煙梗原料酶促打漿研究

趙夢醒，王燕燕，暢婉清，祁浩成，王 昊，

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學輕工科學與工程學院，天津 300457)

作為煙草加工副產物，煙梗中所含化學物質組分與煙葉近似，可切絲后直接加入低檔卷煙中[1]；但由于煙梗的糖堿比、糖氮比和氮堿比不在適宜范圍內，且細胞壁物質較高，大量添加會影響煙草薄片的風味，因而應用范圍十分有限．目前國內外煙梗利用方法研究較多，如提取果膠[2-3]和煙堿[4-5]等物質，制備活性炭等[6-7]以及與碎煙一起生產煙草薄片．其中煙草薄片生產原料利用充分，且在一定程度上可以改善卷煙某些特性，是較常用且應用比例最大的方法．目前，煙葉加工后會產生1/3左右的煙梗等下腳料，可用于生產再造煙草薄片．我國每年用于生產煙草薄片的原料約12萬t～16萬t，但煙梗的實際利用率約為1/4[8]．

在造紙法煙草薄片生產中，由于煙梗原料含大量半纖維素、果膠、木素、蛋白質等物質，若未經化學或生物處理直接打漿會導致纖維難以解離，影響打漿效果[9]．而且煙梗漿雜細胞較多，影響成紙性能．煙梗漿打漿度增加，煙梗漿的纖維長度下降嚴重，影響煙草薄片成紙的強度性能[10]．生物制漿技術是利用酶制劑或微生物對植物細胞壁進行破壞，促使纖維素有效分離和利用．生物酶預處理能有效地減少能量和化學品消耗，提高磨漿效率，降低磨漿強度，并改善成漿性能[11-13]．纖維素酶和半纖維素酶作用于煙梗，可使纖維表面紋孔打開，煙梗纖維的吸水潤脹和細纖維化能力提高，從而改善漿料打漿性能等，提高纖維素纖維的質量[14-18]．

在纖維質量研究中，利用纖維篩分設備，對纖維原料進行分級，分別研究不同篩分的纖維特性，可更好地了解漿料的綜合性質[19]．王旸 等[20]研究APMP漿料篩分組分及其纖維形態等，發現R200范圍內纖維對成紙松厚度和不透明度影響顯著，R100范圍內纖維對成紙強度影響顯著．本文主要研究優化生物酶預處理條件，并對處理后漿料進行篩分處理，研究酶對不同篩分組分纖維特性的影響．

1 材料與方法

1.1 實驗原料

實驗用煙梗取自山東某煙草相關企業，切成2～3mm小段．實驗用生物酶由諾維信(北京)公司提供，為液體食品級酶制劑．研究中所用生物酶以纖維素酶、半纖維素酶為主．其中纖維素酶有纖維素酶UO(普通纖維素酶，有部分半纖維素酶活力)、纖維素酶RO(內切纖維素酶)和復合纖維素酶3、4(含不同輔活力的纖維素酶)，半纖維素酶有半纖維素酶H(半纖維素酶)和復合半纖維素酶(含植物細胞水解的各種酶)．

1.2 實驗方法

1.2.1 組合酶比例選取

前期研究表明纖維素酶和半纖維素酶預處理煙梗都能降低打漿能耗．按照煙梗原料中纖維素和半纖維素比例，經前期研究確定的酶組合為：纖維素酶UO、纖維素酶RO、復合纖維素酶3、復合纖維素酶4、半纖維素酶H和復合半纖維素酶，4種纖維素酶用量各20%，兩種半纖維素酶各10%(質量比)．

1.2.2 生物酶預處理條件優化

采用組合酶預處理煙梗原料120g(以絕干計)，先按1∶4加水量取適量水，用0.1mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖液調節pH，然后加入適量組合酶，攪拌均勻加入原料，在一定溫度下水浴處理一定時間．處理結束后甩干脫水，得到預處理原料．漿料經PFI磨磨漿后根據漿料磨漿情況對預處理工藝進行優化．

