李書磊 張 紅 李一博 袁潔瑩 謝非凡 王寒星 楚 杰 余瑞金
(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院 楊凌 712100;2. 臨沂市檢驗檢測中心 臨沂 276699;3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院 楊凌 712100)
我國是世界上唯一擁有最完整的泡桐屬(Paulownia)植物種群的國家,每年泡桐木材產(chǎn)量超過1 000 萬m3;桐木作為重要的工業(yè)用材,廣泛用于室內(nèi)建筑裝修及家具和工業(yè)建筑等行業(yè),每年約有200 萬m3桐木制品出口日本、韓國等國家,桐木的生產(chǎn)利用已得到越來越多國家的青睞(常德龍等,2018)。然而在實際生產(chǎn)中,泡桐易變色的問題會使材色品質(zhì)降低,開展桐木漂白研究對提升桐木附加值及提高桐木品質(zhì)具有重要意義。
漂白預(yù)處理是木材材色改良的有效途徑之一,當(dāng)前木質(zhì)材料漂白主要采用化學(xué)試劑法和物理蒸煮法(曹惠敏等,2020;陸弘毅等,2021)。Shi 等(2018)利用酸和堿水溶液對木材進行熱處理,結(jié)果表明,隨著溫度升高,樣品亮度值降低,化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,半纖維素和木質(zhì)素有所降解;Wu 等(2019)研究發(fā)現(xiàn),過氧化氫漂白可以保持木質(zhì)細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu);也有學(xué)者應(yīng)用不同條件水熱處理進行木材漂白(劉志佳等,2009)。這些傳統(tǒng)漂白預(yù)處理方法為提高木材漂白效果及優(yōu)化木材漂白工藝提供了一定基礎(chǔ),但目前采用的漂白預(yù)處理試劑多為含氯漂白劑,其使用中會產(chǎn)生二噁英化合物,從而造成環(huán)境毒性污染(許開紹等,2002)。張潤青等(2020)采用臭氧對非木質(zhì)纖維進行漂白和改性,該方法雖污染小但存在漂白成本高且工藝復(fù)雜等問題。為了進一步獲得綠色高效的木質(zhì)原料漂白效果,國內(nèi)外學(xué)者在原料脫色機理方面也相繼開展研究。有學(xué)者認(rèn)為,泡桐木材變色是多因素共同作用的結(jié)果,pH 是影響梓醇變色的主要因素,光照和氧氣同時作用可導(dǎo)致泡桐素和芝麻素變色(常德龍等,2018);木質(zhì)素內(nèi)的羰基結(jié)構(gòu)有助于增加熱處理過程中的木材色度值,色度值受C—O 基團影響(曹惠敏等,2020);且顯示與木質(zhì)素的O/C 比相反的趨勢(Zhanget al.,2018)。這些研究為桐木變色機理分析奠定了一定基礎(chǔ),但對試劑脫色處理相關(guān)機理探索還有待進一步深入,尤其對綠色低碳預(yù)處理條件下不同脫色方法的研究還較為罕見。
生物酶因綠色、溫和、高效的特點,被認(rèn)為是一種具有較大發(fā)展前景的漂白方法。生物酶漂白主要通過降解材料中殘留的木質(zhì)素或增強紙漿的可漂性,減少紙漿漂白過程中的氯用量,從而減少漂白對環(huán)境的污染(盧慶華等,2013;馮嚴(yán)嚴(yán),2014;潘夢麗等,2015;李峰等,2018)。當(dāng)前,采用生物酶預(yù)處理體系對桐木材料進行漂白還鮮見報道。鑒于此,本研究以蘭考泡桐(Paulownia elongata)為研究對象,探討二代生物復(fù)合酶對桐木的漂白效果和影響規(guī)律,獲得生物復(fù)合酶漂白桐木的最佳工藝參數(shù),初步探明生物復(fù)合酶漂白桐木的機理,以期為桐木脫色和生物學(xué)改良及桐木制漿的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。
