漆酶催化不同小分子物質(zhì)改善纖維性能

張?chǎng)舞?，裴繼誠(chéng)，張方東，于秀玲

(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457)

漆酶催化不同小分子物質(zhì)改善纖維性能

張?chǎng)舞?，裴繼誠(chéng)，張方東，于秀玲

(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457)

以紫丁香醇和 L–苯丙氨酸作為酚類物質(zhì)和氨基酸的代表物質(zhì)，比較了漆酶/酚類物質(zhì)和漆酶/氨基酸對(duì)OCC(廢瓦楞箱板紙)紙漿纖維表面性能的改善效果.使用紅外光譜分析、掃描電鏡、纖維形態(tài)分析對(duì)纖維表面形貌進(jìn)行觀察.并對(duì)漆酶和小分子物質(zhì)共同處理后的 OCC紙漿進(jìn)行物理性能檢測(cè).纖維形態(tài)分析和表面電鏡的測(cè)定證明了酚類物質(zhì)和氨基酸可以接枝到纖維表面，表現(xiàn)為纖維粗度增加，纖維表面出現(xiàn)沉積物及纖維間連接膜生成，從而提高成紙強(qiáng)度，特別是濕環(huán)壓強(qiáng)度提高更為明顯.

漆酶；酚類物質(zhì)；氨基酸；纖維性能

經(jīng)漆酶處理后，一些物質(zhì)可以被接枝到紙漿纖維表面，從而起到改善紙漿纖維性能、提高成紙強(qiáng)度的目的[1].Chandra 等[2]以高卡伯值紙漿為原料的牛皮紙為實(shí)驗(yàn)原料，使用漆酶對(duì)其處理，對(duì)生物接枝酚類物質(zhì)以提高紙張強(qiáng)度的課題進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明漆酶可以使沒(méi)食子酸、丁香醛、香草醛和對(duì)羥基苯甲酸這些酚類物質(zhì)接枝到紙漿纖維上，成紙的抗張強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度都有所增強(qiáng).然而，漆酶可以催化氧化的底物很多，國(guó)外已有文獻(xiàn)[3]報(bào)道，在漆酶處理高木素含量紙漿時(shí)，可以通過(guò)添加氨基酸將其接枝到纖維表面來(lái)提高其成紙強(qiáng)度.在氧氣存在下，漆酶首先使木素結(jié)構(gòu)單元失去一個(gè)電子形成酚氧游離基，進(jìn)而形成醌型結(jié)構(gòu)；它和加入的氨基酸反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵連接，最終使氨基酸接枝到纖維表面.氨基酸帶來(lái)的大量羧基能夠有效地提高成紙強(qiáng)度.

本課題組一直致力尋找漆酶催化提高 OCC(廢瓦楞箱板紙)紙漿成紙強(qiáng)度的方法，在以往的研究中都是引入天然的酚類物質(zhì)作為漆酶催化OCC的天然介體.在本次實(shí)驗(yàn)中嘗試引入 L–苯丙氨酸和漆酶共同作用 OCC紙漿，通過(guò)掃描電鏡和纖維形態(tài)分析，探討氨基酸能否接枝到纖維表面，改善纖維表面性能；通過(guò)成紙強(qiáng)度檢測(cè)，分析漆酶和氨基酸體系提高成紙強(qiáng)度的情況.使用紅外光譜分析的方法，分析漆酶接枝小分子物質(zhì)提高成紙強(qiáng)度的機(jī)理.并將各個(gè)分析結(jié)果和添加酚類物質(zhì)后所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，綜合評(píng)價(jià)漆酶接枝氨基酸到OCC纖維表面后對(duì)于物理強(qiáng)度和纖維性能的改善情況.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

OCC紙漿，取自天津廣聚源紙業(yè)，原料為國(guó)產(chǎn)OCC；漆酶，諾維信公司(Novozymes A/S)，商品名Novozym 51003，酶活 800,U/mL；紫丁香醇、L–苯丙氨酸，Sigma-Aldrich 化學(xué)品公司；冰醋酸、醋酸銨，天津市化學(xué)試劑二廠.

