漆酶和APMP廢液中酚類物質(zhì)共同改善OCC紙漿纖維性能的研究

張鑫璐 裴繼誠 張方東 于秀玲 胡惠仁

（天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

近年來用漆酶、漆酶/介體體系處理紙漿纖維使其改性從而提高成紙強(qiáng)度的研究引起了廣泛關(guān)注［1］。同時(shí)，已有文獻(xiàn)介紹用木素小分子酚類衍生物作為漆酶/介體體系中酶催化的天然介體，以改變紙漿物理強(qiáng)度、光學(xué)性質(zhì)等［2］。如果能在造紙?jiān)虾蜐{料體系中尋找生態(tài)和環(huán)境友好型并且易獲得的天然介體將有利于進(jìn)一步推進(jìn)漆酶/天然介體體系的工業(yè)化應(yīng)用。Wagberg L.等人［3］對熱磨機(jī)械漿的廢液進(jìn)行了分析，表明溶解和膠體物質(zhì)（dissolved and colloidal substances，DCS）中60％為碳水化合物、30％為木素碎片酚類物質(zhì)；這說明廢液中含有大量的木素酚類物質(zhì)，同時(shí)，酚類化合物又是造紙廢液中DCS的組成成分，而DCS的積累對紙機(jī)運(yùn)行和生產(chǎn)均有很多不利影響［4-5］。

本實(shí)驗(yàn)用漆酶和APMP廢液共同處理漿料體系，在漆酶作用下，廢液中的酚類物質(zhì)從廢液中沉淀出來，并與纖維表面的木素形成自由基縮合，以達(dá)到去除廢液中酚類物質(zhì)、降低廢水污染負(fù)荷和賦予纖維良好表面性能的目的。同時(shí)，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）對APMP廢液中的天然酚類物質(zhì)進(jìn)行鑒別，對檢測出的酚類物質(zhì)進(jìn)行模型物凝膠色譜（GPC）測定，并分析不同方式處理的OCC紙漿的纖維表面性能和成紙物理性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

OCC紙漿：取自天津廣聚源紙業(yè)，主要為國產(chǎn)OCC紙漿；APMP：取自濮陽龍豐紙業(yè)；漆酶：諾維信公司（Novozymes A/S）生產(chǎn)，商品名Novozym51003，酶活為800U/mL；紫丁香醇、松柏醇和1-甲基咪唑：Sigma-Aldrich化學(xué)品公司生產(chǎn)；乙酸酐：天津市化學(xué)試劑二廠生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

高濃水力碎漿機(jī)：美國Adirondack Machine Corporation制造；PFI磨：瑞典L＆W公司制造；快速紙頁成形器：德國ESTANIT GmbH制造，900428型；環(huán)壓強(qiáng)度測試儀：瑞典L＆W公司制造；紙張抗張強(qiáng)度測定儀：瑞典L＆W公司制造；氣相色譜-質(zhì)譜儀：美國瓦里安技術(shù)有限公司；凝膠滲透色譜儀：美國Waters公司，Waters410示差檢測器，515型；Fiber-Tester纖維形態(tài)分析儀：瑞典L＆W公司制造，902型；掃描電子顯微鏡：Philips FEI QUANTA 200，SEM X-300。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 APMP廢液的制備

將APMP放入塑料袋平衡24h后測定水分。每次稱取30g絕干漿料經(jīng)水浸泡后補(bǔ)加水至漿濃10％，使用PFI磨對漿料進(jìn)行打漿，控制最終打漿度為40°SR，將打漿后的紙漿放入3000mL燒杯中，加入一定量蒸餾水調(diào)節(jié)漿濃至3％，放入45℃恒溫水浴中恒溫，攪拌2h后布袋脫水得APMP廢液。

1.3.2 OCC紙漿的制備

（1）碎漿

將試樣撕成規(guī)格為30mm×30mm的碎片，放入塑料袋平衡24h后測定水分。稱取一定量OCC紙漿碎片經(jīng)水浸泡12h后在高濃水力碎漿機(jī)中進(jìn)行碎漿。碎解后的OCC紙漿用篩縫為0.25mm的平板篩漿機(jī)篩漿，良漿備用。

