潜心研究二十余载 攻克脱胶技术难题

——记“高效节能清洁型麻类工厂化生物脱胶技术”完成人刘正初及其团队

文章来源:中国农业科学院麻类研究所作者: 点击数:发布时间:2017-01-04【字体:   

近年来,时尚健康的麻类纺织品因其透气、散热、抗菌、保健等特性越来越受到消费者青睐。要将麻类农产品转化为麻纤维制品,脱胶是关键。传统的沤麻方法因不适宜规模化生产、纤维质量不稳定且受水源和农村劳动力制约而面临淘汰;以浓碱液蒸煮为主的化学脱胶方法因能源和化学试剂消耗大、环境污染严重,其应用前景不容乐观。现代生物脱胶方法的研究受缺乏脱胶功能齐全的菌株、复合酶剥离非纤维素的作用机理不清等科学问题的制约而进展缓慢。中国农科院麻类研究所刘正初研究员及其团队成员,潜心研究二十多年,终于形成了一整套高效节能清洁型麻类工厂化生物脱胶技术,从根本上解决了麻类产业发展的技术难题。
  涉足生物脱胶领域
  上世纪七十年代初,麻类研究所老一辈科学家孙庆祥研究员等针对沤麻和化学脱胶方法的弊端,开始了麻类生物脱胶技术研究,直到1985年才形成过渡型“苎麻细菌-化学联合脱胶技术”。1982年刘正初从湖南农学院毕业后来到麻类所进入孙庆祥课题组,开始接触麻类生物脱胶技术研究,是苎麻细菌-化学联合脱胶技术的第五发明人。在为主实施该项技术的推广应用过程中,他意识到,“生物-化学联合脱胶”生产模式虽然为脱胶方法由化学领域向现代生物技术领域跨越奠定了基础,但因两种作用机制并存,除不同程度存在污染严重等问题以外,还有工艺复杂、菌剂制备流程长或酶制剂成本高等弊端,难以转化为长久的大规模生产力。1991年,刘正初幸运地获得了在职攻读硕士学位的机会,受导师孙庆祥研究员委托,在北京攻读学位课程期间利用课余时间先后到相关部门汇报工作,结果是“功夫不负有心人”,同年年底以孙庆祥研究员为第一主持人、刘正初助理研究员为第二主持人的“苎麻生物脱胶新技术研究”项目获得农业部重点科研计划立项资助。从此,刘正初开始主持麻类工厂化生物脱胶技术的研究工作。
  脱胶菌株的选育之路
  菌种是生物脱胶技术研究的关键科学问题。直到1994年7月,虽然采集了100多份菌样并进行了富集、分离和筛选,但是,菌种选育工作尚未取得突破性进展。刘正初深知项目来之不易,但达到合同规定考核指标的距离还很遥远,情急之下突发奇想:从植物病患处采样。于是,他独自利用午休时间在麻类研究所附近采集腐烂冬瓜等3个植物病患样品,以“苎麻碎片+自来水”进行富集,下班时观察(富集时间约5.5 h)就发现腐烂冬瓜样的苎麻纤维已经分散,立即采用自行设计的“猪胆盐皇绿果胶平板”对富集菌液进行分离,次日中午(培养时间约18 h)观察,发现分离平板上形成了非常明显的“水解圈”,经过纯化和功能鉴定,获得了能在6 h内独立完成苎麻脱胶的高效菌株T85-260等菌株。首次选育到T85-260菌株后,通过团队成员的共同努力,研究形成了发明专利——苎麻生物脱胶工艺技术与设备。该专利在1995年获得中国专利优秀奖。