H273M 型高濃水力碎漿機(jī)，美國(guó) Adirondack Machine Corporation公司；PFI磨、環(huán)壓強(qiáng)度測(cè)試儀、code 062型紙張抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、902型纖維形態(tài)分析儀，瑞典Lorentzen & Wettre公司；900428型快速紙頁(yè)成型器，德國(guó) Estanit GmbH 公司；SEM X-300型掃描電子顯微鏡，Philips 公司；VECTOR 22型傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)布魯克儀器公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 OCC漿料的制備

將OCC漿板撕成規(guī)格大致為30,mm×30,mm的碎片，將碎漿片放入塑料袋平衡24,h后測(cè)定水分.稱取一定量 OCC紙漿碎片經(jīng)水浸泡 12 h后在高濃水力碎漿機(jī)中進(jìn)行碎漿.使用篩縫寬為 0.25,mm的平板篩漿機(jī)篩漿，選取篩選出的良漿備用.根據(jù) QB/T 1463—1992《紙漿實(shí)驗(yàn)室打漿PFI磨法》中要求，使用 PFI 磨進(jìn)行打漿，控制漿濃為 10%，控制最終打漿度為 45 °SR.

1.2.2 漿料紅外光譜分析

由于 OCC漿料中雜質(zhì)較多且不穩(wěn)定，在紅外光譜分析中選取添加紫丁香醇和 L–苯丙氨酸的未漂硫酸鹽漿進(jìn)行手抄片，用小刀刮取紙張表面紙屑，準(zhǔn)確稱量 150,mg溴化鉀，1.2,mg紙屑進(jìn)行壓片.掃描范圍 370～4,000,cm-1，分辨率 4,cm-1，掃描 16次，環(huán)境氣體為空氣.

1.2.3 纖維形態(tài)分析

稱取 0.100,g絕干纖維，用分散器打散后，用水稀釋，在纖維分析儀上測(cè)定纖維的長(zhǎng)度、寬度、粗度、形態(tài)因子及扭結(jié)指數(shù).

1.2.4 掃描電鏡觀察

將手抄片噴金后，在掃描電鏡上觀察并照相，加速電壓為20,kV.

1.2.5 漆酶和小分子物質(zhì)共同處理OCC紙漿

取30,g絕干OCC紙漿，稀釋漿濃3%，調(diào)節(jié)漿料pH 至 6.0后，分別加入紫丁香醇和 L–苯丙氨酸，置于45,℃恒溫水浴中，通入空氣5,min后加入漆酶，繼續(xù)通空氣直至反應(yīng)結(jié)束.

1.2.6 紙張性能測(cè)定

根據(jù) GB/T 465.2—2008《紙和紙板按規(guī)定時(shí)間浸水后抗張強(qiáng)度的測(cè)定法》測(cè)定手抄片的濕抗張強(qiáng)度，試樣的浸泡時(shí)間為 1,h，然后用濾紙均勻壓干、測(cè)試.將手抄片試樣在相對(duì)濕度近 100%、溫度為 25,℃的環(huán)境中放置 48,h，然后根據(jù) GB/T 2679.8—1995《紙和紙板環(huán)壓強(qiáng)度的測(cè)定》測(cè)定環(huán)壓強(qiáng)度，并定義為濕環(huán)壓強(qiáng)度[4].

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外譜圖分析

為了準(zhǔn)確地對(duì)處理后紙張中所含有的物質(zhì)進(jìn)行定量分析，取相同質(zhì)量的手抄片粉末和溴化鉀進(jìn)行壓片，即保證壓片的厚度是相同的，此時(shí)比較同一波數(shù)對(duì)應(yīng)的吸光度即可對(duì)處理前后紙張中不同物質(zhì)的含量進(jìn)行比較.

