漆酶處理三倍體毛白楊APMP及對其中殘余木素作用的研究

王娟，宗學剛

（1.山東輕工業學院輕化與環境工程學院，山東濟南250353；2.山東輕工業學院化學工程學院，山東濟南250353）

漆酶處理三倍體毛白楊APMP及對其中殘余木素作用的研究

王娟1，宗學剛2

（1.山東輕工業學院輕化與環境工程學院，山東濟南250353；2.山東輕工業學院化學工程學院，山東濟南250353）

利用NS 51003漆酶處理三倍體毛白楊堿性過氧化氫機械漿（APMP），通過分析檢測處理后紙漿的打漿度和成紙物理性能探討了漆酶處理對三倍體毛白楊APMP抄造性能的影響。實驗結果表明，在最佳的工藝條件下，漆酶處理APMP與未經過漆酶處理紙漿相比，抗張指數和耐破指數稍有升高，而撕裂指數提高了16mN·m2/g，酸溶木質素含量稍有升高，Klason木質素含量相對降低；漆酶處理三倍體毛白楊APMP主要降解紙漿中纖維表面的木素，對纖維內部影響較小。

漆酶處理；堿性過氧化氫機械漿；物理性能

大力發展速生林和采用高效清潔的制漿技術是解決我國造紙原料不足和滿足環境保護要求的有效途徑。速生楊原料林的快速建設，為我國發展木材制漿提供了一定的木材資源。堿性過氧化氫機械漿（APMP）高得率制漿技術為速生楊的制漿提供了先進的制漿方法。該制漿工藝將制漿和漂白合二為一，在制漿的同時完成漂白，得率高，能耗低，污染相對較輕[1-3]；特別適合于我國的現狀，可加快實現我國制漿造紙工業的現代化和可持續發展。

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，同時還原分子氧生成水[4-5]。NS 51003是由遺傳方法改性過的曲霉菌在水中發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。它們可以催化酚類物質和某些胺類化合物的單電子氧化作用，同時將氧還原成水。已有研究表明，漆酶處理可以有效地提高紙漿的濕強度，而對干強度沒有明顯影響；而且紙漿中木素含量越高，其漆酶改善紙漿濕強度性能的效果越顯著。據Hansen申請的專利，機械漿經單獨用漆酶處理后干抗張強度和撕裂指數均稍有提高，且漆酶失活后對紙頁的強度不起作用[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，利用反應過程中的氧耗反映纖維的反應活性。結果顯示，單獨用漆酶處理機械漿可使纖維表面木素發生聚合，漆酶/介體可使木素降解，可應用在紙漿漂白中[8]。

目前國內對漆酶的研究大多集中于硫酸鹽化學漿的生物漂白、酶法制漿；而漆酶用于機械漿、化學機械漿纖維性能改善的研究很少。因此，研究漆酶對機械漿的生物改性，對于漆酶在造紙工業中的應用具有指導意義。

本實驗采用漆酶NS 51003對三倍體毛白楊APMP進行處理，然后分析不同生物處理條件下紙漿物理性能的變化，并對漆酶在三倍體毛白楊APMP生物改性中的作用作出評價。

1 實驗

1.1 原料

三倍體毛白楊APMP（風干漿）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%；該風干漿經浸泡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：瑞典L﹠W公司制造。快速紙頁成形器：德國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。纖維質量分析儀：加拿大OpTest公司制造。QUANTA 200型掃描電鏡：荷蘭生產。

1.3 方法

1.3.1 打漿

打漿在PFI磨中進行，打漿濃度為10%，打漿間隙為0.2 mm，打漿壓力為3.4 N/mm，打漿轉數為30 000 r/min。

1.3.2 漆酶處理

酶處理條件為緩沖液HAc-NaAc中，pH約6.5，處理溫度50℃，處理時間120min，漿濃5%。酶處理試驗在聚乙烯塑料袋內進行。稱取30 g絕干漿，按照擬定的酶處理工藝條件和實驗步驟，調節好漿濃和pH，將酶液加入袋中，待酶液與漿混合均勻后，放入恒溫水浴鍋內進行恒溫處理，并開始計時。在恒溫處理過程中，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。同時做空白實驗。

1.3.3 抄紙

抄紙在進口PTI抄紙機中進行，紙頁抄造定量為60 g/m2，經過恒溫、恒濕處理，測其物理性能。

1.3.4 分析檢測

紙漿物理性能和化學成分按造紙工業標準測試方法測定。

2 結果與討論

2.1 漆酶處理對紙漿物理性能的影響

2.1.1 漆酶用量對紙漿物理性能的影響

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

圖1 漆酶用量對APMP紙漿白度的影響

由圖1可知，漆酶處理紙漿時，隨著酶用量的增加，白度呈下降趨勢；紙漿白度最大下降幅度約5.5個百分點。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APMP機械性能的影響（反應條件為：漿濃5%；pH約6.5；處理溫度50℃；處理時間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，抗張指數和撕裂指數均呈先增大、后減小的趨勢。其原因可能是由于單獨用漆酶處理機械漿可使纖維表面發生改性，纖維表面的木素發生聚合，改善了強度性能。當繼續增加酶用量時，變化則趨緩。

