果膠酶對棉桿APMP制漿性能的影響

崔 宇，陳嘉川，楊桂花

(山東輕工業學院制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東 濟南 250353)

果膠酶對棉桿APMP制漿性能的影響

崔 宇，陳嘉川，楊桂花

(山東輕工業學院制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東 濟南 250353)

對比不同果膠酶用量處理的棉桿APMP制漿工藝。研究發現，果膠酶處理對棉桿APMP制漿有較好的效果，與未經果膠酶處理的漿相比，纖維長度增加，寬度減小，細小纖維含量下降。所得紙張白度提高，不透明度、光散射系數和光吸收系數都有所降低。強度方面，裂斷長、撕裂指數和耐破指數分別提高了10.59%，46.54%和9.72%。

棉桿 APMP 果膠 果膠酶

我國是世界上第二產棉大國，棉桿資源極其豐富[1]。棉桿的解剖形態、纖維形態、化學成分和物理性質等，與軟闊葉材相近[2]。棉桿皮作為韌皮纖維原料，其化學組成特定是纖維含量高，木素含量低，以及果膠含量高[3]。

果膠酶相關的生物技術應用也成為制漿造紙工業中的一個新的熱點[4]。1994年，Thornton J等首次將果膠酶作用于過氧化氫漂白的機械漿[5]。之后，國內的研究多集中于實驗室條件下果膠酶對不同漿種的陽離子需求量的影響。研究發現，果膠酶能夠促使聚半乳糖醛酸降解，轉化為低分子或單分子的半乳糖醛酸，從而降低陽離子的需求量[6]。這不僅降低了化學藥品使用量，還起到了助留助濾作用，對漂白效果及強度都有一定的影響[7]。Peng等用果膠酶預處理預氣蒸后疏解擠壓過的云杉和香脂冷杉混合木片，取得了較好的效果[8-10]。

本文借鑒典型的楊木APMP制漿工藝，從化學藥品加入量和果膠酶的處理兩方面出發，對棉桿進行APMP制漿，研究對其漿料性質及成紙性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

原料取自山東泰安，人工分離棉桿主莖和棉桿枝，用斧頭將棉桿主莖劈成3～5cm小段，裝入塑料袋中平衡水分，備用。

1.2 酶制劑

果膠酶SUKAPec，購自蘇柯漢公司。酶活：30 000 IU/ml-1,最適pH范圍：2.5～5.0,最適溫度范圍：30～55 ℃，性狀：液態。

1.3 實驗方法

1.3.1 棉桿APMP制漿工藝流程

棉桿洗滌→熱水浸漬（代替預汽蒸）→一段擠壓疏解→果膠酶處理→一段化學預浸漬→二段擠壓疏解→二段化學預浸漬→一段磨漿→二段磨漿→三段磨漿→消遣→PFI磨打漿→抄片→檢測

1.3.2 棉桿預處理

經洗滌后的木片用水浸泡24 h，然后在蒸煮鍋中用90 ℃熱水浸漬15～20 min，以除去棉桿中的空氣。

1.3.3 擠壓疏解

處理后的棉桿用JS10螺旋擠壓疏解機進行擠壓疏解，設備結構壓縮比為4:1。

1.3.4 化學預浸漬

擠壓后的木片轉載塑料袋中，與藥液混合均勻后在恒溫水浴鍋中進行化學預處理，化學預處理工藝條件見表1。

1.3.5 酶處理工藝條件

酶處理時化學藥品用料用表1 中Ⅰ所示，酶用量0、20、30、40、50、60 IU/g，pH值4.0，溫度50 ℃，時間60 min，漿濃10 %。按工藝流程圖制漿，在酶處理時，將原料放入塑料袋中，之后放入水浴鍋進行反應，每10～15 min取出揉搓一次，使原料與酶液充分混合。

1.3.6 磨漿

經化學預處理后的木片在高濃連續式盤磨機（型號BR30-300C）中進行磨漿，三段磨漿間隙分別為0.50 mm、0.30 mm、0.15 mm，磨漿濃度為20 %～25 %，主軸轉速3 000 r·min-1。

1.3.7 消潛及打漿

漿料在80～90 ℃下消潛30 min，平衡水分，PFI磨（型號YQ-Z-13）打漿至45oSR左右，采用凱塞快速抄片器抄定量為60 g·m-2紙片并干燥。

表1 化學預浸漬工藝條件

表2 不同工藝棉桿APMP漿成紙的光學性能比較

2 結果與討論

2.1 不同制漿工藝APMP制漿成紙物理性能分析

從表2 可以看出，Ⅰ采用經典的楊木兩段APMP制漿工藝，得到的漿料白度為55.72 %ISO。當NaOH和H2O2用量增加，從表中可以看到，漿料白度明顯上升，從55.72 %ISO增加到70.31 %ISO；不透明度呈現相反的變化趨勢，從90.84 %下降到83.05 %；光吸收系數表現出與不透明度相同的規律，由2.52 m2·kg-1下降至0.68 m2·kg-1；光散射系數沒有很明顯的變化。

Ⅱ和Ⅲ的H2O2用量分別為 6.0 / 3.0 % 和 3.0 / 6.0 %，白度分別為62.14 %ISO和66.08 %ISO，較Ⅰ有很大的提高。雖然兩組實驗的H2O2用量都是9.0 %，但是Ⅲ比Ⅱ白度要高出3.94 %ISO，這是由于在二段擠壓疏解后，棉桿的破碎程度要比一段擠壓疏解后的要高很多，更加有利于藥液的滲透，因此在二段化學預浸漬采用6.0 %的H2O2用量比在一段化學預浸漬后使用的效果要好很多。