圖1是經(jīng)漆酶/紫丁香醇處理前后的紙漿紅外光譜圖.2,931,cm-1處為—CH2—的伸縮振動(dòng)[5]，1,635,cm-1處為木素結(jié)構(gòu)中單核芳烴的C＝C振動(dòng)，1,056,cm-1處為纖維素、半纖維素和木素中的C＝O伸縮振動(dòng)，1,253,cm-1處為芳基醚伸縮振動(dòng)，617,cm-1處為苯環(huán)δ(C—H)面外吸收振動(dòng)[6].

圖1 漆酶和紫丁香醇處理后紙漿紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of pulp treated by laccase and syringic alcohol

在漆酶/紫丁香醇處理后和空白樣相比可以發(fā)現(xiàn)，1,635,cm-1處木素結(jié)構(gòu)中單核芳烴的 C＝C振動(dòng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，617,cm-1處苯環(huán)δ(C—H)面外吸收，吸收強(qiáng)度及峰面積出現(xiàn)顯著增大.推測(cè)處理后出現(xiàn)醚鍵方式連接，有可能是苯環(huán)以某種方式連接在一起生成芳基醚，使聚合產(chǎn)物苯環(huán)增多.另外 2,908,cm-1處出現(xiàn)甲氧基中的甲基特征吸收峰[7]的增強(qiáng)，主要是來(lái)自紫丁香醇自身帶有的甲氧基的影響.

圖 2是經(jīng)漆酶/L–苯丙氨酸處理前后，紙漿紅外光譜圖.2,931,cm-1處為—CH2—的伸縮振動(dòng)[5]，1,635,cm-1處為木素結(jié)構(gòu)中單核芳烴的 C＝C振動(dòng)，1,056,cm-1處為纖維素、半纖維素和木素中的 C＝O伸縮振動(dòng)，1,253,cm-1處為芳基醚伸縮振動(dòng)，另外1,472、617,cm-1處為苯環(huán)特征吸收峰[7].

圖2 漆酶和L–苯丙氨酸處理后紙漿紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of pulp treated by laccase and L-Phenylalanine

在漆酶/L-苯丙氨酸處理后和空白樣相比，可以發(fā)現(xiàn)某些官能團(tuán)吸收有所增強(qiáng).1,635,cm-1處木素結(jié)構(gòu)中單核芳烴的 C＝C的振動(dòng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，1,472,cm-1吸收峰也有所增強(qiáng)，617,cm-1處苯環(huán)δ(C—H)面外吸收吸收強(qiáng)度及峰面積顯著增大.推測(cè)處理后苯環(huán)以某種方式連接在一起生成芳基醚，使聚合產(chǎn)物苯環(huán)增多.另外 C＝C振動(dòng)、纖維素、半纖維素和木素中 C＝O伸縮振動(dòng)的吸收峰強(qiáng)度都有所增強(qiáng)，872,cm-1處出現(xiàn) NH2面外彎曲振動(dòng)的吸收峰[7]，主要是由于添加L–苯丙氨酸帶入的氨基.

在酚類物質(zhì)或者氨基酸參與下，漆酶處理后的紙漿經(jīng)過(guò)紅外光譜分析，和空白漿樣比都表現(xiàn)產(chǎn)物苯環(huán)增多.這些結(jié)果表明在漆酶催化下加入的小分子物質(zhì)可能沉積到纖維表面，與纖維表面木素形成化學(xué)鍵鏈接，表現(xiàn)為纖維表面木素含量的增加.

2.2 纖維形態(tài)研究

采用不同方式處理后的纖維形態(tài)參數(shù)見(jiàn)表 1.漆酶和紫丁香醇共同處理 OCC紙漿纖維粗度為131.5,μg/m，漆酶和 L–苯丙氨酸共同處理 OCC 紙漿纖維粗度為 130.8,μg/m，二者都增加了 4%左右.纖維粗度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這可能是由于酚類物質(zhì)的加入在漆酶處理過(guò)程中發(fā)生了自由基縮合，進(jìn)而和漿中木素產(chǎn)生自由基縮合的結(jié)果；而添加 L–苯丙氨酸的樣品主要是因?yàn)槔w維表面木素和 L–苯丙氨酸之間發(fā)生了某種化學(xué)鍵鏈接.最終都使纖維表面木素含量表現(xiàn)出增加的趨勢(shì).

