一种用于苎麻纤维的绿色高效脱胶方法：果胶酶与过氧化氢（或过硫酸钾）联合处理

《International Journal of Biological Macromolecules》：A green and efficient degumming method for ramie fibers: Pectate lyase combined with potassium peroxy( mon)sulfate treatment

开发果胶酶与过氧硫酸钾协同脱胶系统，显著提升苎麻纤维脱胶效率至88.72%，满足中国一级纺织品标准。通过酶学特性、免疫荧光及多谱分析阐明协同机制：PcPel1834降解果胶破坏纤维束结构，PPMS氧化分解半纤维素与木质素。该工艺兼具高效性与环保性，为天然纤维加工提供新范式。

　　

Ziqi Hou|Tong Shu|Huihui Wang|Simin Liu|Pandeng Li|Tianyi Yu|Chunhua Fu|Longjiang Yu

华中科技大学生命科学技术学院生物技术系资源生物学与生物技术研究所，武汉，430070，中国

摘要

为了解决苎麻纤维化学脱胶带来的高污染问题以及微生物方法效率低的问题，本研究开发了一种新型协同脱胶系统，该系统结合使用了果胶裂解酶和过氧化钾（PPMS）。通过酶学特性分析、还原糖检测和免疫荧光实验，确定果胶裂解酶（PcPel1834）是脱胶菌株Pectobacterium carotovorum HG-49中的关键酶。该酶表现出较高的催化效率（4980 U/mg，K_cat/Km = 1588.92 mL·s^-1·mg^-1），其脱胶效果可与商业果胶裂解酶相媲美。结合使用PcPel1834和PPMS处理6.5小时后，总胶质去除率达到88.72%，纤维束强度为5.10 cN/dtex，白度为52.7，符合中国一级纺织标准。通过免疫荧光、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振（EPR）和气相色谱-质谱（GC/MS）分析阐明了该协同系统的脱胶机制。PcPel1834有效降解了果胶并破坏了苎麻纤维的紧密结构，从而促进了PPMS生成富含自由基的强氧化环境，使半纤维素和木质素分解为小分子酸、苯甲酸和芳香烃片段。本研究为苎麻产业建立了一种高效且环保的脱胶方法。

引言

纺织业是国家经济的重要组成部分，对社会经济发展具有显著影响。然而，传统的纺织制造方式由于使用有害化学物质、能源消耗过多和废水排放，对生态系统健康构成威胁[1]。苎麻纤维因其极高的强度、抗菌性能和生物降解性而成为重要的纺织原料[2]。然而，要充分利用这些特性，必须去除表面的果胶、半纤维素和木质素[3]。传统的化学脱胶方法（如酸浸和碱煮）每吨脱胶后的苎麻纤维会产生80吨废水，造成严重的环境负担[1]。新兴的脱胶技术（如氧化脱胶、深共晶溶剂处理和有机溶剂萃取）仍面临操作成本高、脱胶效率低和环境兼容性差等挑战[4],[5],[6],[7]。虽然微生物/酶法具有环保潜力，但单独应用时处理时间较长且残留胶质较多，需要后续碱性处理才能实现工业化应用[2],[8],[9]。尽管已经探索了创新的微生物-酶联合体和酶-碱混合系统，但其在效率上的提升有限，且无法满足严格的环保要求[10],[11]。因此，开发高效、环保的脱胶技术仍是纺织工业的迫切需求。

果胶裂解酶（Pel，EC 4.2.2.2）通过转消除机制切割聚半乳糖醛酸（PGA）中的α-1,4-糖苷键，在新形成的寡半乳糖醛酸的非还原末端产生C4和C5之间的不饱和键。作为一种温和且环保的生物催化剂，它在食品、造纸和纺织工业中可替代化学处理方法[12]。该酶主要作用于果胶中的均聚半乳糖醛酸（HG）区域，将长链底物降解为可溶性寡聚物，从而在洗涤过程中有效去除胶质[13]。在苎麻脱胶过程中，果胶会包裹半纤维素（如木聚糖和甘露聚糖），阻碍其去除。因此，降解果胶是关键的第一步[3],[14]。鉴于苎麻果胶的甲基酯化程度较低，并且在碱性（pH 8–11）和热（40–60°C）条件下胶质溶解度较高，因此偏好对低甲基酯化底物具有选择性的热活性碱性果胶裂解酶[15]。然而，现有果胶裂解酶的性能往往不尽如人意，尤其是活性不足或碱性稳定性差，限制了其在工业中的应用[16]。