1.2.3 打漿與篩分

取酶預處理后煙梗原料120g(以絕干計)，調整處理至原料水分為82%左右，每次取40g(以絕干計)用PFI打漿機進行打漿處理，打漿轉數為8000轉，測定打漿度，并根據煙梗漿打漿程度優化酶處理工藝．在最優酶預處理條件處理煙梗，控制漿濃為18%，用PFI磨進行打漿處理，直至煙梗漿打漿度在35°SR左右停止打漿，記錄打漿能耗和能耗指數，實驗重復3次取平均值．

取上述煙梗漿20g(以絕干計)進行解離，將解離后的煙梗漿注入71-03-04-0002型篩分儀中(荷蘭BUCHEL有限公司)．采用30、50、100、200、350目篩板進行多級篩分截留．在特定水流速度下，篩分20min ±10s 后，得到5個級別的纖維級分，分別記作R30、R50、R100、R200、R350，測定纖維特性，并對截流樣進行烘干，質量恒定后計算各級分比例．

1.2.4 纖維分析

采用Fiber Fester 912型纖維分析儀(瑞典L＆W公司)分析篩分后煙梗漿各級分纖維形態．

2 結果與討論

2.1 酶對煙梗預處理最優工藝條件的確定

本文利用復合生物酶對煙梗原料進行預處理，擬通過生物酶的作用提高煙梗的打漿效果，改善紙漿質量．研究酶用量、處理時間、溫度、pH 4個主要酶處理影響參數對漿料打漿度的影響．

2.1.1 酶用量對漿料打漿度的影響

在固定了酶組合情況下，在料液比1∶4(質量比)、pH 7、溫度50℃條件下預處理1h，改變預處理過程組合酶用量(相對于絕干漿)，研究酶用量對煙梗漿料打漿度的影響，結果如圖1所示．由圖1可知：煙梗漿料打漿度與酶用量呈正相關關系，煙梗原料在同樣打漿轉數下，打漿度隨著酶用量增加呈逐漸上升趨勢．與對照組相比，酶用量為2.0%時，打漿度從12°SR提升到31°SR，提高了19°SR．這是因為隨著加酶量的增加，部分纖維素、半纖維素被酶解，使得纖維骨架裸露，纖維的比表面積增大，水分子進入纖維內部促進纖維的快速吸水潤脹，纖維細胞壁結構變得更為松弛，故打漿度上升顯著[21-22]．生物酶，特別是纖維素酶對纖維的作用根據酶用量、作用強度不同，主要有兩個作用效果：低強度、少量酶作用，以促進纖維分絲帚化為主，在機械打漿作用下，酶切開的應力脆弱點會斷開，增加分絲帚化；高強度、大量酶作用會導致大量細小纖維從纖維上切下，細小組分會激增．因此，從酶用量角度考慮，酶用量為2.0%時效果最佳．但考慮到預處理酶用量過大會加劇纖維素酶對細小組分的切斷作用，導致細小組分含量激增，濾水性能變差，不利于改善打漿效果．應保證在打漿過程中酶的作用以促進纖維分絲帚化為主．另外，單純增加酶用量還會導致成本增加，且酶處理作用強度受時間、溫度等因素的影響，為控制成本和酶作用強度，后續實驗中還會對酶用量進行調整．

圖1 酶用量對煙梗漿料打漿度的影響 Fig. 1 Effect of enzyme dosage on beating degree of tobacco cabo pulp

2.1.2 酶處理pH對漿料打漿度的影響

本研究所用酶為組合酶，各種酶均有各自合適的pH范圍，為提高綜合作用效果，在料液比1∶4、酶用量2.0%、反應溫度50℃和反應時間1h的條件下，通過用醋酸和醋酸鈉溶液調節組合酶作用pH，研究pH對漿料打漿度的影響，結果如圖2所示．

圖2 酶處理pH對煙梗漿料打漿度的影響 Fig. 2 Effect of enzymatic treatment pH on the beating degree of tobacco cabo pulp