表1 纖維形態(tài)參數(shù)Tab.1 Morphological parameters of fibers

2.3 掃描電鏡分析

不同方式處理后OCC紙漿掃描電鏡圖如圖3所示.由圖3可知，未經(jīng)漆酶處理空白試樣(圖3(a))的纖維表面光滑、平整，纖維間連結(jié)不緊密，呈疏松多孔狀；單獨(dú)使用漆酶處理 OCC紙漿(圖 3(b))，由于處理過(guò)程中木素會(huì)發(fā)生降解脫除，部分纖維表面變得粗糙不平.用漆酶/紫丁香醇處理 OCC紙漿后(圖3(c))，與單獨(dú)漆酶處理紙漿的 SEM 圖片相對(duì)照，纖維表面更加粗糙，纖維與纖維間相互“黏結(jié)”形成一體，出現(xiàn)大面積的纖維“融結(jié)”現(xiàn)象.這說(shuō)明，漆酶/酚類物質(zhì)處理使得纖維表面發(fā)生明顯改性，小分子酚類物質(zhì)的加入促進(jìn)了漆酶處理對(duì)纖維的活化作用，更有利于纖維間發(fā)生交聯(lián)作用.用漆酶/L–苯丙氨酸處理 OCC 紙漿后(圖 3(d))，其纖維表面和圖 3(c)一樣都出現(xiàn)大面積的膜狀物質(zhì)和沉淀，這說(shuō)明在漆酶處理 OCC紙漿過(guò)程中，小分子酚類物質(zhì)和氨基酸能夠作為天然介體被催化氧化成自由基，其可以再氧化漿中木素，特別是與占主要比例的非酚型結(jié)構(gòu)木素形成自由基縮合[8].可以認(rèn)為纖維表面上這些膜狀物質(zhì)和沉淀物(圖 3(c，d))就是在漆酶處理過(guò)程中，酚類物質(zhì)及氨基酸遷移到纖維表面與表面木素形成化學(xué)鍵鏈接的表現(xiàn)，也是纖維粗度有所提高的原因.

圖3 不同方式處理后OCC紙漿掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of handsheets made from pulp treated in different ways

2.4 成紙強(qiáng)度分析

實(shí)驗(yàn)考察了不同處理方式對(duì)OCC紙漿成紙強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)表 2.單獨(dú)使用漆酶處理 OCC紙漿、漆酶/紫丁香醇處理后的 OCC紙漿以及漆酶/L-苯丙氨酸處理后的OCC紙漿和空白對(duì)照樣相比均可更好地催化漿中木素氧化形成酚氧自由基，并在纖維間形成自由基縮合，最終達(dá)到提高成紙強(qiáng)度的目的.由表2可見(jiàn)，漆酶、漆酶/小分子物質(zhì)處理 OCC紙漿后與空白樣比較，各濕強(qiáng)度指標(biāo)均有明顯提高，尤其是濕環(huán)壓強(qiáng)度增加很明顯.單獨(dú)漆酶處理 OCC紙漿，其濕環(huán)壓強(qiáng)度提高 23.20%；使用漆酶/紫丁香醇處理OCC紙漿后，其濕環(huán)壓強(qiáng)度提高了 29.88%；使用漆酶/L-苯丙氨酸共同處理OCC紙漿后，其濕環(huán)壓強(qiáng)度提高了25.96%.加入小分子物質(zhì)后，酚類物質(zhì)和氨基酸都可以作為天然介體被催化氧化成自由基，它可以再氧化漿中木素，特別是與占主要比例的非酚型結(jié)構(gòu)木素形成自由基縮合[8]，導(dǎo)致在纖維間形成更多的化學(xué)鍵結(jié)合；而纖維間的化學(xué)鍵形成，可以有效地提高紙張(板)的濕強(qiáng).

