生物技術(shù)在纖維改性中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

王芳芳 李金華

（①山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省重點(diǎn)實驗室，山東 濟(jì)南，250353）（②DUPLO辦公設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南，250100）

生物技術(shù)在纖維改性中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

王芳芳①李金華②

（①山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省重點(diǎn)實驗室，山東 濟(jì)南，250353）（②DUPLO辦公設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南，250100）

本文主要綜述國內(nèi)近年來生物技術(shù)用于紙漿纖維改性方面的研究。對微生物直接應(yīng)用于紙漿纖維改性的研究較少，主要集中在各種酶對紙漿纖維的改性。比較特別是漆酶所引起的高木素含量的纖維表面木素的接枝，表現(xiàn)出其在紙漿纖維改性方面的巨大潛力。

微生物 酶 紙漿纖維 改性

目前生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)方面的應(yīng)用主要以酶的使用為基礎(chǔ)，但也有將微生物直接應(yīng)用于制漿造紙的研究。酶主要是作為制漿造紙的過程助劑，如用在磨漿、漂白和脫墨中，無論是對于化學(xué)漿還是機(jī)械漿、木材纖維原料制成的漿還是非木材原料制成的漿、原生紙漿纖維還是廢紙漿纖維，不同的酶在纖維工程方面的應(yīng)用都是一個有趣而具潛力的領(lǐng)域。

1 微生物在纖維改性上的應(yīng)用

前人的研究表明，經(jīng)白腐菌改性處理可以顯著提高機(jī)械漿的強(qiáng)度性能，但同時也會導(dǎo)致嚴(yán)重的白度損失，且這種低白度的紙漿可漂性較差，這在一定程度上阻礙了這種生物改性工藝的發(fā)展。Abuhasan等人的研究表明，這種白度損失現(xiàn)象是由于在白腐菌生長過程中產(chǎn)生黑素(melanin)引起的。他們同時建議，要解決白腐菌改性后機(jī)械漿白度低的問題，可以通過三個途徑來實現(xiàn)：(1)添加Tricyclazole(TCA)限制白腐菌處理過程中黑素的合成；(2)采用生長速度快的白腐菌菌種取代傳統(tǒng)菌種可減少黑素的合成；(3)采用特殊的漂白工藝，使漂后紙漿仍然達(dá)到較高的白度值[2]。

Franzén等詳細(xì)地解釋了機(jī)械漿強(qiáng)度低的主要原因：不管是盤磨機(jī)械漿(RMP)、預(yù)熱盤磨機(jī)械漿(TMP)還是化學(xué)-熱磨機(jī)械(CTMP)工藝，都是利用機(jī)械力的作用使纖維分離，大部分富含木素的胞間層仍然留在纖維的表面，相當(dāng)于纖維的表面被一層剛性的木素覆蓋著。這種表面性能導(dǎo)致了機(jī)械漿纖維的柔韌性較低，從而最終導(dǎo)致了纖維結(jié)合強(qiáng)度較低。楊崎峰等用白腐菌對桉木CTMP和TMP進(jìn)行了改性并研究了CTMP經(jīng)白腐菌處理后的漂白問題。研究發(fā)現(xiàn)采用白腐菌去除覆蓋在桉木CTMP漿纖維表面的部分木素是一種有效的纖維生物改性工藝，可以顯著提高桉木CTMP漿纖維的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度，提高了CTMP漿纖維的等級和潛在用于抄造高等級紙張的可能。盡管白腐菌處理過程中紙漿白度有所降低，但適當(dāng)?shù)販p少培養(yǎng)時間和采用H2O2和Na2S2O4兩段漂白工藝完全可以解決這一問題[3]。

2 酶在纖維改性上的應(yīng)用

與微生物改性相比，酶改性具有很多優(yōu)勢，例如高效、處理時間短、處理條件沒有微生物改性那么苛刻。與物理、化學(xué)改性方法相比生物改性的條件溫和對纖維素?fù)p傷小、能耗低、對環(huán)境友好。作為纖維改性中的酶的種類主要是：纖維素酶、半纖維素酶和木素降解酶。主要是改善漿的濾水性能、改善漿的強(qiáng)度的性能、降低打漿能耗，改善紙漿的返黃[4]。另外，由于漆酶獨(dú)特的反應(yīng)機(jī)制，它還應(yīng)用于改性纖維活化木素產(chǎn)生黏合作用、或在高木素含量的制漿中在木素的活化點(diǎn)上接枝化合物，改善漿纖維的性能[1]，[5]。

