木聚糖酶用于麥草漿ECF漂白的研究

王治艷 陳嘉川 楊桂花

（山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南，250353）

木聚糖酶是降解半纖維素木聚糖的一組酶的總稱，酶系組成比較復(fù)雜。木聚糖酶在制漿造紙工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，可用于生物制漿、紙漿漂白、二次纖維回收及紙張表面處理等，特別是在紙漿生物漂白中的巨大應(yīng)用潛力早已引起國(guó)內(nèi)外造紙研究者的關(guān)注。木聚糖酶可去除部分沉積或覆蓋/包裹木素的半纖維素，提高化學(xué)漂白劑的可及性，去除木素的同時(shí)減少了纖維的損傷。因此在漂白中應(yīng)用木聚糖酶，不但可以減少漂白化學(xué)藥品的用量，還可以改善漂白漿的強(qiáng)度性能。

木聚糖酶在紙漿漂白中并非直接漂白紙漿，而是通過改變紙漿的化學(xué)性質(zhì)來(lái)輔助漂白。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，在原料蒸煮過程中，木聚糖降解并部分重新沉積到纖維上，木聚糖酶能催化水解這些木聚糖，有利于纖維里面和表面的木素殘片在后續(xù)的漂白和堿抽提段除去，同時(shí)部分LCC由于半纖維素的溶解而使殘余的木素釋放出來(lái)，便于其后的漂白［1］。

影響木聚糖酶作用的因素很多，主要包括兩個(gè)方面，一是酶處理段的條件，包括木聚糖酶的種類、酶處理時(shí)間，酶處理時(shí)的pH值、溫度、酶用量和紙漿濃度等［2］。二是其他一些因素，諸如制漿工藝、材種、紙漿洗滌、潤(rùn)脹和表面電荷等［3］。本實(shí)驗(yàn)主要探討了木聚糖酶處理麥草燒堿蒽醌漿的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)所用未漂白麥草漿取自山東晨鳴紙業(yè)集團(tuán)齊河板紙有限公司，制漿方法為NaOH-AQ法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)平衡水分后，測(cè)定水分備用，主要性質(zhì)如表1所示。

表1 未漂NaOH-AQ麥草漿性質(zhì)

1.2 穩(wěn)態(tài)ClO2溶液及含量測(cè)定

穩(wěn)態(tài)ClO2溶液由山東大學(xué)某公司提供，ClO2含量為2.23％。在每次使用前用4％的HCl按1∶1的體積活化，測(cè)定有效氯含量后使用。

測(cè)定方法［4］：用移液管吸取1mL待測(cè)溶液3份，分別置于250mL碘量瓶中，加20mL蒸餾水，再加10％丙二酸2mL，搖勻，靜置反應(yīng)2min后，加入2mol/L硫酸10mL，10％碘化鉀10mL，此時(shí)溶液出現(xiàn)棕色。蓋上蓋并振蕩搖勻后加蒸餾水?dāng)?shù)滴于碘量瓶瓶口邊緣處，在暗處放置5min。打開蓋，讓瓶口邊緣處蒸餾水流入瓶?jī)?nèi)。用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定至溶液呈淺棕色，加入1％淀粉指示劑2mL，繼續(xù)滴定溶液由藍(lán)色至無(wú)色即為終點(diǎn)。記錄消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液的體積。

因?yàn)?mol/L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液相當(dāng)于13.49mL的ClO2，故ClO2含量為：

C=M×V×0.01349/（W×1000）

式中，C為ClO2含量，g/L；M為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液的濃度，mol/L；V為滴定消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液的體積，mL；W為碘量瓶中樣液的體積，mL。

允許誤差：取平行測(cè)定結(jié)果的算數(shù)平均值為測(cè)定結(jié)果。兩次平行測(cè)定結(jié)果的絕對(duì)差值不大于0.01％。

1.3 木聚糖酶來(lái)源及活性的測(cè)定

AU-PE89木聚糖酶是通過培養(yǎng)Bacillus subtilis菌種而得到的。主要活性成分為一種可降解和溶解植物木聚糖的木聚糖酶（內(nèi)-木聚糖酶）。AU-PE89木聚糖酶為淺黃粉末，易溶于水。酶活為85000IU/g。

活性測(cè)定［5］：取1mL 1％木聚糖溶液（pH值6的緩沖液配制），加入0.5mL緩沖液配制的粗酶液，置于50℃水浴酶解10min。用Miller法測(cè)定還原糖濃度（以木糖計(jì)）：加入3.0mL DNS（3，5-二硝基水楊酸）溶液終止反應(yīng)，立即煮沸5min，冷卻后加蒸餾水定容至25mL，測(cè)定混合液在550nm處的吸光度值。在上述條件下，1g固體酶粉1min內(nèi)水解木聚糖，生成相當(dāng)于1μmol木糖，還原物質(zhì)的量為1個(gè)酶活力單位，以IU/g表示。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