由圖2可知：隨著pH增加，煙梗漿的打漿度呈現先下降后上升再下降的趨勢．在pH為4時，煙梗漿打漿度最高．這可能是在較低pH環境下(酸性條件)，煙梗原料中半纖維素、果膠的溶解加強，使得細胞壁中氫鍵斷裂，便于纖維素酶和半纖維素酶作用，在機械打漿作用下，容易發揮打漿效果．但此條件下對煙梗進行處理，成紙強度低、易發脆，對打漿不利．過量酸會影響煙梗抽提液的應用，且成本較高，因此不宜采用較低pH處理；隨著pH增加，打漿度先增大后減小，在pH為7時打漿效果最好，打漿度達到31.5 °SR，因此采用pH 7作為合適pH在酶用量2.0%的條件下8000轉打漿，打漿度接近目標值(30～35 °SR)，成漿比較均勻．為控制成本，在后續條件篩選時擬將酶用量減到1.0%．

2.1.3 酶處理溫度對漿料打漿度的影響

溫度對酶作用效果有十分重要的影響，在一定范圍內，溫度的升高有助于催化速率加大[23]．在料液比1∶4、酶用量1.0%、反應pH 7和反應時間1h的條件下，通過改變組合酶作用溫度條件，研究溫度對漿料打漿度的影響，結果如圖3所示．

圖3 酶處理溫度對煙梗漿料打漿度的影響 Fig. 3 Effect of enzymatic treatment temperature on beating degree of tobacco cabo pulp

由圖3可知：隨處理溫度升高，同樣打漿強度下打漿度先增大后減小，在溫度50℃的時酶作用效果最強，打漿度最大，為26.5°SR．隨著溫度進一步升高，生物酶快速失活，催化效果反而較差．在酶用量1.0%的條件下打漿度接近目標值(30～35°SR)，由于酶處理作用強度還受處理時間的影響，同時考慮到經濟成本等，將下一步酶用量減到0.5%．

2.1.4 酶處理時間對漿料打漿度的影響

在料液比1∶4、酶用量0.5%、反應pH 7和反應溫度50℃的條件下，通過改變組合酶作用時間，研究時間對漿料打漿度的影響，結果如圖4所示.由圖4可知，隨著處理時間的增加，打漿度呈上升趨勢，但處理時間到4h后這一趨勢趨于緩和．這是由于生物酶與纖維素滲透、結合、作用需要一定時間，隨著時間的延長，部分酶失去反應活性，同時碳水化合物水解產物也會抑制生物酶作用，使得煙梗預處理的酶解速率下降[23]．

圖4 酶處理時間對煙梗漿料打漿度的影響 Fig. 4 Effect of enzymatic treatment time on the beating degree of tobacco cabo pulp

2.2 酶預處理對PFI打漿效果的影響

根據以上實驗結果在確定的煙梗較適宜的處理條件(酶用量0.5%、pH 7、處理溫度50℃、處理時間4h)下，考察酶預處理對PFI打漿效果的影響．

2.2.1 酶預處理對PFI打漿能耗的影響

打漿能耗是指打漿過程全過程消耗的總電能，包括電機空轉消耗；能耗指數是打漿過程電機負荷一個指數變化，是反映打漿難易程度的一個指標，可以更精確反映打漿過程中電機輸出功率，指數越高，漿料中由纖維素組成的纖維束越難解離．煙梗漿料打漿度為35 °SR時酶處理組和對照組煙梗原料40g(以絕干計)的能量消耗和能耗指數見表1．

表1 PFI打漿能耗及能耗指數 Tab. 1 PFI beating energy consumption and indexes

由表1可知：控制相同的打漿度(35 °SR)，對照組打漿能耗和能耗指數均遠高于酶處理組．打漿的目的是促進纖維的細纖維化和分絲帚化[24]，生物酶的作用有利于纖維束的解離，促進打漿的進行，有利于進一步提高造紙法煙草薄片的強度性能．纖維素酶、半纖維素酶作用于煙梗可分散纖維表面的半纖維素，提高纖維表面吸水潤脹程度，酶分子擴散、滲透到纖維內部，提高纖維的潤脹及細纖維化[23]．

