王娟，宗學(xué)剛

（1.山東輕工業(yè)學(xué)院輕化與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250353；2.山東輕工業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，山東濟(jì)南250353）

漆酶處理三倍體毛白楊A(yù)PMP及對(duì)其中殘余木素作用的研究

王娟1，宗學(xué)剛2

（1.山東輕工業(yè)學(xué)院輕化與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250353；2.山東輕工業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，山東濟(jì)南250353）

利用NS 51003漆酶處理三倍體毛白楊堿性過(guò)氧化氫機(jī)械漿（APMP），通過(guò)分析檢測(cè)處理后紙漿的打漿度和成紙物理性能探討了漆酶處理對(duì)三倍體毛白楊A(yù)PMP抄造性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳的工藝條件下，漆酶處理APMP與未經(jīng)過(guò)漆酶處理紙漿相比，抗張指數(shù)和耐破指數(shù)稍有升高，而撕裂指數(shù)提高了16mN·m2/g，酸溶木質(zhì)素含量稍有升高，Klason木質(zhì)素含量相對(duì)降低；漆酶處理三倍體毛白楊A(yù)PMP主要降解紙漿中纖維表面的木素，對(duì)纖維內(nèi)部影響較小。

漆酶處理；堿性過(guò)氧化氫機(jī)械漿；物理性能

大力發(fā)展速生林和采用高效清潔的制漿技術(shù)是解決我國(guó)造紙?jiān)喜蛔愫蜐M足環(huán)境保護(hù)要求的有效途徑。速生楊原料林的快速建設(shè)，為我國(guó)發(fā)展木材制漿提供了一定的木材資源。堿性過(guò)氧化氫機(jī)械漿（APMP）高得率制漿技術(shù)為速生楊的制漿提供了先進(jìn)的制漿方法。該制漿工藝將制漿和漂白合二為一，在制漿的同時(shí)完成漂白，得率高，能耗低，污染相對(duì)較輕[1-3]；特別適合于我國(guó)的現(xiàn)狀，可加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)制漿造紙工業(yè)的現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展。

漆酶是一種含銅多酚氧化酶，利用分子氧作為氧化劑，氧化木素中酚型單元成為酚氧游離基，同時(shí)還原分子氧生成水[4-5]。NS 51003是由遺傳方法改性過(guò)的曲霉菌在水中發(fā)酵所制成的液體純漆酶制劑[6]，不含纖維素酶活及半纖維素酶活。它們可以催化酚類(lèi)物質(zhì)和某些胺類(lèi)化合物的單電子氧化作用，同時(shí)將氧還原成水。已有研究表明，漆酶處理可以有效地提高紙漿的濕強(qiáng)度，而對(duì)干強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響；而且紙漿中木素含量越高，其漆酶改善紙漿濕強(qiáng)度性能的效果越顯著。據(jù)Hansen申請(qǐng)的專(zhuān)利，機(jī)械漿經(jīng)單獨(dú)用漆酶處理后干抗張強(qiáng)度和撕裂指數(shù)均稍有提高，且漆酶失活后對(duì)紙頁(yè)的強(qiáng)度不起作用[7]。Liisa Viikari研究了漆酶和漆酶/介體體系改善TMP性能的影響因素，利用反應(yīng)過(guò)程中的氧耗反映纖維的反應(yīng)活性。結(jié)果顯示，單獨(dú)用漆酶處理機(jī)械漿可使纖維表面木素發(fā)生聚合，漆酶/介體可使木素降解，可應(yīng)用在紙漿漂白中[8]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)漆酶的研究大多集中于硫酸鹽化學(xué)漿的生物漂白、酶法制漿；而漆酶用于機(jī)械漿、化學(xué)機(jī)械漿纖維性能改善的研究很少。因此，研究漆酶對(duì)機(jī)械漿的生物改性，對(duì)于漆酶在造紙工業(yè)中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

本實(shí)驗(yàn)采用漆酶NS 51003對(duì)三倍體毛白楊A(yù)PMP進(jìn)行處理，然后分析不同生物處理?xiàng)l件下紙漿物理性能的變化，并對(duì)漆酶在三倍體毛白楊A(yù)PMP生物改性中的作用作出評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

三倍體毛白楊A(yù)PMP（風(fēng)干漿）由山東中茂圣源紙漿有限公司提供，白度為74.7%ISO，紙漿中木素含量25%；該風(fēng)干漿經(jīng)浸泡24 h、打漿疏解1 h、甩干0.5 h和均衡水分48 h后備用。漆酶由Novozymes A/S提供，商品名為NS 51003；酶活560 U/g（不含纖維素酶及半纖維素酶活），最適pH為6.5左右，最適溫度為60℃。