（1）木聚糖酶處理（X）及各段漂白均在密封聚乙烯塑料袋內(nèi)進(jìn)行，并用恒溫水浴鍋加熱。稱取15g絕干漿并調(diào)好漿濃，調(diào)節(jié)反應(yīng)pH值，之后將酶液加入袋中，使酶液與漿混合均勻，并放入恒溫水浴鍋內(nèi)進(jìn)行恒溫處理。在此進(jìn)程中每間隔15min取出均勻混合1次，以保證處理均勻。

V2O5經(jīng)36％鹽酸溶解，用蒸餾水稀釋，計(jì)算濃度，然后根據(jù)用量加入漂白漿中。

（2）為便于測(cè)定麥草漿漂白中木聚糖酶處理的影響因素，本實(shí)驗(yàn)采用ClO2單段漂白，優(yōu)化木聚糖酶工藝條件。反應(yīng)條件：ClO2用量0.8％，反應(yīng)時(shí)間150min，反應(yīng)溫度70℃，反應(yīng)初始pH值4.0，漿濃10％。

1.5 檢測(cè)

（1）卡伯值 按GB/T1546—1989標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。

（2）白度 漿樣經(jīng)纖維疏解器疏解后，在布式漏斗上抄成漿片，風(fēng)干后用YQ-Z-48B數(shù)字顯示ISO白度儀測(cè)定。

（3）黏度 按GB1548—89銅乙二胺法測(cè)定。

（4）紙漿物理強(qiáng)度［6］采用凱塞快速抄片器抄造定量為60g/m2的紙片并干燥，紙張物理強(qiáng)度均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

影響木聚糖酶輔助漂白的因素有很多。其中，酶用量、處理溫度、時(shí)間、pH值和紙漿濃度等是5個(gè)重要的影響因素。這些影響因素相互聯(lián)系，相互制約，共同對(duì)木聚糖酶的處理效果產(chǎn)生影響。

2.1 ClO2漂白中木聚糖酶處理工藝條件

2.1.1 酶用量對(duì)酶處理效果的影響

表2 酶用量對(duì)酶處理效果的影響

由表2可以看出，經(jīng)酶處理后，隨著酶用量的增加，麥草漿ClO2漂白漿白度先增加后降低，卡伯值先降低后略微增加，黏度先降低后增加但變化不明顯。黏度變化較小說(shuō)明該種木聚糖酶主要降解麥草漿中的半纖維素，對(duì)纖維素的降解作用不大，有利于保持紙漿的物理強(qiáng)度。從表2還可以看出，當(dāng)酶用量超過6IU/g時(shí)，紙漿白度有所下降，同時(shí)卡伯值開始增加。因此，可以確定此木聚糖酶處理的最佳用量為6IU/g。

2.1.2 pH值對(duì)酶處理效果的影響

酶對(duì)pH值的變化很敏感，每種酶只能在一定的pH值范圍內(nèi)起作用，且有最佳pH值。pH值過高、過低都會(huì)影響酶蛋白的構(gòu)象和酶與底物的荷電性質(zhì)，從而影響酶的活性部位與底物的接近和結(jié)合［7］。酶在不同的pH值條件下會(huì)以不同的解離狀態(tài)存在，而往往只有一種解離狀態(tài)最適合酶促反應(yīng)的進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)考察了不同 pH值對(duì)酶處理效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 pH值對(duì)酶處理效果的影響

由表3可以看出，隨著pH值的增加，白度先上升后下降，當(dāng)pH值為6.0時(shí)，白度最高，達(dá)到了53.1％，即pH值為6左右時(shí)，酶處理效果最佳。

2.1.3 處理時(shí)間對(duì)酶處理效果的影響

木聚糖酶處理漿料的時(shí)間對(duì)麥草漿白度、黏度、卡伯值的影響見表4。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶處理效果的影響

從表4中可以看出，木聚糖酶處理時(shí)間對(duì)酶處理效果影響較為明顯，隨酶處理時(shí)間的延長(zhǎng)，紙漿的白度先上升后下降，這可能因?yàn)楸环纸獾哪揪厶怯种匦鲁练e在纖維的表面與木素結(jié)合，使紙漿的白度反而下降，所以酶處理時(shí)間不宜過長(zhǎng)。因?yàn)橐坏┍环纸獾哪揪厶窃俅闻c纖維表面的木素結(jié)合成新的LCC，很難再被分離。這也是黏度先降低，在反應(yīng)60min后反而增加的原因?？ú惦S著酶處理時(shí)間的增加有所降低，開始下降較快，在60min之后下降幅度有所減少。這是因?yàn)榉磻?yīng)一段時(shí)間后，酶解產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)具有抑制作用，使反應(yīng)速度慢慢下降。綜合考慮認(rèn)為，此木聚糖酶最適宜的處理時(shí)間為60min。

2.1.4 處理溫度對(duì)酶處理效果的影響

酶的催化作用與處理溫度有密切的關(guān)系。當(dāng)酶用量和漿濃一定時(shí)，被酶催化的反應(yīng)的反應(yīng)速率在一定范圍內(nèi)隨溫度的升高而升高，但當(dāng)溫度超過酶的最適宜溫度時(shí)，會(huì)引起酶的失活，從而導(dǎo)致反應(yīng)速率降低。其他工藝條件一定，處理溫度對(duì)酶處理效果的影響結(jié)果見表5。

