亚麻纤维脱胶技术及在复合材料领域的应用与研究进展

摘要 亚麻（Linum usitatissimum L.）是一种古老的作物，在人类历史上扮演着重要的角色。为了研究亚麻纤维作为可再生材料在生产生活中的应用，综述了亚麻纤维的生物学特性、亚麻纤维脱胶方法与表面改良技术的最新研究进展及其在复合材料领域中的应用，探讨了亚麻纤维的应用前景，旨在为亚麻相关的研究提供理论基础。

关键词 亚麻;亚麻纤维;亚麻脱胶;复合材料

中图分类号 TB332文献标识码 A文章编号 0517-6611（2022）04-0001-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.04.001

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Flax Fiber Degumming Technology and Flax Composite Materials： Application and Research Progress

ZHANG Chi1，2， SUN Yangcun1，2， L Yuze1，2 et al

（1. Agricultural Microorganisms Technology Education Engineering Research Center， Heilongjiang University， Harbin， Heilongjiang 150500;2. Key Laboratory of Microbiology of Heilongjiang Province， Life Science College， Heilongjiang University， Harbin，Heilongjiang 150080）

Abstract Flax is an ancient crop that has played an important role throughout human history.To study the application of flax fiber as a renewable material in production and life， the biological properties of flax fiber， the latest research progress of flax fiber degumming methods and surface improvement techniques and their applications in the field of composite materials are reviewed， and the application prospect of flax fiber is discussed in order to provide theoretical basis for the related research of flax.

Key words Flax;Flax fiber;Flax degumming;Composite materials

基金项目 国家自然科学基金面上项目“乙酸溢流代谢与群体感应的协同效应对副干酪乳杆菌HD1.7种群稳定性影响机制的探究”（32071519）;黑龙江省自然科学基金重点项目“乙酸代谢与副干酪乳杆菌群体感应互作探究及对细菌素产生的影响”（ZD2020C008）;黑龙江省现代农业产业体系协同创新推广体系麻类（工业）项目;黑龙江大学研究生创新科研项目（YJSCX2020-205HLJU）。

亚麻（Linum usitatissimum L.）是一种纤维植物，其茎高达140 cm左右，叶片呈灰绿色，叶长20～40 mm，宽约3 mm[1]。亚麻纤维作为天然植物纤维之一，由于其具有良好的性能品质，在纺织、材料、食品和医疗领域得到了广泛的应用[2-3]。自农业开始以来，人们为了获得具有更高特性的植物，根据它们是否符合人们的需求而进行选择[4];然而，高质量的亚麻纤维因其是纺织加工中重要的纤维作物而备受关注。亚麻植物中含有大量的纤维素、少量的木质素、半纤维素和果胶等物质，它们包埋在细胞内外[5-7]。

我国是全球第二大亚麻种植生产区。随着人们生活水平的提高与亚麻纤维需求量的日益上升，为了得到高质量的纤维，改进亚麻纤维生产工艺的技术革新迫在眉睫[8]。目前国内外亚麻纤维的工业化生产中主要通过生物法脱胶、酶法脱胶以及理化法脱胶等技术脱胶，这些方法近年来都是人们研究的热点[9-11]。现如今，随着环境恶化的不断加剧以及人们的环保意识的提升，亚麻纤维作为增强复合材料已逐渐走进人们的生活，其作为环境友好型材料逐步取代玻璃纤维等材质[12]。同时，亚麻纤维因其生物降解性良好、热稳定性高和成本低而受到欢迎[13]。由此可见，亚麻纤维作为新型复合材料前景可观，同时，新技术的不断出现，对高品质亚麻纤维的开发也是至关重要的。

1 亚麻纤维概述

亚麻纤维是一种纤维素聚合物，主要位于麻茎的韧皮部，与棉花相比，亚麻纤维的结构结晶度更高，因此更坚固、更硬、更易起皱。麻茎从外向内依次由表皮、韧皮部、木质部，以及中间空隙组成，纤维与纤维之间主要由果胶连接在一起[14-16]。人们想从亚麻中获取大量的高质纤维，必须将纤维束与周围组织之间的胶质连接进行断裂[17-18]。亚麻纤维作为一种天然纤维，已经被人类广泛应用，并一直持续到今天。在所有天然纤维中，亚麻纤维的比模量仅次于苎麻纤维。因此，亚麻纤维在众多纤维中展现出较高的力学性能和经济性[19-20]。

