分組成與結(jié)構(gòu)分布等角度分析了羅布麻韌皮組織對生物作用的的抗性屏障。結(jié)果表明：羅布麻韌皮組織膠質(zhì)組分為45%～55%，是麻纖維中膠質(zhì)含量最高的；且羅布麻韌皮組織膠質(zhì)層較厚，纖維束排列整齊有序，直接接觸脫膠介質(zhì)的表層組織中，外為角質(zhì)層，內(nèi)層為木質(zhì)素層，結(jié)構(gòu)致密，疏水性高，可及度低；羅布麻韌皮組織對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為22%和14%；羅布麻韌皮組織中的高含量膠質(zhì)、特殊超微結(jié)構(gòu)以及抑菌物質(zhì)的存在，構(gòu)成羅布麻韌皮組織在生物脫膠過程中所需要破除的多層次抗性屏障。

羅布麻； 生物脫膠； 抗性屏障； 韌皮組織； 抑菌率

在紡織加工過程中，韌皮纖維原料首先要經(jīng)過脫膠，進(jìn)行纖維的提取。傳統(tǒng)的脫膠方法采用化學(xué)處理，該方法對環(huán)境污染大，能源消耗高，產(chǎn)品品質(zhì)低。生物催化[1]技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[2-3]，在韌皮纖維制備方面，生物脫膠成為極具潛力的發(fā)展方向[4-5]，但目前韌皮纖維的生物脫膠技術(shù)仍不成熟，還有許多問題亟待研究和解決。

作為脫膠對象的麻韌皮組織中的非纖維物質(zhì)，是由多種化學(xué)成分和多層次超分子結(jié)構(gòu)組成的異質(zhì)高聚物復(fù)合體，這種結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得脫膠過程的化學(xué)反應(yīng)具有不均一性，使得生物降解過程需要的酶種類更加多樣，而且也增加了脫膠過程中酶解反應(yīng)過程的復(fù)雜性，這種非纖組分組成與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及由此產(chǎn)生的生物降解過程的復(fù)雜性，形成麻皮抗生物降解的天然障礙[6-8]。要實現(xiàn)麻纖維的高效生物脫膠加工，有必要深入研究麻皮的抗性屏障。

羅布麻為我國特色植物資源，羅布麻纖維是一種天然功能纖維，具有優(yōu)良服用性能。本文研究以提高麻纖維生物脫膠效率為目的，分別從膠質(zhì)成分分布、韌皮組織結(jié)構(gòu)等角度進(jìn)行分析，研究了羅布麻纖維生物脫膠過程中的抗性屏障。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

手工剝制的羅布紅麻麻皮，由新疆戈寶紅麻有限公司提供。

試劑：蛋白胨(北京普博欣生物試劑公司)、牛肉粉(北京普博欣生物試劑公司)、氯化鈉(天津市醫(yī)藥公司)、濃硫酸(天津市化學(xué)試劑六廠)、草酸銨、氫氧化鈉(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)、苯(天津市化學(xué)試劑六廠)、無水乙醇(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)、無水碳酸鈉(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平(天津天馬衡基儀器有限公司)、生化培養(yǎng)箱(上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)、單人單面凈化工作臺(蘇州凈化設(shè)備有限公司)、數(shù)顯恒溫水浴鍋(上海梅香儀器有限公司)、全溫振蕩器(哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司)、鼓風(fēng)電熱干燥箱(天津中環(huán)實驗電爐公司)、數(shù)顯臺式酸度計(美國Operations Manual公司)、蒸汽立式壓力滅菌器(上海申安醫(yī)療器械廠)、傅里葉紅外光譜儀(美國Nicolet iS10)、臺式掃描電鏡(HITACHI Japan)、超景深三維視頻顯微鏡(基恩士(中國)有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1組分檢測

按GB/T 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》進(jìn)行羅布麻的組分檢測。

1.3.2紅外光譜檢測

將羅布麻麻皮樣品在50 ℃下干燥6 h，然后用傅里葉紅外光譜儀檢測，步數(shù)4 cm-1，掃描32次，檢測范圍4 000～400 cm-1。

1.3.3羅布麻形貌表征

將干燥后的測試樣品置于TM-1000型掃描電子顯微鏡(HITACHI，Japan)樣品臺，抽真空后，調(diào)節(jié)放大倍率，觀察樣品形貌。

將樣品干燥處理，制片后，由超景深三維視頻顯微鏡進(jìn)行觀測。

1.3.4抑菌性檢測

按照GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第三部分：振蕩法》的要求，對羅布麻韌皮組織的抑菌性能進(jìn)行檢測。