蘭考泡桐樣品由國家林業(yè)和草原局泡桐研究中心提供。樣品洗凈、干燥,切成5.0 cm×5.0 cm×0.5 cm小塊,烘干,裝入密封袋并標(biāo)記名稱、日期等置于陰涼干燥處。
所用生物復(fù)合酶酶種為CTEC2,來源Novozymes,酶活147 FPU·mL-1;檸檬酸、碳酸鈣、溴化鉀、氫氧化鈉等,均為分析純。
所用儀器包括水浴鍋、電子天平、真空泵、干燥箱、離心機、紫外可見分光光度計、振蕩器、粉碎機、高壓滅菌鍋等;葡萄糖、木糖含量使用高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)檢測。
配制5 FPU·mL-1酶溶液,用檸檬酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH。每塊樣品質(zhì)量約15 g,料液比1∶10。木塊經(jīng)絕干處理后置于試管中,加入已配制好的酶溶液搖勻,抽真空。水浴鍋溫度分別設(shè)30、50 和70 ℃。試管放入水浴鍋加熱,每15 min 搖勻1 次,直至分別反應(yīng)60、75、90 和105 min 后取出試管,抽濾。抽濾后用蒸餾水沖洗,置于玻璃培養(yǎng)皿內(nèi),烘至絕干后裝入密封袋中。同時,設(shè)置1 組未經(jīng)預(yù)處理的平行試驗。
采用杭州彩譜科技有限公司生產(chǎn)的CS-820 可見光分光測色儀,照明光源為脈沖氙燈,測量波長范圍400~700 nm,波長間隔10 nm,反射測量D/8 結(jié)構(gòu),操作溫度15~32 ℃,相對濕度不超過80%,反射測量孔徑為1.5 cm 的中孔徑。每塊樣品由邊緣向中心測量3個點,結(jié)果取平均值。
采用CIELab 表色系統(tǒng),使用分光測色儀測量泡桐木材樣品表面預(yù)處理前后的明度L*、紅綠軸色品指數(shù)a*和黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*。用脫色處理前后參數(shù)差值表示各參數(shù)變化,即ΔL*、Δa*、Δb*和色差ΔE*,計算公式如下:
式中:下標(biāo)t 表示脫色處理后;下標(biāo)u 表示脫色處理前。
1.4.1 抽提物含量 濾紙折疊包好裝入的原料,置于索氏抽提器內(nèi),量取200 mL 乙醇倒入索氏抽提器。水浴鍋95 ℃抽提16 h,直至抽提管中液體完全無色、透明。取出濾紙包置于通風(fēng)櫥中至乙醇揮發(fā)完全,再將其放入烘箱內(nèi)60 ℃烘至絕干后稱重,計算抽提物含量。
1.4.2 纖維素、半纖維素含量 參照美國國家可再生能源實驗室(national renewable energy laboratory,NREL)方法測定樣品三大素含量。首先稱取0.3 g 預(yù)處理樣品(未處理原料用苯醇進行索式抽提,以除去樹脂、色素等)于100 mL 旋蓋燒口瓶中,加入 3 mL 72% H2SO4,混合均勻后置于30±3 ℃水浴中保溫1 h,每隔10 min 攪拌搖勻1 次;然后向瓶中加入84 mL 蒸餾水(稀釋H2SO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)至4%),擰緊瓶蓋置于高壓滅菌鍋內(nèi),121 ℃下水解1 h。水解完成后,利用已稱重的G3 砂芯漏斗進行真空抽濾,分離殘渣和水解液,一部分水解液用于測定酸溶木質(zhì)素含量;另一部分水解液用碳酸鈣中和至中性,采用高效液相色譜(HPLC)HITACHI L-2000 分析其葡萄糖和木糖含量。分析柱為Bio-Rad Aminex HPX-87P,長×直徑為300 mm×7.8 mm,保護柱為Cation-H Refill Cartridges,長×直徑為30 mm×4.6 mm,檢測器為RID 示差折光檢測器。進樣量20 μL,流動相0.005 mmol·L-1H2SO4,流速0.5 mL·min-1,柱溫45 ℃。檢測結(jié)果為水解液單糖含量,六碳糖乘以0.9、五碳糖乘以0.88 即可換算出樣品纖維素和半纖維素含量。