高级氧化工艺（AOPs）是一种备受推崇的化学预处理方法，已广泛应用于废水处理[17],[18]。近年来，它在木质纤维素材料的预处理中也显示出优异效果[17],[18]。但由于·OH自由基的不稳定性，其应用范围受到限制[19]。过氧化钾（PPMS）作为一种高效稳定的氧化剂，具有较高的氧化潜力（2.5–3.1 V），可通过SO?^?自由基驱动氧化反应[20]。PPMS在温和加热下可生成SO?^?，反应过程中其活性成分分解为硫酸盐、水和氧气，不会产生对环境有害的废物，也不会损害纤维素[21],[22],[23]。作为一种环保的绿色化学品，PPMS已广泛应用于甘蔗残渣处理、废水处理和纸浆漂白等领域[24],[25],[26]，并在 Kenaf 纤维脱胶中显示出显著的脱木效果[27]。

早期研究中，苎麻脱胶菌株Pectobacterium carotovorum HG-49在16小时内实现了82.16%的胶质去除率[2]。基于Pectobacterium carotovorum HG-49的基因组注释，设计了用于克隆和表达十种果胶裂解酶的引物。对这些酶进行了序列和结构分析，并对其酶学性质进行了全面评估。通过综合评估底物特异性、脱胶后的还原糖检测和间接免疫荧光实验，确定了 HG-49菌株中的主要果胶裂解酶。最后，评估了PcPel1834与PPMS联合使用在苎麻纤维脱胶中的效果。

材料

原始苎麻纤维由湖北荆华纺织公司提供。非酯化聚半乳糖醛酸（PGA）、酯化度（DE）< 50%的柑橘果胶（CP）和酯化度约为65%的苹果果胶（AP）来自上海麦克林生化科技有限公司。Ni^2+-NTA树脂购自瑞典Cytiva公司。Pectobacterium carotovorum HG-49保存在中国典型培养物保藏中心。

果胶裂解酶的序列和结构分析

在HG-49菌株中鉴定出十个潜在的果胶裂解酶基因，根据CAZy数据库将其分为四个家族和八个亚家族（PL1_2、PL1_3、PL1_6、PL1_8、PL2_1、PL3_1、PL3_5和PL9_1）[36]。序列分析显示，PcPel1834、PcPel1835和PcPel1836的序列一致性超过82%，并属于PL1_3亚家族；而其他酶的序列一致性低于15%，表明可能存在功能差异（图1A，S1A）。此外，...

结论

对Pectobacterium carotovorum HG-49中的果胶裂解酶进行综合分析后，确定PcPel1834是苎麻脱胶的关键酶，其脱胶效率可与商业果胶裂解酶相媲美，显示出其在工业应用中的巨大潜力。此外，本研究成功建立了PcPel1834-PPMS协同脱胶工艺并阐明了其作用机制。PcPel1834通过降解果胶实现了纤维束的解开。

作者贡献声明

Ziqi Hou：撰写初稿。Tong Shu：撰写初稿。Huihui Wang：进行正式分析。Simin Liu：进行正式分析。Pandeng Li：进行正式分析。Tianyi Yu：进行正式分析。Chunhua Fu：撰写及审稿编辑。Longjiang Yu：撰写及审稿编辑。

未引用的参考文献

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利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（21676111、32170379）和华中科技大学自主创新基金（5003170110）的支持。SEM、ATR FT-IR、TGA、XRD、XPS、EPR、GC/MS和Micro-IR分析均在华中科技大学分析测试中心及生命科学研究核心设施进行。作者感谢这些机构的支持。