繪制脫膠用枯草芽孢桿菌在自然狀態(tài)和脫膠過程中的生長曲線，檢測羅布麻對脫膠菌的抑制性。

2 結(jié)果與討論

2.1 羅布麻韌皮組織成分分析

羅布麻韌皮組織的組成成分是對羅布麻抗性屏障分析研究的內(nèi)容之一，根據(jù)GB/T 5889—1986對羅布麻韌皮組織以及其他幾種麻韌皮纖維進(jìn)行成分測定，結(jié)果如表1所示。

表1 不同種類麻韌皮纖維化學(xué)成分Tab.1 Component of different bast fiber

羅布麻韌皮組織中的纖維素成分含量在 45%～55%，其他幾種分別為65%～75%、60%～70%、50%～65%，在羅布麻、亞麻、大麻、苧麻等幾種主要麻類的韌皮纖維中，羅布麻韌皮組織中非纖維素組分含量是最多的，這使得羅布麻纖維的提取難度最大。

麻皮在脫膠過程中被去除的雜質(zhì)主要有果膠質(zhì)、木質(zhì)素、和半纖維素等。由表1可看出，羅布麻的半纖維素、果膠、木質(zhì)素組分分別為15%～17%、8%～10%、11%～13%，其中果膠和木質(zhì)素2種物質(zhì)在4種韌皮纖維中的占比是最高的，半纖維素的含量水平與其他3種韌皮纖維的含量水平相差無幾。

一般認(rèn)為，果膠分布于韌皮纖維的細(xì)胞間質(zhì)中，對纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等有黏合作用，能夠?qū)㈨g皮纖維中的多種物質(zhì)結(jié)合到一起。果膠質(zhì)越多，麻皮中各雜質(zhì)之間結(jié)合更緊密，而羅布麻纖維的提取難度就會增大。

木質(zhì)素屬芳香族高分子聚合物，由苯甲醚鍵、縮醛鍵等與半纖維素結(jié)合，為植物細(xì)胞壁主要成分之一。目前相關(guān)研究并未發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素與纖維素間有化學(xué)結(jié)合，但是較高含量木質(zhì)素的存在會在一定程度上影響羅布麻纖維的提取。

從表1中還可看出，羅布麻韌皮組織蠟質(zhì)含量為2.5%～3.5%。與其他幾種麻韌皮纖維比較，羅布麻的蠟質(zhì)含量最高。蠟質(zhì)在天然韌皮纖維中是常見的非纖維素物質(zhì)，一般存在于韌皮纖維的上表皮，有較強(qiáng)的疏水性。在羅布麻韌皮組織脫膠過程，僅靠水分子或者酶的作用難以去除蠟質(zhì)，需要通過物理和化學(xué)因素的共同作用。

羅布麻韌皮組織中水溶性物質(zhì)含量為14%～17%，在幾種麻中的含量也是最高的。水溶性物質(zhì)包括一些無機(jī)鹽、色素、鞣質(zhì)、含氮物質(zhì)等。有些可溶性物質(zhì)如可溶性酚類等，對羅布麻纖維的生物脫膠過程也起著負(fù)面的影響。

2.2 羅布麻韌皮組織超微結(jié)構(gòu)分析

為分析羅布麻韌皮組織的超微結(jié)構(gòu)，用顯微鏡對羅布麻韌皮纖維進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。

圖1 羅布麻韌皮纖維組織顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Ttissue microscope photos of Apocynum bast fiber.(a)Cross section (×500)；(b)Longitudinal section(×250)

圖1(a)為超景深三維視頻顯微鏡下放大500倍時，羅布麻韌皮組織橫截面的縱向效果圖?？煽闯觯w維呈束狀排列于膠質(zhì)組織內(nèi)部，纖維直徑20 μm左右，纖維橫截面為橢圓狀，中有空腔，纖維層整體厚度約100 μm。

圖1(b)為羅布麻韌皮組織放大250倍的顯微鏡圖片，明亮部分為纖維，暗部是韌皮組織的膠質(zhì)，其覆蓋在纖維束的表面。可看出，纖維之間以及纖維束之間也有膠質(zhì)組織。纖維束和上表皮以及內(nèi)部膠質(zhì)一起構(gòu)成韌皮部組織。

由顯微鏡的觀察結(jié)果可得出羅布麻韌皮組織的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 羅布麻韌皮組織橫截面示意圖Fig.2 Sketch of bast fiber cross section