1.2 儀器

PFI磨漿機(jī)：瑞典L﹠W公司制造?？焖偌堩?yè)成形器：德國(guó)Frank公司制造。紙張白度儀和紙張撕裂度儀：瑞典L﹠W公司制造。纖維質(zhì)量分析儀：加拿大OpTest公司制造。QUANTA 200型掃描電鏡：荷蘭生產(chǎn)。

1.3 方法

1.3.1 打漿

打漿在PFI磨中進(jìn)行，打漿濃度為10%，打漿間隙為0.2 mm，打漿壓力為3.4 N/mm，打漿轉(zhuǎn)數(shù)為30 000 r/min。

1.3.2 漆酶處理

酶處理?xiàng)l件為緩沖液HAc-NaAc中，pH約6.5，處理溫度50℃，處理時(shí)間120min，漿濃5%。酶處理試驗(yàn)在聚乙烯塑料袋內(nèi)進(jìn)行。稱(chēng)取30 g絕干漿，按照擬定的酶處理工藝條件和實(shí)驗(yàn)步驟，調(diào)節(jié)好漿濃和pH，將酶液加入袋中，待酶液與漿混合均勻后，放入恒溫水浴鍋內(nèi)進(jìn)行恒溫處理，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。在恒溫處理過(guò)程中，每間隔10 min取出揉搓1次，以保證酶液與紙漿混合均勻。處理結(jié)束后迅速取出試樣并放入沸水浴中10 min，致使酶失活，終止反應(yīng)。同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 抄紙

抄紙?jiān)谶M(jìn)口PTI抄紙機(jī)中進(jìn)行，紙頁(yè)抄造定量為60 g/m2，經(jīng)過(guò)恒溫、恒濕處理，測(cè)其物理性能。

1.3.4 分析檢測(cè)

紙漿物理性能和化學(xué)成分按造紙工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 漆酶處理對(duì)紙漿物理性能的影響

2.1.1 漆酶用量對(duì)紙漿物理性能的影響

白度是紙漿的光學(xué)性能之一，也是衡量成紙質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)之一[9]。圖1為漆酶用量對(duì)APMP白度的影響（反應(yīng)條件為：漿濃5%；pH約6.5；處理溫度50℃；處理時(shí)間60 min；通氧氣）。

圖1 漆酶用量對(duì)APMP紙漿白度的影響

由圖1可知，漆酶處理紙漿時(shí)，隨著酶用量的增加，白度呈下降趨勢(shì)；紙漿白度最大下降幅度約5.5個(gè)百分點(diǎn)。紙漿的白度下降可能是由于漆酶脫除木素使紙漿變黑的緣故。

圖2為漆酶用量對(duì)APMP機(jī)械性能的影響（反應(yīng)條件為：漿濃5%；pH約6.5；處理溫度50℃；處理時(shí)間60 min；通氧氣）。

從圖2可以看到，與漆酶未處理漿相比，在較少的酶用量下，抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均呈先增大、后減小的趨勢(shì)。其原因可能是由于單獨(dú)用漆酶處理機(jī)械漿可使纖維表面發(fā)生改性，纖維表面的木素發(fā)生聚合，改善了強(qiáng)度性能。當(dāng)繼續(xù)增加酶用量時(shí)，變化則趨緩。

圖2 酶用量對(duì)紙漿機(jī)械性能的影響

2.1.2 漆酶處理時(shí)間對(duì)紙漿物理性能的影響

從紙漿漂白工藝上講，處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是不合適的；但若處理時(shí)間太短，則達(dá)不到對(duì)紙漿中木素充分作用的效果[10]。

圖3為漆酶處理時(shí)間對(duì)紙漿白度的影響（反應(yīng)條件為：酶用量2 u/g；漿濃5%；pH約6.5；處理溫度50℃；通氧氣）。

圖3 漆酶處理時(shí)間對(duì)紙漿白度的影響

由圖3可知，隨著漆酶處理時(shí)間的延長(zhǎng)，紙漿的白度略有下降，最大下降幅度約為5.9個(gè)百分點(diǎn)。白度下降的原因可能是由于隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，漆酶脫木素率增加，過(guò)量的酶脫除木素會(huì)使紙漿變黑，從而降低了白度。

圖4為漆酶處理時(shí)間對(duì)紙漿機(jī)械性能的影響（反應(yīng)條件為：酶用量2 u/g；漿濃5%；pH約6.5；處理溫度50℃；通氧氣）。

圖4 漆酶處理時(shí)間對(duì)紙漿機(jī)械性能的影響

由圖4可知，隨著漆酶處理時(shí)間的延長(zhǎng)，紙漿的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)呈先增大、后減小的趨勢(shì)，撕裂指數(shù)最大幅度提高了16 mN·m2/g。