2.1 復(fù)合纖維素酶對機(jī)械漿和麥草漿濾水性能改善

機(jī)械漿成紙均勻、平滑度較好、有較好的松厚度、不透明度和油墨吸收性能。適合于生產(chǎn)新聞紙。但機(jī)械漿由于經(jīng)過機(jī)械的磨解作用產(chǎn)生了許多細(xì)小組分，造成了漿的濾水性能差，不利于紙機(jī)車速的提高。同時纖維短、細(xì)小組分多造成成紙的強(qiáng)度低，進(jìn)而影響到了印刷的質(zhì)量。而麥草漿由于纖維原料自身的特點(diǎn)如半纖維、雜細(xì)胞含量高，使得麥草所成的漿濾水性能差、成紙強(qiáng)度低。管斌等[6-10]人研究了復(fù)合纖維素酶 （或稱纖維素酶酶系包括EG酶、CBH酶、β-葡萄糖苷酶和半纖維素酶等）對楊木SGW和麥草AP-AQ漿濾水性能的改善。發(fā)現(xiàn)對楊木SGW而言，用復(fù)合纖維素酶對楊木SGW漿進(jìn)行處理，在保持漿原強(qiáng)度的情況下，漿的濾水性能有較明顯的改善。在麥草漿酶改善濾水性能方面，以纖維素酶為主的酶系對草漿濾水性能的改善是必需的，而木聚糖酶對草漿濾水性能的改善起到了輔助作用。酶系中各種酶酶活的比率會影響到濾水性能的改善。在研究復(fù)合纖維素酶對楊木SGW的作用時，發(fā)現(xiàn)1）在酶解初期，液相中酶蛋白濃度迅速降低，酶很快吸附到紙漿纖維表面，從而使得酶解初期還原糖產(chǎn)生速率較高;而后液相中酶蛋白濃度較低，并在液相中逐漸趨于穩(wěn)定。這可能是隨著酶解進(jìn)行，酶蛋白在纖維表面的吸附與解吸達(dá)到了動態(tài)平衡。2）在楊木SGW漿酶處理過程中，漿的游離度增加值呈現(xiàn)“波浪形”變化。酶解強(qiáng)度較大時，“波動”變化頻率加快。隨著酶解進(jìn)行，漿的游離度增加值變化幅度趨勢減小，漿的游離度增加值逐漸趨向于較高的值。3）在楊木SGW漿纖維的酶處理過程中，纖維比表面積也相應(yīng)呈現(xiàn)出“波浪形”變化。其值與游離度增加值的變化恰好呈相反方向變化。4）楊木SGW漿酶處理過程中，漿的游離度增加值和纖維的比表面積的“波動”變化，與酶解作用在纖維表面產(chǎn)生的“剝皮”效應(yīng)有關(guān)。5）紙漿纖維的酶解進(jìn)程可分三個階段，即酶解初期階段、酶解速率逐變階段和酶解速率較低的后期階段(穩(wěn)定期)。對于復(fù)合纖維素酶對紙漿改性來說，一般酶處理時間應(yīng)控制在酶解初期和酶解速率的逐變階段。對兩種漿而言，在酶用量合適的情況下，不會引起對紙漿的強(qiáng)度的下降。此外，袁平等[11-12]的研究也證實了復(fù)合纖維素酶對馬尾松機(jī)械漿（TMP和SGW）濾水性能的改善。而且在他研究的用量條件下，對手抄紙的強(qiáng)度性能影響較小。

目前認(rèn)為纖維素酶酶系 （包括EG、CBH、β-葡萄糖苷酶和半纖維素酶）的改性機(jī)理是：纖維素酶吸附到纖維表面，首先在纖維表面發(fā)生酶解反應(yīng)，隨著酶解反應(yīng)進(jìn)行，將纖維層層剝離。纖維素結(jié)晶度越高，就越難以吸水潤漲，使酶分子難以發(fā)揮滲入纖維作用。因而，無定型區(qū)比結(jié)晶區(qū)易于酶解。纖維素比表面越大，吸附的酶濃度就越高，酶解速率就越快，因此，細(xì)屑和細(xì)小纖維因為具有較大的比表面和可及度而易于受酶的攻擊。酶解作用發(fā)生在纖維表面的細(xì)小纖維和微粒上，對整個纖維損傷十分輕微從而紙漿游離度增加，改善濾水性能[13]。

2.2 用纖維素酶和半纖維素酶改善針葉木KP漿的打漿性能

KP法蒸煮使纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)完整地保存下來，纖維變得柔軟，從而較好地保留了單根纖維的強(qiáng)度，并賦予纖維較大的接觸面積，增加了纖維之間的結(jié)合力。但完整的纖維形態(tài)給后續(xù)的打漿帶來困難。而且，硫酸鹽蒸煮也使得木素在纖維細(xì)胞中按厚度呈均勻分布，阻礙了打漿作用的進(jìn)行，再加上硫酸鹽漿細(xì)胞壁中初生壁碳水化合物的高聚合度，以及纖維表面的LCC，都使得硫酸鹽漿打漿困難[14]。