1.4.3 木質(zhì)素含量 預(yù)熱紫外可見分光光度計20 min 后,開始稀釋濾液(稀釋后總體積1 mL 左右),搖勻,倒入溶液中,測定吸光度,顯示吸光度0.7~1.0范圍內(nèi)即為可行。采用該方法測定并記錄所有收集的濾液,按下式計算酸溶木質(zhì)素(acid-soluble lignin,ASL)含量:
式中:N為稀釋倍數(shù);A為紫外吸收值;V為濾液吸收總體積(0.087 L);15 為吸收系數(shù)(L·g-1cm-1);W為酸解前樣品絕干質(zhì)量。
水解后殘渣用熱蒸餾水多次洗滌抽濾,直至10%BaCl2檢測濾液無白色沉淀生成后,置于事先用3%H2SO4浸泡潤洗、干燥并稱重的定量濾紙上。恒溫干燥箱內(nèi)105 ℃烘至恒重,稱重,總質(zhì)重扣除定量濾紙的質(zhì)量即為酸不溶木質(zhì)素質(zhì)量。
1.4.4 脫色率 采用分光光度法測定吸附前后溶液的吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算染料質(zhì)量分?jǐn)?shù),按下式計算脫色率:
式中:c0為處理前桐木溶液吸光度測定值;c為處理后桐木溶液吸光度測定值。
熱重分析(thermo gravimetric analysis,TGA)/微分熱重(derivative thermo gravimetry,DTG)采用TGA/DSC3型熱重同步分析儀進行。樣品粉碎,過80 目篩,隨機稱取2 mg 進行分析。熱解溫度800 ℃,升溫速率20 ℃·min-1,同時加入20 mL·min-1流量氮氣。
采用TM4000 Plus 臺式掃描電鏡,電子束能量為15 kV。樣品粉碎,過80 目篩,使用導(dǎo)電膠粘取少量粉末固定在觀察臺上進行掃描,觀察預(yù)處理后樣品纖維微觀形態(tài)變化。
采用X 射線衍射(D8 ADVANCE A25)測定樣品纖維素結(jié)晶度,探究不同預(yù)處理條件對樣品結(jié)晶的影響。樣品粉碎,過200 目篩,稱取10 mg 進行測量。操作電壓40 kV,電流40 mA,掃描角度2θ 范圍5°~50°,銅靶。
未處理泡桐木材顏色參數(shù)為L*=60.70、a*=3.73、b*=16.60,預(yù)處理后顏色參數(shù)變化如表1 所示??梢钥闯觯c未處理相比,生物酶預(yù)處理后的泡桐木材明度L*、紅綠軸色品指數(shù)a*、黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*均有所提高,表明生物酶預(yù)處理可有效提高白度。由溫度分析可知,50 ℃預(yù)處理條件下樣品明度L*最大,紅綠軸色品指數(shù)a*和黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*隨溫度升高而降低。在pH 變化條件下,紅綠軸色品指數(shù)a*和黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*隨pH 升高而降低,當(dāng)pH 為7 時,樣品明度L*最大。隨著預(yù)處理時間延長,樣品明度L*越來越高,紅綠軸色品指數(shù)a*和黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*越來越低??紤]到明度L*是色差的主要影響因素,故在溫度50 ℃、pH 7、預(yù)處理時間105 min 條件下泡桐木材脫色效果最佳。
表1 預(yù)處理后脫色桐木的顏色參數(shù)Tab. 1 Color parameters of decolorization of paulownia after pretreatment