2.1.3 漆酶處理溫度對(duì)紙漿物理性能的影響

溫度對(duì)于生物酶反應(yīng)也是一個(gè)非常重要的影響因素。溫度太低可能使反應(yīng)不完全，太高則可能使漆酶失活或引起其他副反應(yīng)[11]。

圖5和圖6分別為漆酶處理溫度對(duì)紙漿白度和機(jī)械性能的影響（反應(yīng)條件為：酶用量2 u/g；漿濃5%；pH約6.5；處理時(shí)間60 min；通氧氣）。

圖5 漆酶處理溫度對(duì)紙漿白度的影響

圖6 漆酶處理溫度對(duì)紙漿機(jī)械性能的影響

由圖5和圖6可知，漆酶預(yù)處理溫度從30℃提高到50℃時(shí)，酶處理紙漿的白度和紙張的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)均上升較快；繼續(xù)提高溫度，白度和機(jī)械強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明在50℃左右，漆酶預(yù)處理紙漿過(guò)程中酶的作用能力最強(qiáng)，紙漿中發(fā)色基團(tuán)減少較顯著，而80℃的高溫可能已經(jīng)導(dǎo)致漆酶失活。

2.2 漆酶處理對(duì)紙漿中纖維長(zhǎng)度和粗度的影響

表1為紙漿在2 u/g漆酶用量處理后的纖維長(zhǎng)度和粗度（反應(yīng)條件為：漿濃5%；pH約6.5；處理時(shí)間60min；處理溫度50℃；通氧氣）。

表1 紙漿纖維質(zhì)量分析結(jié)果

從表1可以看出，與漆酶未處理漿相比，纖維的數(shù)均長(zhǎng)度、重均長(zhǎng)度、重重均長(zhǎng)度和粗度都沒(méi)有大的變化。這說(shuō)明在漆酶處理紙漿過(guò)程中，漆酶主要作用于纖維的表面，并未觸及纖維內(nèi)部，不會(huì)引起纖維的大幅度斷裂。

2.3 漆酶處理對(duì)紙漿中纖維表面的性能的影響

圖7為纖維的掃描電鏡（SEM）照片。圖7中，（a）和（b）分別為漆酶未處理漿和漆酶處理漿的單根纖維的掃描電鏡照片；（c）和（d）分別為漆酶未處理漿和漆酶處理漿纖維形貌圖。

由圖7可見(jiàn)，未經(jīng)漆酶處理的紙漿纖維表面比較光滑[如（a）所示]；紙漿經(jīng)2 u/g漆酶處理后，纖維表面出現(xiàn)分絲、剝皮現(xiàn)象[如（b）所示]，這可能是由于漆酶處理使纖維表面木素碎片脫落或溶解造成的。因此，漆酶處理只是對(duì)纖維表面的木素發(fā)生作用，脫除纖維表面木素，對(duì)纖維的長(zhǎng)度和粗度影響不大，沒(méi)有造成纖維的斷裂。這與纖維的長(zhǎng)度、粗度質(zhì)量分析結(jié)果一致。

2.4 漆酶處理對(duì)紙漿中殘余木素含量的影響

表2為漆酶處理前、后紙漿中殘余木素含量的變化。

由表2可以看出，漆酶處理前、后三倍體毛白楊A(yù)PMP中木素含量發(fā)生了明顯的變化。紙漿經(jīng)過(guò)漆酶處理后，紙漿中總的殘余木素含量與未經(jīng)過(guò)漆酶處理的紙漿相比有了一定的減少，主要是因?yàn)槠崦笇?duì)纖維表面木素的改性作用使小部分的木素溶解。

圖7 纖維的掃描電鏡照片

表2 漆酶處理前、后紙漿中殘余木素含量的變化

2.5 紙漿中殘余木素的FTIR分析

紅外光譜可反映出木素的微細(xì)結(jié)構(gòu)，這是定性鑒定木素及其衍生物的有效手段。木素最特性的紅外光帶在1 510 cm-1、1 600 cm-1（芳基環(huán)振動(dòng)）和1 470 cm-1、1 460 cm-1（C—H變形和芳基環(huán)振動(dòng)），在這些波數(shù)范圍內(nèi)很少有其他光帶，因此可用來(lái)證明在未知物制備中是否有木素存在[12]。

圖8和圖9分別為漆酶處理前、后三倍體毛白楊A(yù)PMP中殘余木素的紅外光譜圖。表3為木素紅外光譜特征吸收峰及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)歸屬[13-14]。