表5 處理溫度對(duì)酶處理效果的影響

從表5可以看出，升高溫度能夠改善漂白麥草漿的白度和卡伯值。隨溫度升高，紙漿白度先上升后下降，卡伯值先降低后升高，黏度變化不是很明顯。這是因?yàn)樵谝欢囟确秶鷥?nèi)，酶的活力隨溫度的升高而提高，反應(yīng)速率也會(huì)相應(yīng)加快。但超過一定溫度后，酶蛋白的構(gòu)象發(fā)生熱變性，使得酶失活速率增大，當(dāng)酶失活速率大于催化的速率時(shí)，漂白效率下降。因此，嚴(yán)格控制處理溫度對(duì)于酶處理效果非常重要。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為當(dāng)溫度為50℃時(shí)，酶處理效果最為理想。

2.1.5 漿濃對(duì)酶處理效果的影響

紙漿濃度的改變不僅會(huì)影響酶的濃度，也會(huì)影響纖維間的摩擦程度。表6為不同漿濃對(duì)木聚糖酶處理效果的影響。

表6 漿濃對(duì)酶處理效果的影響

從表6可以看出，當(dāng)漿濃為8％時(shí)，紙漿白度達(dá)到最高值，卡伯值和黏度均降到最小值，這是因?yàn)楫?dāng)漿濃較低時(shí)，木聚糖酶的濃度也較低，它游離于溶液之中，與纖維結(jié)合的數(shù)量較少，酶的作用沒有完全發(fā)揮。當(dāng)漿濃較高時(shí)，雖然酶的濃度也較高，但是漿料與酶液混合不均勻，酶的作用也不能完全發(fā)揮，綜合考慮紙漿白度、黏度及生產(chǎn)節(jié)水條件，處理漿濃控制在8％最好。

2.2 木聚糖酶處理對(duì)麥草漿ECF漂白的影響

根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)所得到的木聚糖酶最佳處理?xiàng)l件，采用木聚糖酶對(duì)麥草漿DP、DEP、DED漂白進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果如表7所示。

表7 木聚糖酶處理對(duì)不同ECF漂白的影響

由表7可知，經(jīng)過木聚糖酶處理可以提高不同ECF漂白漿的白度。其中，DP漂白麥草漿的白度提高了1.0個(gè)百分點(diǎn)，DEP漂白麥草漿的白度提高了2.1個(gè)百分點(diǎn)，DED漂白麥草漿的白度提高了1.3個(gè)百分點(diǎn)。

3 結(jié)論

3.1 麥草漿ClO2漂白中，木聚糖酶的加入有助于提高漂白紙漿的白度。木聚糖酶AU-PE89最佳預(yù)處理工藝條件：酶用量6IU/g，pH值6.0，時(shí)間60min，漿濃8％，溫度為50℃。而且，在最佳pH值和反應(yīng)溫度時(shí)，酶的作用更明顯，白度提高更多。

3.2 經(jīng)過麥草漿ClO2漂白實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶用量達(dá)到一定量后，即使延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，紙漿的白度也不再提高，這說(shuō)明木聚糖酶的助漂作用是有限的，紙漿白度的提高幅度一般在3個(gè)百分點(diǎn)左右。

3.3 木聚糖酶處理的DP漂白麥草漿，漂漿白度為82.5％，木聚糖酶處理可使紙漿白度提高約1個(gè)百分點(diǎn)；對(duì)DEP漂白麥草漿，酶處理可使白度提高約2個(gè)百分點(diǎn)；DED漂白麥草漿，酶處理可使白度提高約1.3個(gè)百分點(diǎn)。這說(shuō)明，木聚糖酶處理在麥草燒堿蒽醌漿的ECF漂白中可以提高紙漿的白度，而且對(duì)紙漿強(qiáng)度的影響不大。

［1］趙玉林，陳中豪，王福君.半纖維素酶在制漿造紙工業(yè)的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2001，16（2）：146.

［2］武書彬，何北海.制漿造紙清潔生產(chǎn)新技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］Buchert J，TenkanenM，PitkanenM，et al.Role of surface charge and s welling on the action of xylanase on birch kraft pulp［J］.Tappi Journal，1993，76（11）：131.

［4］王少光，陳嘉川，楊桂花.丙二酸碘量法測(cè)二氧化氯含量［J］.中華紙業(yè)，2003，24（9）：43.

［5］王進(jìn)喜，陳嘉川，楊桂花，等.EDTA后處理抑制紙漿手抄片返黃的研究［J］.中國(guó)造紙，2004，23（10）：4.

［6］石淑蘭，何福望.制漿造紙分析與檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003.

［7］毛連山，尤紀(jì)雪，姚春才，等.木聚糖酶處理工藝對(duì)麥草漿漂白性能的影響［J］.中國(guó)造紙，2005，24（7）：6.