（2）打漿

根據(jù)QB/T 1463—1992方法，使用PFI磨進(jìn)行磨漿，漿濃為10％，控制最終打漿度為45°SR。

1.3.3 GC-MS測定

（1）衍生化處理

取一定量廢液試樣，加入1-甲基咪唑和乙酸酐進(jìn)行乙?；缓笥枚燃淄檩腿。?］。

（2）GC-MS分析條件

氣相條件：DB-1毛細(xì)管色譜柱（0.10μm×0.25mm×30m）；測試過程：起始溫度60℃，保持1min。程序升溫，每分鐘10℃，升至320℃，保持3min。進(jìn)樣口溫度為320℃，采用高純氦氣作為載體，流量為1mL/min，分流比5。質(zhì)譜條件：傳輸線溫度280℃，離子阱溫度220℃。掃描方式：全掃描，掃描范圍：50～1000u。電離方式：EI（電子轟擊）。

1.3.4 凝膠滲透色譜測定

（1）樣品處理

松柏醇、紫丁香醇漆酶處理樣，用0.45μm的微濾膜過濾，洗滌。所得沉淀產(chǎn)物風(fēng)干。風(fēng)干樣置于P2O5真空干燥器中，待質(zhì)量恒定時(shí)進(jìn)行測定。

（2）測試條件

色譜柱：Ultrastyragel 103A；柱溫：40℃；流動(dòng)相：四氫呋喃；流速：1.0mL/min；以聚苯乙烯為標(biāo)樣。

1.3.5 纖維形態(tài)分析

稱取0.1g絕干纖維（精確至0.1mg），用分散器打散后，用水稀釋，在Fiber-Tester纖維分析儀上測定纖維的長度、寬度、粗度、形態(tài)因子及扭結(jié)指數(shù)。

1.3.6 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20kV。

1.3.7 漆酶處理OCC紙漿

取30g絕干OCC紙漿，調(diào)節(jié)漿料pH值到6.0后加入APMP廢液，置于恒溫水浴中，通入空氣5min后加入漆酶，繼續(xù)通空氣直至反應(yīng)結(jié)束。

1.3.8 紙張性能測定

根據(jù)GB/T465.2—1989方法測定手抄片的濕抗張強(qiáng)度（試樣浸泡時(shí)間為1h，然后用濾紙均勻壓干、測試）。

將手抄片試樣在相對濕度近100％、溫度25℃的環(huán)境中放置48h［7］，然后根據(jù)GB/T2679.8—1995方法測定手抄片的環(huán)壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 APMP廢液中酚類物質(zhì)分析

GC-MS技術(shù)可以提供保留時(shí)間和質(zhì)核比信息，在制漿造紙工業(yè)中，常將其用于造紙植物纖維原料和紙漿中糖類各組分的分離與鑒定，以及分析木素降解產(chǎn)物［8］。APMP廢液乙?；蠼?jīng)二氯甲烷萃取產(chǎn)物的質(zhì)譜圖和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫對照圖如圖1～圖3所示。

圖3 乙?；砂卮嫉馁|(zhì)譜圖A與4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚乙酯標(biāo)準(zhǔn)譜圖B

從圖1可看出，保留時(shí)間4.379min出峰物質(zhì)的質(zhì)譜圖（見圖1A）與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫（見圖1B）的4-甲氧基-苯酚乙酯相似度較高；圖1A中乙?；镔|(zhì)特征離子峰m/z為124.0，標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫中4-甲氧基-苯酚乙酯的特征離子峰m/z也是124.0；依質(zhì)譜圖信息可推知保留時(shí)間4.379min的出峰物質(zhì)為對-甲氧基-苯酚，其是廢液中對羥苯基型木素小分子類物質(zhì)的代表。

從圖2可看出，保留時(shí)間9.256min出峰物質(zhì)的質(zhì)譜圖（見圖2A）與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫（見圖2B）的2，6-二甲氧基-苯酚乙酯相似度較高；圖2A中乙酰化物質(zhì)特征離子峰m/z是154.0，標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫中2，6-二甲氧基-苯酚乙酯的特征離子峰m/z也是154.0；依質(zhì)譜圖和相似度可推知保留時(shí)間9.256min的出峰物質(zhì)為2，6-二甲氧基苯酚即紫丁香醇，其是廢液中紫丁香基型木素小分子類物質(zhì)的代表。