圖2 酶用量對紙漿機械性能的影響

2.1.2 漆酶處理時間對紙漿物理性能的影響

從紙漿漂白工藝上講，處理時間過長是不合適的；但若處理時間太短，則達不到對紙漿中木素充分作用的效果[10]。

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

圖3 漆酶處理時間對紙漿白度的影響

由圖3可知，隨著漆酶處理時間的延長，紙漿的白度略有下降，最大下降幅度約為5.9個百分點。白度下降的原因可能是由于隨著預處理時間的延長，漆酶脫木素率增加，過量的酶脫除木素會使紙漿變黑，從而降低了白度。

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

圖4 漆酶處理時間對紙漿機械性能的影響

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

2.1.3 漆酶處理溫度對紙漿物理性能的影響

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

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

圖5 漆酶處理溫度對紙漿白度的影響

圖6 漆酶處理溫度對紙漿機械性能的影響

由圖5和圖6可知，漆酶預處理溫度從30℃提高到50℃時，酶處理紙漿的白度和紙張的抗張指數、耐破指數均上升較快；繼續提高溫度，白度和機械強度呈下降趨勢。說明在50℃左右，漆酶預處理紙漿過程中酶的作用能力最強，紙漿中發色基團減少較顯著，而80℃的高溫可能已經導致漆酶失活。

2.2 漆酶處理對紙漿中纖維長度和粗度的影響

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

表1 紙漿纖維質量分析結果

從表1可以看出，與漆酶未處理漿相比，纖維的數均長度、重均長度、重重均長度和粗度都沒有大的變化。這說明在漆酶處理紙漿過程中，漆酶主要作用于纖維的表面，并未觸及纖維內部，不會引起纖維的大幅度斷裂。

2.3 漆酶處理對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，未經漆酶處理的紙漿纖維表面比較光滑[如（a）所示]；紙漿經2 u/g漆酶處理后，纖維表面出現分絲、剝皮現象[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，漆酶處理只是對纖維表面的木素發生作用，脫除纖維表面木素，對纖維的長度和粗度影響不大，沒有造成纖維的斷裂。這與纖維的長度、粗度質量分析結果一致。

2.4 漆酶處理對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APMP中木素含量發生了明顯的變化。紙漿經過漆酶處理后，紙漿中總的殘余木素含量與未經過漆酶處理的紙漿相比有了一定的減少，主要是因為漆酶對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結構，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（芳基環振動）和1 470 cm-1、1 460 cm-1（C—H變形和芳基環振動），在這些波數范圍內很少有其他光帶，因此可用來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APMP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的結構歸屬[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，經漆酶處理后，O—H拉伸振動（3 400～3 450 cm-1）增強，峰值增加，并且峰值位置的波數增大，說明經過漆酶處理后紫丁香基結構型O—H相對含量增大。

由表征木素羥基振動的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吸收強度較低，這說明木素中總羥基的含量有所減少。產生這種現象的原因可能是漆酶處理過程中酚羥基減少，更多的脂肪族羥基發生甲醛消除反應，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，由于木素大分子的斷裂導致甲基、亞甲基的相對含量逐漸增加。

表3 木素紅外光譜特征吸收峰及其相應的結構歸屬

3 結論

（1）用漆酶NS 51003處理三倍體毛白楊APMP，較佳酶用量和反應時間分別是：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APMP，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械性能。

（3）對纖維長度和粗度的分析表明，紙漿經漆酶處理后，纖維長度、粗度變化不大。說明在漆酶改性紙漿的過程中，僅在纖維的表面引起了一定的剝蝕作用，不會造成纖維的大量降解。

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

（5）通過紅外光譜圖分析，經漆酶處理后木素中紫丁香基結構型O—H相對含量增多；經過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有發現甲氧基的變化。

本實驗只對漆酶處理前、后木素的酚羥基含量進行了比較，進行了紅外光譜測定分析。要進一步說明漆酶對APMP中木素作用的機理以及木素的結構變化，還需進行更深入的研究。

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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 文獻標識碼：1007-2225（2010）01-0015-06

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

2009-11-26（修回）

本文文獻格式：王娟，宗學剛.漆酶處理三倍體毛白楊APMP及對其中殘余木素作用的研究[J].造紙化學品，2010，22（1）：15-20.