2.2.2 酶預處理對纖維在不同級分中分布的影響

為更好地了解煙梗漿中不同長度的纖維的組成比例，得到纖維長度的分布情況，本研究對打漿后的煙草漿料進行篩分實驗，更深入地研究打漿過程中紙料的變化，以便控制紙漿的質量．酶處理組和對照組煙梗漿篩分結果如圖5所示．

由圖5可知：在煙梗漿料打漿度相同的條件下，對照組纖維分布不均勻，沒有R30級分的較長纖維，纖維主要分布在R50級分中(占比接近50%)，R350級分比例占比為4.6%．酶處理組纖維分布比較均勻，主要集中在R30～R100范圍內，且R30、R50、R100級分含量相差不大，占比分別為25.8%、27.5%、26.0%，說明纖維分布比較均勻．纖維素酶與半纖維素酶共同作用于煙梗細胞，使細胞壁分離，煙梗漿纖維紋孔打開，增加了煙梗的潤脹程度，軟化原料，并可在纖維表面創造較多的應力脆弱點，有利于分絲作用．與酶處理組不同，對照組打漿度提升主要靠機械作用(打漿過程中的齒輪的剪切作用和纖維間的相互摩擦)，纖維出現橫向斷裂，導致纖維長度明顯下降[25]，這也是導致對照組漿料沒有R30范圍纖維的原因．

圖5 酶處理組和對照組煙梗漿篩分結果 Fig. 5 Screening results of tobacco cabo pulp in the enzymatic treatment group and the control group

2.2.3 酶預處理對不同級分纖維特性的影響

纖維形態是植物纖維原料的基本特征之一，是評價漿料優劣的重要指標．為了進一步了解煙梗漿中不同長度的纖維的基本特征，對煙梗漿纖維進行纖維形態分析，得出纖維的平均長度、寬度、纖維扭結指數、細小纖維含量、纖維粗度等數據．酶處理對煙梗漿纖維形態的影響見表2．

由表2可知：在R30—R200這一區間范圍內，酶處理組的纖維長度均大于對照組的纖維長度．經酶處理后R50、R100、R200分別增加了14.06%、15.69%和4.42%，R350減少了6.73%．結合纖維篩分數據可知酶處理組纖維平均長度明顯高于對照組．其原因是經生物酶處理后煙梗纖維細胞壁被破壞，纖維表面紋孔打開，纖維結構變得疏松，容易吸水潤脹，因而具有良好的柔韌性，纖維不容易被切斷.

就煙梗漿平均寬度而言，除R30范圍外，各范圍內二者煙梗漿纖維寬度相差不大．經酶處理后R50、R100、R200分別增加了1.77%、6.30%和4.49%，R350減少了1.54%．結合纖維篩分數據可知，酶處理組纖維寬度略大于對照組．

表2 酶處理對煙梗漿纖維形態的影響 Tab. 2 Effect of enzymatic treatment on fiber shapes of tobacco cabo pulp

長寬比是評價漿料纖維成紙好壞的指標之一.通過以上分析可知，酶處理組的纖維長寬比要大于對照組．一般認為纖維長寬比越大，成紙時纖維與纖維間接觸面積越大，成紙強度性能越高，所以生物酶預處理可以提高成紙性能．

一般來說，細小纖維是指造紙漿料中纖維長度小于0.2mm的纖維[26]．漿料篩分可以分為長纖維組分、中等長度纖維組分和細小組分[27]．由表2可知：經酶處理后R100和R200級分含量降幅分別為46.15%和18.24%，R350級分含量增幅為13.77%．結合纖維平均長度指標，R350這一范圍內對照組和酶處理組纖維平均長度分別為0.208mm和0.194mm，這一范圍內基本上都是細小纖維，且酶處理組的細小纖維含量高于對照組．由表2還可知：R350這一范圍內纖維是煙梗漿細小纖維的主要來源．結合篩分數據可得，總體上酶處理組的細小纖維含量要高于對照組．這可能是由于生物酶可以直接作用于煙梗細胞壁使S1層破裂，S2層纖維素暴露產生細小纖維．酶的作用在細小纖維上造成應力脆弱點，在機械作用下使得細小纖維更容易脫落，因此細小纖維量略高；而對照組主要是受到打漿的揉搓和剪切作用得到細小纖維．