在羅布麻韌皮組織的外表面分布著一層角質(zhì)層，而纖維被果膠質(zhì)、半纖維素和木質(zhì)素等構(gòu)成的膠質(zhì)體系包裹，呈束狀于膠質(zhì)組織內(nèi)部排列。這些上表皮組織和纖維束之間的膠質(zhì)組織構(gòu)成了生物脫膠的抗性屏障，也是在羅布麻脫膠過程中所要去除的物質(zhì)由顯微鏡的觀察結(jié)果，可得出羅布麻韌皮組織的縱向結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。在羅布麻韌皮組織中，絕大部分麻纖維在膠質(zhì)組織中呈緊密的平行排列，單纖維及纖維束之間的連接緊密，加之果膠質(zhì)和半纖維素的聯(lián)結(jié)作用，構(gòu)成結(jié)構(gòu)致密的纖維網(wǎng)絡(luò)，形成麻皮的抗性屏障結(jié)構(gòu)。

圖3 羅布麻韌皮組織縱向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of longitudinal section of Apocynum bast fiber

2.3 羅布麻韌皮組織界面分子結(jié)構(gòu)分析

同其他植物一樣，羅布麻韌皮組織外層也有角質(zhì)層，主要成分為角質(zhì)和蠟質(zhì)。角質(zhì)層的作用是使植物能夠抵抗外界侵?jǐn)_，這一結(jié)構(gòu)是植物與外界環(huán)境的第1道屏障[9-11]。

在本文研究中，用紅外光譜法對羅布麻韌皮組織外表層進(jìn)行了檢測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 羅布麻韌皮組織外表層紅外光譜圖Fig.4 FT-IR (ATR) of outer surface layer in Apocynum bast fiber

圖4結(jié)果顯示2 920和2 850 cm-1處有非常尖銳的吸收峰，這應(yīng)是飽和烷烴的C—H伸縮振動形成的，結(jié)合對羅布麻韌皮組分分析，蠟質(zhì)和角質(zhì)組分很可能是使此峰形呈現(xiàn)非常尖銳形狀的主要原因。蠟質(zhì)不溶于水，成分復(fù)雜，主要組分是長鏈的脂肪族化合物以及環(huán)狀萜類，脂肪族類化合物[11-12]。角質(zhì)較難溶于溶劑，含C16和C18族脂肪酸類物質(zhì)，如棕櫚酸、棕櫚醇、硬脂酸及硬脂醇等[12-13]。由于膠質(zhì)和蠟質(zhì)組成的特殊性，使得羅布麻韌皮具有高疏水特點，對酸堿等化學(xué)物質(zhì)也具有一定穩(wěn)定性。而且角質(zhì)與蠟質(zhì)的存在也降低了微生物酶對內(nèi)部膠質(zhì)的可及性，給脫膠過程帶來一定的困難。圖5示出角質(zhì)層的分子式。

注：R為—COOH、—CHO、—CH2OH、—CH3，n=16～72。圖5 角質(zhì)層的分子式Fig.5 Formula of cuticle.(a)Alkane compounds;(b)Alcohols

同樣，羅布麻韌皮組織內(nèi)表層也是在生物脫膠過程中酶所直接接觸的部位，由紅外光譜法對羅布麻韌皮組織內(nèi)表層進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖6所示。

圖6 羅布麻韌皮組織內(nèi)表層紅外光譜圖Fig.6 FT-IR (ATR) of inner surface layer in Apocynum bast fiber

由圖6可看出，羅布麻韌皮纖維內(nèi)表層在1 601、1 035 cm-1處皆有明顯的吸收峰，其中 1 601 cm-1處的吸收峰為伯醇C—O伸縮振動和愈創(chuàng)木基團(tuán)C—H伸縮振動，而1 035 cm-1處為芳香族骨架振動。由此推測，羅布麻韌皮纖維內(nèi)表層主要是木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。圖7示出木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)單元。羅布麻韌皮部已木質(zhì)化的細(xì)胞會在韌皮組織內(nèi)表層分布，而韌皮組織內(nèi)表層的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)在脫膠過程中難以被去除，這形成了脫膠過程中羅布麻韌皮的又一抗性屏障。

圖7 木質(zhì)素基本結(jié)構(gòu)單元Fig.7 Structural formula of lignin.(a) Guaiacyl propane unit; (b) Syringyl propane unit; (c) Hydroxyl propane unit

2.4 羅布麻韌皮組織抑菌性分析

羅布麻中的一些抑菌物質(zhì)對生物脫膠過程而言，是微生物生長的抑制性因素，也發(fā)揮著抗性屏障的作用。羅布麻韌皮中含有鞣質(zhì)等酚類物質(zhì)以及異槲皮甙、金絲桃苷等黃酮類物質(zhì)，對革蘭染色陽性菌與革蘭染色陰性菌都具有一定的抑菌作用。