由圖1 可知,經(jīng)生物復(fù)合酶預(yù)處理,泡桐木材主要化學(xué)組分均發(fā)生較明顯變化,纖維素相對含量有所增加,半纖維素、木質(zhì)素和抽提物含量有所降低。在溫度50 ℃、pH 為7 的條件下,主要化學(xué)組分相對含量變化最大,其中纖維素含量由49.11%增至59.87%,半纖維素含量由18.58%降至7.45%,酸溶木質(zhì)素含量由7.12%降至4.07%,酸不溶木質(zhì)素含量由24.64%降至20.42%,抽提物含量由3.24%降至2.09%。從pH分析可知,pH 為7 時泡桐木材主要化學(xué)組分相對含量變化最大,其次是pH 為5,pH 為3 時泡桐木材主要化學(xué)組分相對含量變化最小,原因在于pH 降低導(dǎo)致CTEC2 生物酶活性降低,從而引起其作用效果下降(Patelet al.,2019);半纖維素、木質(zhì)素等結(jié)構(gòu)復(fù)雜,比纖維素更易發(fā)生酸性水解(Pathaniaet al.,2016)。從溫度條件可知, 50 ℃預(yù)處理條件下泡桐木材主要化學(xué)組分相對含量變化最大,其次是30 ℃,70 ℃時泡桐木材主要化學(xué)組分相對含量變化最小,這可能是因為預(yù)處理溫度50 ℃時CTEC2 生物酶活性最好,作用效率最高(Patelet al.,2019);而與30 ℃相比,70 ℃對酶活性影響更大,導(dǎo)致酶活性更低,進而降低酶對組分的作用效果。
圖1 生物復(fù)合酶預(yù)處理桐木主要化學(xué)組分變化情況Fig. 1 Main chemical components of paulownia under the condition of biological complex enzyme pretreatment
由圖2 可知,在溫度50 ℃、pH 為3 的條件下,桐木脫色率最低,僅21.8%;在溫度30 ℃、pH 為7 的條件下,桐木脫色率達(dá)68.8%。50 ℃預(yù)處理條件下,pH由3 到7,桐木脫色率由21.8%升至49.9%;70 ℃預(yù)處理條件下,桐木脫色率變化幅度很小,基本保持不變。針對以上結(jié)果,有學(xué)者認(rèn)為桐木變色與抽提物有關(guān),抽提物中酚類物質(zhì)是引起變色的重要原因(常德龍等,2018);也有學(xué)者認(rèn)為主要是糖或有機酸在變色中起作用(祖勃蓀等,1998),此外還有花苷類(邱乾棟等,2013);常德龍等(2006)指出,在真菌引起變色的泡桐木材中,半纖維素發(fā)生明顯降解,半纖維素含量發(fā)生變化導(dǎo)致桐木脫色。本研究提出的預(yù)處理前后桐木脫色率變化與前人觀點基本一致。
圖2 溫度和pH 對桐木脫色率的交互作用Fig. 2 Interaction of temperature and pH value on decolorization rate for paulownia of enzyme pretreatment
不同溫度和pH 預(yù)處理桐木的TGA 和DTG 曲線如圖3、4 所示,所有樣品的TGA 曲線變化趨勢基本一致,除溫度70 ℃和pH 為7 條件下樣品的熱穩(wěn)定性變化不明顯外,其他樣品熱穩(wěn)定性均有所提升。樣品質(zhì)量損失主要包括50~300 ℃的平穩(wěn)熱解階段、300~400 ℃的主要熱解階段和400~600 ℃的炭化階段。
圖3 不同溫度預(yù)處理桐木的TGA 和DTG 曲線Fig. 3 TGA and DTG curves at different temperatures
由圖3 可知,預(yù)處理后主要熱解階段樣品最大質(zhì)量損失速率均有所降低,最大質(zhì)量損失速率對應(yīng)的溫度有所增加,說明預(yù)處理可延長達(dá)到最大質(zhì)量損失速率的時間。在主要熱解階段,30 ℃和50 ℃條件下預(yù)處理樣品熱解失重峰溫度升高,熱穩(wěn)定性有所上升;70 ℃條件下預(yù)處理樣品與未處理樣品熱解溫度差別不大;不同溫度預(yù)處理樣品的熱解溫度由大到小依次為30 ℃、50 ℃和70 ℃。這與CTEC2 酶最適溫度有關(guān),高溫時酶活性降低,導(dǎo)致其對木質(zhì)纖維的破壞程度降低(Patelet al.,2019)。綜上所述,桐木熱穩(wěn)定性變化預(yù)處理溫度依次為30 ℃>50 ℃>70 ℃。