2 亚麻脱胶生产现状

亚麻纤维制备的一个重要程序就是脱胶工艺，脱胶是纤维生产过程中一个关键环节，它直接影响纤维的产量和品质[21]。换而言之，脱胶是连接亚麻种植与纺织加工的桥梁，是亚麻进入大众视野的重要步骤[22]。过去经常采用传统的温水沤麻和雨露沤麻，因传统技术容易受到气候因素的影响，所以难以有效控制，最终导致脱胶时间长、产量低、质量不稳定和环境污染等问题，严重制约着亚麻产业的发展[23]。目前生产上普遍采用生物法脱胶、酶法脱胶、物理和化学法脱胶等技术与传统技术相结合的方法，均利用天然微生物、脱胶酶和来自外界的理化作用对亚麻中的果胶、半纤维素和木质素等物质进行降解，从而达到脱胶的目的（图1）。

2.1 生物法脱胶

为了解决在制取亚麻纤维过程中存在的问题，国内外研究者首先从脱胶微生物入手，广泛地开展了“亚麻加菌脱胶方法”的研究。该方法是利用具有能够产生聚合物降解酶的微生物，去除亚麻纤维周围的非纤维素等物质。早在20世纪初期，为了进一步改善亚麻纤维质量，解决传统脱胶工艺缺陷，人们对亚麻脱胶工艺进行了研究。微生物脱胶的作用过程是微生物生长、微生物代谢和酶降解的循环过程。有趣的是，微生物消耗部分果胶水解物作为代谢活性的碳源，因此防止水解产物（低聚糖或其他低分子糖）对脱胶酶促反应的反馈抑制，并促进果胶的彻底去除，最终提高亚麻纤维生物脱胶的效率[24-26]。微生物脱胶的一个重要因素是获得具有去除亚麻胶质能力的菌株。包括许多无纤维素分解活性的果胶降解菌株，如枯草芽孢杆菌属、短小芽孢杆菌DKS1、蜡样芽孢杆菌和放线菌属等[27-31]。

Zhao等[32]在温水沤麻中添加蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）HDYM-02，利用高通量与GC-MS技术相结合，发现细菌菌群丰富度与多样性发生了下降，代谢产物转变明显不同，同时使得优势菌群大量产生脱胶酶等关键酶，使亚麻脱胶时间大大缩短。Di Candilo等[33]分别从亚麻及大麻沤麻系统中分离筛选出优势脱胶菌株，分别为厌氧型梭状芽孢杆菌（Clostridium felsineus）L1/6和好氧型芽孢杆菌（Bacillus sp.）ROO40B，对亚麻加菌沤麻使得亚麻沤制周期缩短至3～4 d。Chiliveri等[34]研究芽孢杆菌（Bacillus tequilensis）SV11产生一种极耐热碱性的果胶酸裂解酶，试验表明该酶在适宜条件下活力为1 773 U/mL。葛菁萍等[35]以B.cereus HDYM-01和HDYM-02 2种菌作为出发菌株进行亚麻脱胶试验发现，加菌脱胶比正常脱胶的麻纤维产量高，还可以使脱胶周期缩短24 h，纤维强度提高20～40 N。加菌脱胶后，减少了脱胶周期，提高了纤维质量。因此，加菌脱胶是一种很有前途的技术，可以解决传统脱胶存在的问题，为了降低环境污染、节约成本、提高产量和品质，开发一种加菌脱胶的方法势在必行[36]。

然而，微生物脱胶也存在一定缺点，如不稳定性和不完全去除胶质。脱胶时间也不宜过久，因为在不受控制的微生物脱胶过程中，由于纤维素降解的同时微生物也在不断生长，纤维质量开始恶化。因此，生物法脱胶对时间的把控尤为重要，使得微生物快速生长和繁殖并全面分泌关键脱胶酶。