纖維粗度的大小與纖維的平均直徑和周長有關，同時與細胞壁的長寬比、壁腔比有必然聯系[28]．纖維粗度隨篩網目數的增加而逐漸減小．由表2可知：經酶處理后R50、R100、R350增加了35.64%、16.31%和0.23%，R200減少了4.10%．纖維粗度影響纖維的柔軟度和結合力，進而影響成紙強度性能和成紙的Cobb值、透氣度、平滑度[29]．纖維粗度增大，成紙松厚度增加，有利于提高煙梗浸提液的涂布量；而成紙強度則下降，但由于酶處理組的纖維平均長度較高，這些影響可以忽略不計．由于對照組煙梗中含較多雜細胞，容易在打漿時被打碎、脫落下來，使得纖維粗度下降[30]；而酶處理組由于生物酶作用使得細胞壁被破壞，大分子物質酶解，部分雜細胞在預處理過程中溶出，纖維粗度高于對照組．

纖維細胞壁受損后會出現突然而生硬的轉折，這一現象被看作纖維扭結[26]．纖維扭結指數高會降低成紙強度性能，如抗張強度、撕裂強度等．由表2可知：在R50范圍內酶處理組纖維扭結指數低于對照組，其他范圍內酶處理組纖維扭結指數均較高．經酶處理后R50減少了4.96%，R100、R200、R350增加了23.02%、38.67%和0.14%．結合纖維篩分數據可得，酶處理組的扭結指數略高于對照組．一般來說，纖維越長，其卷曲率和扭結指數也越大[31]．由于酶處理組纖維平均長度較長，所以酶處理組的扭結指數高于對照組．打漿使得纖維磨斷變短，并且還存在拉直作用，使得卷曲、扭結狀態逐漸減少消失，但由于對照組纖維柔韌性較差，容易受機械作用撕裂扭結，所以對照組和酶處理組扭結指數相差不大．

2.2.4 酶預處理對纖維微觀結構的影響

煙梗漿纖維SEM圖如圖6所示．從圖6可以看出，酶處理后煙梗漿表面纖維輪廓變得清晰，部分紋孔膨脹打開，纖維表面變得粗糙．這說明纖維素酶和半纖維素酶共同處理煙梗可以促進煙梗漿纖維的細纖維化和分絲帚化，改善煙梗漿品質．

圖6 煙梗漿纖維SEM圖 Fig. 6 SEM images of tobacco stem pulp fiber

3 結 論

(1)采用纖維素酶、半纖維素酶對煙梗進行處理，在酶用量0.5%、pH 7、溫度50℃條件下處理4h；同樣打漿度條件下，生物酶預處理可以有效降低打漿能耗，與對照組相比降低37.21%，能耗指數降低了35.50%．

(2)篩分結果表明生物酶預處理煙梗漿料纖維分布更均勻，而對照組由于纖維被切斷，沒有R30長纖維．

(3)篩分級分纖維形態分析表明：經酶處理后，R50、R100、R200纖維平均長度和纖維寬度增加，R350纖維平均長度、纖維寬度減少；R100和R200細小纖維含量減少，R350細小纖維含量增加，而R50含量沒有變化；酶處理后R50、R100、R350纖維粗度增加，R200纖維粗度減少；R50扭結指數減少，R100、R200、R350扭結指數增加．

(4)煙梗漿SEM圖分析表明：生物酶處理煙梗可以促進煙梗漿纖維的細纖維化和分絲帚化．