由圖4 可知,在主要熱解階段,pH 變化導(dǎo)致桐木熱解溫度和速率發(fā)生變化,最大質(zhì)量損失速率有所降低。預(yù)處理樣品最大質(zhì)量損失速率對應(yīng)的溫度有所增加,說明pH 不同會導(dǎo)致桐木主要化學(xué)組分在熱解和成分轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生差異(楚杰等 ,2017)。pH 為3 和5 時,預(yù)處理桐木的熱解溫度有所升高,熱穩(wěn)定性有所提高;pH 為7 時,預(yù)處理桐木的熱解溫度變化不大。綜上所述,桐木熱穩(wěn)定性變化的預(yù)處理pH 依次為 3>5>7。
圖4 不同pH 預(yù)處理桐木的TGA 和DTG 曲線Fig. 4 TGA and DTG curves at different pH values
預(yù)處理前后泡桐木質(zhì)纖維素組分變化示意如圖5所示。未經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素組分中層狀木質(zhì)素與半纖維素呈半包裹狀態(tài),木質(zhì)素密實細(xì)胞覆蓋纖維素結(jié)構(gòu)細(xì)胞;經(jīng)生物酶預(yù)處理后, 木質(zhì)素細(xì)胞脫除,暴露出更多規(guī)則成束的纖維素細(xì)胞。
圖5 預(yù)處理前后泡桐木質(zhì)纖維素組分變化示意Fig. 5 Schematic diagram of changes in lignocellulose components before and after pretreatment
未處理樣品表面無明顯結(jié)構(gòu)破壞,木質(zhì)纖維較完整(圖6A);溫度30 ℃時,不同pH 預(yù)處理樣品(圖6B、C 和D)木質(zhì)纖維表層結(jié)構(gòu)遭到破壞,木質(zhì)纖維素開始解體,纖維素互相分離,且隨著pH 升高,結(jié)構(gòu)變化明顯;溫度50 ℃時,不同pH 預(yù)處理樣品(圖6E、F 和G)木質(zhì)纖維素解體更加嚴(yán)重,纖維素分離更加顯著,且隨著pH 升高,結(jié)構(gòu)變化更加明顯;溫度70 ℃時,不同pH 預(yù)處理樣品圖6H、I、J)木質(zhì)纖維的變化趨勢與30 ℃和50 ℃預(yù)處理樣品一致,且隨著pH 升高,結(jié)構(gòu)變化更加顯著,但70 ℃預(yù)處理樣品的結(jié)構(gòu)變化不如50 ℃明顯??梢姡瑥?fù)合生物酶能有效降解桐木的木質(zhì)纖維組分,破壞其木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)。
圖6 不同預(yù)處理桐木的SEMFig. 6 SEM images of enzyme pretreatment paulownia
預(yù)處理前后桐木X 射線衍射圖譜如圖7 所示,101、002 和040 峰是典型的纖維素Ⅰ的特征,其衍射角分別為16.02°、22°和34.76°。經(jīng)生物酶預(yù)處理后,101 峰衍射強度無明顯變化;但經(jīng)50 ℃預(yù)處理后,002 峰衍射強度明顯增強,說明此時半纖維素、木質(zhì)素等無定形區(qū)降解效率最高;040 峰尖銳程度明顯增大,且位置有所向右偏移,說明經(jīng)50 ℃預(yù)處理后,衍射強度明顯增強,纖維素結(jié)晶度增大,結(jié)晶區(qū)晶胞參數(shù)變小、晶面間距變小。