從圖3可看出，保留時(shí)間12.573min出峰物質(zhì)的質(zhì)譜圖（見圖3A）與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫（見圖3B）的4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚乙酯的相似度較高；圖3A中乙酰化物質(zhì)特征離子峰m/z是137.0，標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫中4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚乙酯的特征離子峰m/z也是137.0；依質(zhì)譜圖和相似度可推知保留時(shí)間12.573min的出峰物質(zhì)為4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚即松柏醇，其是廢液中愈創(chuàng)木基型木素小分子類物質(zhì)的代表。

GC-MS的測試表明，APMP廢液乙?；蠼?jīng)二氯甲烷萃取產(chǎn)物中含有對-甲氧基-苯酚、紫丁香醇和松柏醇這3種酚類物質(zhì)。

2.2 漆酶處理前后廢液中酚類物質(zhì)的變化

APMP廢液和漆酶處理的APMP廢液經(jīng)乙?；笤俳?jīng)二氯甲烷萃取產(chǎn)物GC-MS色譜總離子流圖如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，APMP廢液乙?；蟮臉悠分?-甲氧基-苯酚乙酯、2，6-二甲氧基苯酚乙酯和4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚乙酯分別在4.379min（a）、9.256min（b）和12.573min（c）出峰很明顯。從圖5發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的漆酶處理樣相應(yīng)時(shí)間對-甲氧基-苯酚和松柏醇峰消失，即檢測不到對-甲氧基-苯酚和松柏醇單體的存在，并且總離子流程圖中紫丁香醇的色譜峰強(qiáng)度減弱，因此，推測漆酶對APMP廢液中酚類物質(zhì)有一定的去除作用。

為了進(jìn)一步計(jì)算漆酶對廢液中酚類物質(zhì)的去除率，利用內(nèi)標(biāo)法對其進(jìn)行了計(jì)算，內(nèi)標(biāo)物選取苯乙醇，對苯乙醇和酚類物質(zhì)的色譜峰積分求峰面積，計(jì)算在不同樣中酚類物質(zhì)相對于苯乙醇色譜峰的比值，進(jìn)而計(jì)算出漆酶對酚類物質(zhì)的去除率。漆酶處理APMP廢液后，對-甲氧基-苯酚和松柏醇的去除率達(dá)到100％、紫丁香醇的去除率接近50％。

2.3 凝膠滲透色譜分析

通過GC-MS分析可以確認(rèn)，在APMP廢液中含有對-甲氧基-苯酚、紫丁香醇和松柏醇，并且推測出在漆酶處理過程中參與了反應(yīng)。Carsten Mai等人［9］研究表明，漆酶可以催化木素結(jié)構(gòu)中酚羥基生成苯氧自由基，苯氧自由基之間可以發(fā)生共價(jià)連接，從而使木素之間發(fā)生共聚。為了進(jìn)一步確定漆酶處理后酚類物質(zhì)的變化情況，選取模型物紫丁香醇和松柏醇（分別代表APMP廢液中出峰較明顯的紫丁香醇和松柏醇）進(jìn)行機(jī)理研究，探討漆酶處理后產(chǎn)物分子質(zhì)量和分散性的變化（見表1）。

紫丁香醇純品的相對分子質(zhì)量為154.16，由表1可知，漆酶處理后數(shù)均相對分子質(zhì)量上升至698，說明反應(yīng)為聚合反應(yīng)，該產(chǎn)物大約是由5個(gè)紫丁香醇分子發(fā)生聚合作用生成。由此可見，產(chǎn)物的數(shù)均和質(zhì)均相對分子質(zhì)量比較接近（Mn為698、Mw為745）；分散性為1.066，依分散性可看出，產(chǎn)物接近單分散樣品，分子質(zhì)量分布較集中。