傅英娟等[15]研究了纖維素酶 (外切酶(pNPC)0.03IU/mL，內(nèi)切酶 (CMCase)1.71IU/mL，濾紙酶0.03 FPU/mL，β-葡萄糖苷酶0.40 IU/g，木聚糖酶8.26IU/g)對針葉木漿的酶促打漿。發(fā)現(xiàn)在酶處理的適宜條件下，與對照漿相比，經(jīng)酶處理的紙漿具有更高的打漿度，從而具有降低能耗的潛力。同時，由于打漿度的增加，紙漿的裂斷長有顯著的增加，而撕裂指數(shù)卻有明顯的下降。湯振江等[14]的研究了幾種不同的酶對針葉木KP漿打漿性能的改善作用。

現(xiàn)在，認(rèn)為酶促打漿的機(jī)理是，利用高活性的半纖維素酶和較低活性的半纖維素酶對在打漿前對紙漿進(jìn)行預(yù)處理，導(dǎo)致纖維表面某種程度的活化和松弛。酶促打漿可以縮短打漿時間，降低打漿能耗，并在較低的打漿轉(zhuǎn)數(shù)下取得所要求的某些性能。

2.3 酶對機(jī)械漿、草漿強(qiáng)度性能的改善以及對KP漿濕強(qiáng)度改善

針對機(jī)械漿和麥草漿在強(qiáng)度性能方面存在的缺陷，湯振江等[16-17]研究了漆酶和纖維素酶和半纖維素酶配合漆酶對未漂馬尾松SGW的強(qiáng)度性能的改善。研究發(fā)現(xiàn)利用漆酶NS 51003處理馬尾松未漂SGW，可有效提高紙漿的白度及強(qiáng)度性能，而且酶處理后紙漿具有更好的可漂性，并且經(jīng)過H2O2漂白后的酶處理漿亦具有更高的白度和更好的強(qiáng)度性能；而漆酶NS 51002漆酶/介體對紙漿的改性效果甚微。利用半纖維素酶PulpzymeHC、纖維素酶Novozym 476對馬尾松未漂SGW進(jìn)行預(yù)處理，可有效提高漆酶NS 51003處理馬尾松未漂SGW的效率，更加有效地提高紙漿的白度及強(qiáng)度性能,而且適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可使紙漿具有更好的可漂性，從而使H2O2漂白后的酶處理漿具有更高的白度和更好的強(qiáng)度性能。彭濤等[18]利用漆樹漆酶/介體體系對馬尾松化學(xué)熱磨機(jī)械漿進(jìn)行生物酶處理及后續(xù)H2O2漂白，探索漆酶生物改性最佳工藝條件。研究發(fā)現(xiàn)在最佳的工藝條件下，與對照漿相比，紙漿白度可提高3.0%ISO，抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)分別提高22.5%、7.9%。纖維長度、粗度分析及掃描電鏡譜圖顯示，漆酶處理只發(fā)生在纖維表面，有利于表面木素的降解溶出，從而提高了紙漿的白度和可漂性。另外，他[19]還利用漆樹漆酶替代真菌漆酶改性馬尾松化學(xué)熱磨機(jī)械漿，測定了改性前后紙漿的物理性能，利用纖維長度、粗度分析儀、衰減全反射傅立葉變換紅外光譜(ATR-IR)、原子力顯微鏡(AFM)和X射線光電子能譜(XPS)對改性前后紙漿纖維表面性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，與對照漿相比，漆酶處理后，纖維的長度、粗度變化不大，漆酶改性僅在纖維表面起作用，不會引起纖維的大量降解；漆酶改性過程中存在木素的降解溶出，纖維表面木素含量降低，碳水化合物含量升高，紙漿白度和強(qiáng)度有所提高。

陳嘉川[20]分離并研究了A-30耐堿性木聚糖酶對麥草漿的性能的改善作用。發(fā)現(xiàn)A-30耐堿性木聚糖酶在提高強(qiáng)度和降低脆性方面有一定優(yōu)勢。而且陳嘉川等[21]對黑曲霉An-76分泌的酶液進(jìn)行了分離、純化和測定，對其中的H1酶、H2酶和C1酶分別或混和用于漂白麥草漿的改性作用進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)H1(木聚糖酶)或H2（木聚糖酶）與C1（纖維素酶）混合可以有效改善麥草漿的脆性和其他強(qiáng)度指標(biāo)。