圖7 預(yù)處理前后桐木X 射線衍射圖譜Fig. 7 The X-ray diffraction spectrogram of paulownia sample before and after pretreatment
纖維素結(jié)晶度是由X 射線衍射測得的光譜峰高,計算公式如下:
式中:CI 為纖維素結(jié)晶度;I002為002 晶面的極大衍射強度,2θ 約22°;Iam為非結(jié)晶背景的衍射強度,2θ 約18°。
由表2 可知,未處理桐木樣品纖維素結(jié)晶度為16.91%,這主要是因為木質(zhì)素和半纖維素等部分無定形物質(zhì)的存在使得結(jié)晶度較低。經(jīng)生物酶預(yù)處理后,桐木樣品結(jié)晶區(qū)表面纖維素分子鏈中的低聚糖被溶出,無定形區(qū)活性基團裸露,半纖維素與生物酶發(fā)生反應(yīng),部分木聚糖被降解,導(dǎo)致纖維素結(jié)晶度提高(楚杰等,2017)。生物酶降解,結(jié)晶度增加較為明顯的預(yù)處理條件為溫度50 ℃、pH 7,但由于酶的作用使纖維素結(jié)晶區(qū)發(fā)生部分水解,因此結(jié)晶度提升程度不大。
表2 不同預(yù)處理泡桐的纖維素結(jié)晶度①Tab. 2 Crystallinity calculation parameters
利用Scherer 公式(Segalet al.,1959)計算桐木結(jié)晶區(qū)尺寸,公式如下:
式中:D為結(jié)晶區(qū)長度或?qū)挾?;d為晶面層間距(nm);B為衍射峰半寬,計算中需將其轉(zhuǎn)換為弧度;λ 為入射波波長(0.154 nm);θ 為衍射角;K為衍射常數(shù)。
由表3 可知,預(yù)處理后樣品結(jié)晶區(qū)長度D增大,表明酶預(yù)處理能夠提高桐木結(jié)晶區(qū)尺寸,且在一定范圍內(nèi)隨溫度和pH 上升提高更加明顯,溫度70 ℃、pH為7 時D達(dá)最大。此外,預(yù)處理后樣品晶面層間距變小,但變化幅度較小,主要是因為桐木結(jié)晶區(qū)表面纖維素分子鏈中擁有的部分低聚糖溶解,導(dǎo)致細(xì)胞壁吸附能力變強,加速半纖維素與生物復(fù)合酶的反應(yīng),從而使d減?。ǔ艿?, 2017)。
表3 不同預(yù)處理桐木結(jié)晶區(qū)大?、賂ab. 3 Calculation parameters of crystallization zone
1) CTEC2 生物酶可使泡桐木材主要化學(xué)組分發(fā)生變化,最佳預(yù)處理條件為溫度50 ℃、pH 7,木材纖維素含量由49.11%增至59.87%,半纖維素含量由18.58%減至7.45%,酸溶木質(zhì)素含量由7.12%減至4.07%,酸不溶木質(zhì)素含量由24.64%減至20.42%,抽提物含量由3.24%減至2.09%。
2) CTEC2 生物酶預(yù)處理泡桐木材時,溫度50 ℃、pH 7、預(yù)處理時間105 min 的漂白效果最好,木材明度最大。
3) CTEC2 生物酶預(yù)處理泡桐木材可以提高其熱穩(wěn)定性(處理條件溫度70 ℃、pH 為7 時變化不明顯)。依據(jù)熱穩(wěn)定性高低排序的預(yù)處理溫度為30 ℃>50 ℃>70 ℃、pH 為3>5>7。CTEC2 生物酶預(yù)處理泡桐木材最大質(zhì)量損失速率對應(yīng)的溫度在不同溫度和pH 條件下均有所增加,預(yù)處理可延長達(dá)到最大質(zhì)量損失速率的時間。
4) CTEC2 生物酶預(yù)處理泡桐木材不僅能夠提高纖維素結(jié)晶度,使其結(jié)晶區(qū)尺寸增大,晶面層間距變小,而且能夠有效破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu),在相同溫度下,其作用隨預(yù)處理pH 提高而更加明顯。