2.2 酶法脱胶

亚麻脱胶需要一系列多糖水解酶的协同作用，包括果胶酶和半纤维素降解酶等。果胶酶是酶法脱胶中最重要的酶之一[37]。在亚麻生物脱胶的早期，果胶酶降解外部果胶物质，松弛细胞结构，促进降解酶与其他聚合物的有效结合，从而提高亚麻纤维的整体脱胶效率[38-39]。

De Prez等[40]利用功能酶组合处理亚麻，对亚麻脱胶和纤维成分的影响，结果发现：经多聚半乳糖醛酸酶和木聚糖酶处理后，纤维素含量提高了（81±1）%，而未添加酶的纤维的含量为（64±2）%;纤维提取率的评价表明，与绿色纤维相比，几种酶组合显著提高。经多聚半乳糖醛酸酶和果胶酶处理后的纤维的提取率为（23±6）%，而未添加酶的纤维的提取率为（11±1）%，经多聚半乳糖醛酸酶和果胶酶处理后的纤维的提取率为（11±1）%，而多聚半乳糖醛酸酶、木聚糖酶和果胶酶3种酶的组合会使纤维中的果胶含量降低得更多。Alix等[41]研究表明，利用果胶酸裂解酶处理亚麻，不仅能模拟沤麻过程还能提高工艺亚麻的机械属性。Kaur等[42]利用果胶酶对亚麻进行脱胶试验，发现最适条件为反应温度为40 ℃、加酶量为1∶10时，果胶酶活性较高，沤麻效果好。

与其他的脱胶方法相比，酶法脱胶含有众多优点，如反应条件温和、操作环保、纤维损伤最小、质量易于控制[43]。然而，酶法脱胶尚未大规模应用于工业生产，主要原因有两个。首先，酶制剂成本昂贵;其次，考虑到亚麻材料的胶质样物质的复杂性，构建一个与衍生的亚麻胶质成分相匹配的脱胶复合酶系统是一项困难的任务。

2.3 物理法脱胶

物理脱胶是利用物理手段（如机械碾压、高温、超声波）破坏纤维素分子间的氢键，从而改变纤维素内部的紧密结构，断开纤维束之间的连接，提高脱胶效率。但由于仅对亚麻进行物理处理不能达到预期的脱胶效果，所以通常将该方法视为纤维预处理，需要与其他方法结合的一种辅助手段。

研究表明，将超声波处理与化学试剂煮沸相结合可用于亚麻脱胶[44-45]。同样，机械滚压与微生物脱胶相结合的方式在脱胶过程中也被成功应用[46]。Li等[47]提出了一种将微波预处理与超声波脱胶相结合的脱胶新工艺，并与传统的化学脱胶进行了比较，纤维具有更好的断裂强度（7.67 cN/dtex，传统方法为6.90 cN/dtex）和更好的平均长度（32.5 mm，传统方法为23.0 mm），新方法的加工时间减少了31.2%，化学药剂用量减少了44.8%;新的脱胶方法可以生产出高质量的纤维。Nair等[48]利用微波辅助处理的方法进行脱胶，通过对纤维光泽度和强度的测试，表明该方法对于亚麻质量起到很好的效果。

2.4 化学法脱胶

亚麻原料中的物质在碱、无机酸或氧化剂环境中发生不同程度的分解。化学脱胶的机理是在给定的化学环境下，纤维素与杂质之间的水解或氧化，以同步或分步去除胶质物质。在化学脱胶方法中，利用化学试剂螯合剂（如EDTA）是目前的研究重点，在碱性条件下，EDTA都具有很强的钙离子螯合作用，破坏果胶与其他物质的链接。亚麻原茎经过汽蒸处理之后，加入EDTA和草酸盐，反应一段时间后就能够获得亚麻纤维。Akin等[49]发现加入EDTA能够有效地与果胶质等聚合物相结合，破坏亚麻原茎内部结构，对亚麻脱胶具有明显的促进作用。虽然化学脱胶法缩短了脱胶周期，减少了杂质，提高了脱胶效率，但仍需要大量的其他化学试剂来完成，容易导致能源浪费和环境污染。