羅布麻的精干麻纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為15%和11%，而羅布麻韌皮組織對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為22%和14%。這表明羅布麻精干麻纖維以及韌皮纖維中都有抑菌物質(zhì)，而在脫膠后纖維的抑菌性能有所減弱，這意味著抑制物質(zhì)在脫膠過程中會有所流失或發(fā)展轉(zhuǎn)化。

羅布麻韌皮組織所含的抑菌物質(zhì)，會在一定程度上影響微生物生長，這也是羅布麻生物脫膠過程所要面臨的問題之一。自然生長和脫膠過程中的枯草芽孢桿菌的生長曲線如圖8所示。

圖8 枯草芽孢桿菌生長曲線Fig.8 Growth curves of Bacillus subtilis

在20 h以前，脫膠狀態(tài)下的菌株可利用麻皮上溶出的營養(yǎng)物質(zhì)，所以增殖速度較快，但在20 h以后，營養(yǎng)液中自然生長的菌仍保持較快的增殖速度，脫膠液中的菌生長速度變緩，接近對數(shù)末期，枯草芽孢桿菌是革蘭氏陽性菌，生長也受羅布麻韌皮組織中的抑菌物質(zhì)抑制。

3 結(jié) 論

1)羅布麻韌皮組織的成分中存在45%～55%的膠質(zhì)，包括果膠、半纖維素、木質(zhì)素等，這些非纖維結(jié)構(gòu)的膠質(zhì)物質(zhì)的大量存在，給脫膠過程帶來較大的困難。

2)從羅布麻韌皮組織超微結(jié)構(gòu)看，韌皮組織上層膠質(zhì)組分較厚，在生物脫膠過程中屏障作用明顯，并且羅布麻纖維排列緊密，單纖維彼此之間排列規(guī)則有序，由此形成的致密結(jié)構(gòu)，降低酶分子的可及度，給生物脫膠造成一定困難。

3)就羅布麻韌皮表層結(jié)構(gòu)而言，發(fā)現(xiàn)韌皮組織外表層具有角質(zhì)層，內(nèi)表層主要為木質(zhì)素層，這種疏水特性的結(jié)構(gòu)，使得在水相體系為介質(zhì)的脫膠過程中，作為生物催化劑的酶分子對麻皮內(nèi)部膠質(zhì)的可及性減小，影響生物脫膠的進(jìn)行。

4)羅布麻膠質(zhì)組分中存在一定量的抑菌成分，也給脫膠過程中的微生物生長帶來負(fù)面的效果。

5)對生物脫膠來說，韌皮組織中高含量的膠質(zhì)物質(zhì)、角質(zhì)層構(gòu)成的表皮組織以及抑菌物質(zhì)的存在是羅布麻韌皮組織在生物脫膠過程中所需要破除的多層次抗性屏障。

FZXB

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Investigationonbio-recalcitranceinbiodegummingofApocynum

GONG Jixian1,2， ZHANG Qiuya1,2， ZHANG Tao1,2， LI Zheng1,2， ZHANG Jianfei1,2
(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to solves the problems of biodegumming on low efficiency and instable quality, using Apocynum as the subject, Biorecalcitrance of Apocynum bast fibers was investigated from the aspects of composition and structure. The results show that the content of gum substance in Apocynum bast is 45%-55%, which the higher than that of ramie, hemp, flax, jute, et al. The colloid layer is thicker and the fiber bundles are arranged in an orderly manner in Apocynum bast. The outer and inner layer in textura epidermoidea of Apocynum bast, which are in direct contact with liquid containing enzymes, are cuticle and lignin, respectively. These compact structures result in high hydrophobicity and low accessibility. Apocynum bast has certain antibacterial activities againstE.coliandS.aureusof 22% and 14%. So, a multi-level recalcitrance structure of Apocynum bast to biodegumming process is constituted by high gum substance proportion, special ultrastructure and the existence of antibacterial component.

Apocynum; biodegumming; bio-recalcitrance; phloem tissue; antibacterial rate

10.13475/j.fzxb.20161202705

TS 192.5

A

2016-12-19

2017-08-18

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0400503-02)；新疆自治區(qū)重大專項項目(2016A03006-3)；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)性項目(2017011)

鞏繼賢(1975—)，男，副教授。研究方向為紡織生物技術(shù)。張健飛，通信作者，E-mail:zhangjianfei@tjpu.edu.cn。