在工厂进行菌种活化

  但是,对生物脱胶菌株的选育远没结束。一次偶然的机会,刘正初从生物防治研究所要到一株胡萝卜软腐欧文氏杆菌,与团队成员一起以原始而粗犷的方法从该菌株中提取质粒导入T85-260菌株,获得了一个培养、发酵到一定程度出现颜色变化的变异菌株CXJZ95-198。CXJZ95-198已经初步具备独立完成苎麻脱胶的能力,团队成员对CXJZ95-198菌株进行紫外辐射诱变,再次获得变异菌株CXJZU-120。经过系统的分类鉴定,T85-260菌株属于菊果胶杆菌。与国内外同类研究比较,T85-260系列菌株具有物种名称的“唯一性”、处理材料的“广谱性”和脱胶功能的“高效性”。深入研究结果表明,该菌株能在细胞外同时高效表达果胶酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶,其中,果胶酶能专一性裂解胞间层,甘露聚糖酶和木聚糖酶能切断纤维素连接非纤维素的化学键,从而使麻类纤维原料中非纤维素发生“块状崩溃”而剥离,再借助高压水柱冲洗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。团队在提出“块状崩溃”假说的基础上,通过关键酶基因的克隆与表达、生物脱胶过程的监测与分析等基础性研究,率先创立了“复合酶剥离非纤维素”的生物脱胶作用机理,实现了麻类脱胶技术原理由“天然菌群随机性降解作用”或“化学试剂差异化水解作用”向“关键酶专一性裂解作用”的跨越。
  整体技术的发明过程
  T85-260系列菌株作为首次获得的麻类脱胶广谱性高效菌株,国内外还没有利用一个菌株独立完成某一种麻脱胶的报道,因此,麻类工厂化生物脱胶工艺没有成功的先例可以借鉴。在“苎麻生物脱胶工艺技术与设备”的形成过程中,不仅根据菌种特性发明了快速培养微生物及其用于苎麻脱胶的技术流程和工艺参数,而且根据生物发酵产品的特点发明了“罗拉碾压+高压水冲洗”的工艺装备雏形。
  在“苎麻生物脱胶工艺技术与设备”的工厂化应用过程中,根据一般挡车工难以掌握菌种提纯复壮技术的现实生产力状况,发明了防止功能退化的高效菌剂制备方法。根据市场流通的农产品苎麻附壳太多,导致生物脱胶工艺难以除尽以及松紧程度不一致引起接种不均匀的现状,发明了与生物脱胶工艺配套的预处理和后处理方法及生物脱胶原料预处理机组、生物脱胶罗拉碾压-高压水冲偶联洗麻机组。同时,根据菌株功能拓展的需要,形成了功能菌株用于工厂化发酵快速提取草本纤维工艺等一系列发明专利。此外,根据非纤维素发生“块状崩溃”而脱落的特点,补充发明了生物脱胶总合治废的技术要点。由此形成了完整的麻类工厂化生物脱胶技术体系,具有节能、减排、降耗、高效利用资源、流程简短、生产环境友好等特点,从而实现了麻类脱胶生产方式由“作坊式”向“工厂化”、由“化学法”向“生物法”的转变。


微生物制剂制备
 

苎麻生物脱胶
 

脱胶后苎麻纤维的质量评价

  获得经济效益与社会效益
  1990年以来,该团队先后依托农业部重点项目“苎麻纤维生物加工技术研究”、国家“863”计划目标导向课题“天然可降解草本纤维生物提取及其新产品开发技术研究”等25项科研任务,围绕高效菌株选育、复合酶协同作用机理和生物脱胶工艺与设备,不断创新与完善。以首次选育到麻类脱胶广谱性高效菌株为基础,在生物脱胶技术原理、工艺流程、技术参数和工艺装备等方面也接连取得重大突破,从而形成一整套完备的“高效节能清洁型麻类工厂化生物脱胶技术”。该成果涉及授权发明专利7项(其中2项获中国专利优秀奖)、实用新型专利2项、鉴定成果1项、发明论文80余篇(纺织界影响因子最高的SCI论文1篇)。
  在刘正初及其团队成员近三十年的不懈努力和坚持之下,我国率先突破麻类生物脱胶技术,实现了麻类脱胶生产方式的重大转变,从根本上解决了麻类产业发展的技术难题,对我国以草本纤维为原料的纺织、造纸、生物质材料等产业也具有重大推动或借鉴作用。该成果具有节能、减排、降耗、提高资源利用率的明显优势,尤其是转变生产方式、从源头上大幅度减少污染物,不仅体现了新一代工业生物技术具有保护自然资源和生态环境的重要价值,而且可为农民增收提供农产品增值的空间,带动种植业利用边际土地生产天然纤维、提高植被覆盖率、减少林木砍伐、改善生态环境。其次,生物脱胶麻类纤维具有耐磨、抗疲劳等特点,没有“淬火”变性负作用,既可以克服“麻类纤维刚性强、抱合力差”及“麻类织物刺痒”等问题,提升纺织品(包括军用服饰及装备)和纸品质量,又可以用作生物质产业的基础材料,开发草本纤维为基础材料的人类生活和社会发展必需品,对于促进生物质产业持续发展,缓解我国石油、森林和土地资源短缺的矛盾和减少“白色污染”,提高国防能力、保障国家和社会安全、改善人民物质文化生活和健康水平具有重要意义。
  截止2013年底,该成果先后在湖南广源麻业有限公司、浙江亚马逊工艺壁纸有限公司、江西井竹科技股份有限公司等13家企业推广应用,建成示范工程5个,累计生产麻类纤维13.9万吨。目前正常生产的技术实施规模达到5.7万吨/年,占全国麻类农产品工厂化脱胶能力(约16万吨纤维/年)35.6%。


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