圖8 漆酶未處理漿中殘余木素的紅外光譜圖

圖9 漆酶處理紙漿中木素的紅外光譜圖

從圖8和圖9可以看出，經(jīng)漆酶處理后，O—H拉伸振動(dòng)（3 400～3 450 cm-1）增強(qiáng)，峰值增加，并且峰值位置的波數(shù)增大，說(shuō)明經(jīng)過(guò)漆酶處理后紫丁香基結(jié)構(gòu)型O—H相對(duì)含量增大。

由表征木素羥基振動(dòng)的3 325 cm-1吸收峰變化可知，與漆酶未處理漿中的殘余木素相比，酶處理紙漿殘余木素的相對(duì)吸收強(qiáng)度較低，這說(shuō)明木素中總羥基的含量有所減少。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是漆酶處理過(guò)程中酚羥基減少，更多的脂肪族羥基發(fā)生甲醛消除反應(yīng)，使得總羥基含量降低。紅外光譜中樣品殘余木素在2 920 cm-1處的吸收峰代表甲基、亞甲基的C—H振動(dòng)，由于木素大分子的斷裂導(dǎo)致甲基、亞甲基的相對(duì)含量逐漸增加。

表3 木素紅外光譜特征吸收峰及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)歸屬

3 結(jié)論

（1）用漆酶NS 51003處理三倍體毛白楊A(yù)PMP，較佳酶用量和反應(yīng)時(shí)間分別是：2 u/g、60 min。其他工藝條件是：漿濃5%，溫度65℃，pH為6.5左右，通氧氣。

（2）用漆酶NS 51003處理三倍體毛白楊A(yù)PMP，雖然紙漿白度有所下降，但是與漆酶未處理紙漿相比，在一定程度上提高了紙漿的機(jī)械性能。

（3）對(duì)纖維長(zhǎng)度和粗度的分析表明，紙漿經(jīng)漆酶處理后，纖維長(zhǎng)度、粗度變化不大。說(shuō)明在漆酶改性紙漿的過(guò)程中，僅在纖維的表面引起了一定的剝蝕作用，不會(huì)造成纖維的大量降解。

（4）從纖維的掃描電鏡照片可見(jiàn)，漆酶處理紙漿會(huì)使纖維表面變得粗糙，并且在纖維表面出現(xiàn)分絲現(xiàn)象，從而有利于纖維與纖維之間結(jié)合力的增強(qiáng)。

（5）通過(guò)紅外光譜圖分析，經(jīng)漆酶處理后木素中紫丁香基結(jié)構(gòu)型O—H相對(duì)含量增多；經(jīng)過(guò)漆酶處理后的木素醇羥基和α-位共軛羰基略有增加；但從紅外光譜分析中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)甲氧基的變化。

本實(shí)驗(yàn)只對(duì)漆酶處理前、后木素的酚羥基含量進(jìn)行了比較，進(jìn)行了紅外光譜測(cè)定分析。要進(jìn)一步說(shuō)明漆酶對(duì)APMP中木素作用的機(jī)理以及木素的結(jié)構(gòu)變化，還需進(jìn)行更深入的研究。

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Treatment of APMP of Triploid of Populus Tomentosa with Laccase and Its Reaction with Residual Lignin of APAM

WANG Juan1，ZONG Xue-gang2
（1.School of Light Chemistry and Environment Engineering，Shandong Institute of Light Industry，Ji’nan 250353，China；2.School of Chemical Engineering，Shandong Institute of Light Industry，Ji’nan 250353，China）

The alkali peroxide mechanical pulp（APMP）of triploid of populus tomentosa was treated with laccase NS 51003.The effects of laccase treatment on the papermaking performance of APMP of triploid of populus Tomentosa were investigated bymeasuring the beating degree of treated pulp and the strength properties of finished paper.The results show that under optimized conditions，the enzymatic treatment slightly improves the indexes of tensile strength.Bursting strength is inceased by 16mN·m2/g.The content of the acid-soluble lignin is increased slightly while the content of Klason lignin is decreased.The function of laccase ismainly to degrade lignin on fiber surface.Ithas little effecton lignin inside the fiber.

laccase treatment；APMP；physical properties

book=2,ebook=40

TS743.14

A 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1007-2225（2010）01-0015-06

王娟女士（1983-），碩士研究生；研究方向：生物質(zhì)高分子；電話：0531-89631759；E-mail：juan 9807@163.com。

2009-11-26（修回）

本文文獻(xiàn)格式：王娟，宗學(xué)剛.漆酶處理三倍體毛白楊A(yù)PMP及對(duì)其中殘余木素作用的研究[J].造紙化學(xué)品，2010，22（1）：15-20.