表2 不同處理方式下OCC紙漿成紙強(qiáng)度的增強(qiáng)效果Tab.2 Efficiency of different treatment modifying of OCC pulp

分析上述強(qiáng)度提高幅度的數(shù)值，可以認(rèn)為在酚類物質(zhì)參與下，漆酶能夠更好地提高 OCC紙漿的成紙強(qiáng)度，下一步將會(huì)通過(guò)探討使用氨基酸的最佳工藝條件來(lái)尋找漆酶和氨基酸共同催化提高OCC紙漿成紙強(qiáng)度的方法.

3 結(jié) 論

(1)漆酶處理過(guò)程中，添加的小分子物質(zhì)可以被接枝到纖維表面，最終起到改善纖維表面性能的目的，表現(xiàn)為纖維表面出現(xiàn)膜狀連結(jié)和沉淀物，纖維粗度增加.

(2)漆酶和小分子物質(zhì)處理后的紙漿經(jīng)過(guò)紅外光譜分析，和空白漿樣相比都表現(xiàn)產(chǎn)物苯環(huán)增多，這些結(jié)果表明小分子物質(zhì)在漆酶催化下能夠沉積到纖維表面，與纖維表面木素形成化學(xué)鍵鏈接.

(3)漆酶和小分子物質(zhì)處理OCC紙漿后對(duì)于成紙后濕環(huán)壓強(qiáng)度的提高有一定的貢獻(xiàn)，但氨基酸的最佳使用量還沒(méi)有找到.應(yīng)通過(guò)探討氨基酸的最佳工藝條件來(lái)尋找漆酶和氨基酸共同催化提高OCC紙漿成紙強(qiáng)度的方法.

［2］Chandra R P， Lehtonen L K， Ragauskas A J. Modification of high lignin content kraft pulps with laccase to improve paper strength properties. 1. Laccase treatment in the presence of gallic acid[J]. Biotechnology Progress，2004，20(1)：255–261.

［3］SuteeraW，Arthur J，Ragauskas A J. Modification of high-lignin softwood kraft pulp with laccase and amino acids[J]. Enzyme and Microbial Technology，2009，44(3)：176–181.

［4］裴繼誠(chéng)，石淑蘭，魏華麗，等. 應(yīng)用漆酶改善未漂硫酸鹽木漿的強(qiáng)度性能[J]. 中國(guó)造紙，2005，24(6)：1–4.

［5］孔垂華，徐效華. 有機(jī)物的分離和結(jié)構(gòu)鑒定[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［6］武漢大學(xué)，廈門大學(xué)，南開大學(xué)，等. 分析化學(xué)：下冊(cè)[M]. 5版. 北京：高等教育出版社，2007.

［7］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，2003：294.

［8］Calcaterra A，Galli C，Gentili P. Phenolic compounds as likely natural mediators of laccase：A mechanistic assessment[J]. Journal of Molecular Catalysis B：Enzymatic，2008，51(3/4)：118–120.

Fiber Modification with Laccase in Presence of Different Low Molecular-Weight Compounds

ZHANG Xin-lu，PEI Ji-cheng，ZHANG Fang-dong，YU Xiu-ling
(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

Syringic alcohol and L-phenylalanine were selected as representative of phenolic substances and amino acids to investigate the improvement results of OCC (old corrugated container) pulp with laccase/phenol and laccase/amino acid.Fiber characteristic and physical properties of the handsheet were monitored by FTIR，SEM，F(xiàn)iber Tester and testing instrument of paper products respectively. The results indicated that the grafting reaction between small molecular compounds and lignin occurred by laccase catalytic oxidation. Fiber coarseness increased obviously. Fibers surface appeared rough and a surface adhesion between fibers was observed. Moreover enhancing the sheet strength，especially wet ring crush strength.

laccase；phenol；amino acids；fiber property

TS71

A

1672-6510(2011)04-0031-04

2010–12–09；

2011–04–19

諾維信研究基金資助項(xiàng)目

張?chǎng)舞矗?985—），女，新疆石河子人，碩士研究生；通信作者：裴繼誠(chéng)，教授，jcpei@tust.edu.cn.