當Ⅳ的H2O2用量提高到12 %時，其白度得到明顯提高，達到了70.31 %ISO, 不透明度降低至83.05 %。值得注意的是，Ⅳ的光吸收系數明顯減小，這與Ⅰ相比，降低高達73.02 %。這是由于H2O2用量的提高減少了發色基團的產生，吸收光后轉化的熱也相應減少，所以光吸收系數降低。

表3 不同工藝棉桿APMP漿成紙的強度性能比較

從表3 可以看出，由于棉桿皮中果膠含量較高，在化學預處理大量化學藥品被果膠消耗，使得成紙的各項強度性能指標提高較困難。當H2O2用量翻倍時，成紙的裂斷長增加達到3.54 km，增加了31.92 %，耐破指數提高了49.64 %，撕裂指數下降，但幅度較小。

綜上所述，由于棉桿皮屬于韌皮纖維纖維，果膠含量較高，制漿過程中果膠消耗的量較大，白度提高和強度性能都困難。

表4 不同酶用量對棉桿APMP漿的纖維質量比較

表5 不同酶用量對棉桿APMP漿成紙的光學性能比較

表6 不同酶用量對棉桿APMP漿成紙的強度性能比較

2.2 果膠酶處理對棉桿APMP漿料性質的纖維質量分析

由不同酶處理工藝制得的APMP漿經FQA測定纖維質量，6組流程所得數據列于表4。由表4 看出，經過果膠酶處理，纖維的長度有所增加，寬度變小，長寬比的增加將有利于提高成紙性能。另外，與對照組相比，實驗組漿種的細小纖維含量減少了，但是下降不是很明顯。與對照組相比，實驗組卷曲的卷曲指數增加，說明了彎曲的纖維比平直的纖維有更多的交聯點，具有更好的彈性，從而改善纖維之間結合強度。實驗組的扭結指數與對照組相比略又增加，適當的扭結可以避免纖維在磨漿時被打斷，同時減少了細小纖維的產生，這一點與實驗所得細小纖維含量減少相符合。通過上述分析說明，酶處理能夠使漿料的纖維長度增加，纖維的卷曲和扭結增加，減少了纖維在磨漿時被切斷的發生，降低了細小纖維的含量，并使得纖維更加柔軟，為成紙性能的提高打下了良好的結構基礎。這里值得注意的是X5的長度要比X6要長，但是其細小纖維含量相應也高于X6。

2.3 不同酶用量對APMP制漿成紙物理性能分析

果膠酶處理擠壓疏解后的木片，pH值為4.0，其酸性條件可以作為一種酸環境螯合劑，降低了化學浸漬段金屬離子對過氧化氫的影響，從而延緩過氧化氫的無效分解。隨著果膠酶用量的增加，與果膠反應的H2O2減少，所以紙漿白度得到明顯的提高，表5中，X6與X1相比，白度提高了3.72 %ISO。

從表5中可以看到，不透明度和光散射系數有略微的下降。這與漿料中細小纖維含量沒有明顯變化密切相關，如表4 中所示，細小纖維含量從34.36 %降至33.85 %，下降幅度較小。由于H2O2的利用率增加，紙張中的發色基團減少，所以光吸收系數降低。

果膠酶能夠降解分布在胞間層和初生壁中的果膠，增大纖維比表面積。初生壁不易潤脹，并且阻礙次生壁的潤脹和分絲帚化。胞間層和初生壁的破碎顯然能深入化學藥液的縱深浸漬層面，擴大了化學藥液的作用面積，從而提高了化學藥液的作用效果，有助于增加氫鍵的數量，紙張的鍵合強度得到改善。使更多的化學藥液更易接觸到纖維，以改善漿的強度和白度。如圖6所示，在緊度基本相同的條件下，經過果膠酶處理紙張裂斷長、撕裂指數和耐破指數都比未經過果膠酶處理紙張的各項物理指標都有所提高。當酶用量達到60 IU/g時，其裂斷長提高最高達到10.59 %。如表4所示，雖然X5的纖維長度較X6要長，但是其細小纖維含量要高，最終影響到裂斷長的提升。當酶用量達到30 IU/g時，撕裂指數提高最高達到46.54 %。耐破指數在酶用量為20 IU/g時一度提高了9.72 %，之后又下降。

3 結 論

3.1 棉桿皮屬于韌皮纖維纖維，果膠含量較高，制漿過程中果膠消耗的量較大，白度提高和強度性能都困難。

3.2 果膠酶處理棉桿APMP漿，纖維長度增加，寬度減小，細小纖維含量減少。

3.3 棉桿APMP制漿過程中引入果膠酶的處理，果膠酶促進了果膠的降解，提高了化學藥品的使用效率，對成紙的光學性能和強度性能都有積極的作用。

[1]聶勛載，胡志軍.棉桿皮本色漿的研究[J].湖北造紙，2003(4):5-7.

[2]楊淑蕙.植物纖維化學[M].北京：中國輕工業出版社，2001:20-21.（略）

The Influence of Pectinase Treatment Process on Cotton APMP Properties

Cui Yu
（Key laboratory of Paper Science and Technology of Ministry of Education,Shandong Institute of Light Industry，Ji’nan, 250353, China）

Comparison of different dosage of pectinase treatment of cotton stalk APMP pulping peocess was studied. The results showed that, comparied to the untreated pulp, the pulp treated with pectinase perferomed better. The length of fiber increased ,but the width of fiber decreased. At the same time, the fines decreased a bit.Brightness increased. Opacity , light scattering coefficient and light absorption coefficirnt all reduced. In terms of strength properties, breaking length, tearing index and bursting index increased respectively by 10.59 %，46.54 %and 9.72 %.

cotton stalk;APMP； pactin;pectinase