裴繼誠、石淑蘭[22-24]等研究了漆酶對未漂KP濕強(qiáng)度的改善。研究發(fā)現(xiàn)不同的漆酶處理方法都提高了未漂針葉木KP漿的濕強(qiáng)度。而對干強(qiáng)的影響不明顯。漆酶處理提高濕抗張強(qiáng)度的機(jī)理在于：漆酶催化木質(zhì)纖維中的木素或氧化溶于液相中的木素，生成酚氧自由基，發(fā)生自由基聚合反應(yīng)。自由基聚合的木素包圍著紙中纖維，其作用相當(dāng)于紙張濕強(qiáng)劑。各種可以提高紙張濕強(qiáng)度的高分子，其作用原理就是在纖維間形成交聯(lián)網(wǎng)，該網(wǎng)可以阻止纖維潤脹，保護(hù)氫鍵不被破壞。紙張的干強(qiáng)度是由纖維間氫鍵的數(shù)量決定的，而濕強(qiáng)的抗張強(qiáng)度則依賴于可阻止纖維吸附水分子的化學(xué)鍵的形成，如共價鍵、離子鍵或圍繞著纖維形成的交聯(lián)網(wǎng)。

2.4 真菌粗酶液對CMP返黃的抑制

盧雪梅[25-26]等研究黃孢原毛平革菌菌株L TP214的粗酶液對杉木、楊木的混合CMP返黃的抑制作用、探討了粗酶液對CMP返黃抑制的影響因素以及黃孢原毛平革菌L TP214的粗酶液抑制CMP返黃的機(jī)理。結(jié)果表明在用蛋白胨搖瓶培養(yǎng)5～6天所獲得的粗酶液，用1mL/g的粗酶液處理3h能得到較好的抑制效果。通過對不同的培養(yǎng)方式產(chǎn)生的粗酶液酶活的測定、杉木木素光能團(tuán)分析和紫外-可見光吸收光譜分析得出：MnP幾乎不參與返黃抑制的反應(yīng)；而LIP214能分泌一定量的CDH/CBQ，它們在氧化纖維二糖的同時，能還原一些醌類等木素降解中間物，可能參與抑制紙漿返黃改善；LIP214酶液含有不同于LIP和MnP的木素氧化酶類；酶處理過程中發(fā)生兩類反應(yīng)：第一類是還原反應(yīng)，醌類化合物被酶還原為氫醌類無色物質(zhì)，使醌類化合物的吸收峰下降并形成倒的肩峰。醌還原成氫醌是木素降解、生物降解過程中醌類中間產(chǎn)物繼續(xù)降解的必由之路,形成氫醌后再經(jīng)兒茶酚途徑才能徹底降解為二氧化碳。第二類是氧化反應(yīng)，羥基化合物發(fā)生氧化形成各種羰基化合物，在320 nm和360 nm處形成不同的吸收峰；酶的作用與老化作用相互抵消，從而延遲了老化過程。

2.5 漆酶輔助的高得率硫酸漿表面的接枝

Richard P.Chandra等[27]評估并證實了漆酶有利于酚酸接枝到高得率硫酸漿纖維表面的木素上。他們用20%濃度的漆酶和紫丁香酸、香草酸、對苯酚酸處理纖維。用漆酶和對苯酚酸處理引起卡伯值增加了20點(diǎn)，酸基團(tuán)增加了100%。處理漿和未處理漿的ESCA分析表明漆酶接枝纖維在酸性基團(tuán)上增加了兩倍，證實了漆酶有利于對苯酚酸在纖維表面的耦合。建立由木素涂布的纖維素纖維的模型系統(tǒng)測定漆酶接枝時木素結(jié)構(gòu)的變化的模型。該模型系統(tǒng)的木素31P的NMR的分析顯示了酸性基團(tuán)的增加和酚羥基的減少。研究結(jié)果表明漆酶和酚酸處理高得率硫酸鹽漿使得羧基基團(tuán)特別是纖維表面的羧基基團(tuán)增加了。這有效地支持了漆酶在固液兩相系統(tǒng)中有助于酚酸接枝到纖維表面的木素上的結(jié)論。

3 結(jié)束語

生物技術(shù)尤其是高效、專一的酶制劑在纖維改性方面有著廣闊的應(yīng)用前景。但有關(guān)酶對紙漿的作用規(guī)律還有待于進(jìn)一步的研究。在工業(yè)化生產(chǎn)方面，酶應(yīng)用于紙漿的纖維改性還需要更多技術(shù)的介入。

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2010－10－8

環(huán)境保護(hù)