表1 紫丁香醇和松柏醇模型物漆酶處理樣的相對分子質(zhì)量及分散性

松柏醇純品的相對分子質(zhì)量為180.20，由表1結(jié)果可見漆酶處理后數(shù)均相對分子質(zhì)量上升至1658，說明該反應(yīng)為聚合反應(yīng)，產(chǎn)物大約由10個(gè)紫丁香醇分子發(fā)生聚合作用生成。產(chǎn)物分散性為1.138，說明這種物質(zhì)的分散程度較低。

因此，漆酶處理APMP廢液后，酚類物質(zhì)在廢液中消失或含量明顯降低是因?yàn)閺U液中酚類物質(zhì)在漆酶處理過程中發(fā)生了自由基縮合反應(yīng)，導(dǎo)致聚合后的酚類物質(zhì)從廢液中沉淀出來（實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有沉淀現(xiàn)象）。

2.4 采用不同方式處理OCC紙漿

（1）對纖維形態(tài)的影響

曾使用紫丁香醇和漆酶共同改善OCC紙漿的成紙性能；與單獨(dú)漆酶處理相比，應(yīng)用漆酶/紫丁香醇體系處理后，纖維粗度有所增加。前述的GC-MS分析可以證實(shí)，APMP廢液中也含有紫丁香醇。為了研究漆酶和天然酚類物質(zhì)（來自廢液）共同處理對纖維的改性效果，對不同處理方式的紙漿進(jìn)行了纖維形態(tài)分析（見表2）。

由表2可知，兩種方式處理OCC紙漿僅對纖維粗度有較大影響。纖維粗度增加可能是漿中木素及廢液中天然酚類物質(zhì)在漆酶作用下產(chǎn)生自由基縮合的結(jié)果。這與凝膠色譜分析的結(jié)果一致。

（2）掃描電鏡分析

從圖6可見，未經(jīng)漆酶處理的空白樣的纖維表面光滑、平整，纖維間連結(jié)不緊密，呈疏松多孔狀（見圖6a）；單獨(dú)使用漆酶處理OCC紙漿（見圖6b），由于處理過程中木素會(huì)發(fā)生降解去除，部分纖維表面變得粗糙不平；用漆酶和廢液共同處理OCC紙漿（見圖6c），纖維表面更粗糙，纖維與纖維相互“黏結(jié)”形成一體，出現(xiàn)大面積的纖維“融結(jié)”現(xiàn)象。這說明漆酶和天然酚類物質(zhì)（來自廢液）共同處理使纖維表面發(fā)生明顯改性，廢液中小分子酚類物質(zhì)的加入促進(jìn)了漆酶處理對纖維的活化作用，更有利于纖維間發(fā)生交聯(lián)作用。在漆酶和廢液共同處理OCC紙漿過程中，天然酚類物質(zhì)被催化氧化成自由基，其可以再氧化漿中木素，特別是占大比例的非酚型結(jié)構(gòu)木素形成自由基縮合［10］。這種自由基縮合不僅發(fā)生在木素之間，還能發(fā)生在木素和酚類物質(zhì)之間，因此，纖維表面的這些膜狀物質(zhì)和沉淀物（見圖6c）就是漆酶處理過程中廢液中的酚類物質(zhì)形成自由基縮合后最終遷移到纖維表面與表面木素形成化學(xué)鍵連接的結(jié)果，同時(shí)使纖維表面木素含量提高。

表2 纖維形態(tài)測定結(jié)果

圖6 OCC紙漿掃描電鏡圖

（3）對成紙強(qiáng)度的影響

不同處理方式對OCC紙漿成紙強(qiáng)度的影響如表3所示。與空白樣相比，單獨(dú)使用漆酶處理以及漆酶和天然酚類物質(zhì)（來自廢液）共同處理均可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3可見，與空白樣相比，漆酶處理、漆酶和天然酚類物質(zhì)（來自廢液）共同處理OCC紙漿后成紙強(qiáng)度明顯提高，如干抗張指數(shù)和干環(huán)壓指數(shù)分別提高9.98％和10.47％；對于濕強(qiáng)度，單獨(dú)漆酶處理OCC紙漿，其濕抗張指數(shù)提高11.66％，使用漆酶和APMP廢液共同處理OCC紙漿后，其濕抗張指數(shù)提高了27.60％。加入APMP廢液后，廢液中大量小分子酚類物質(zhì)參與了漆酶催化提高紙漿強(qiáng)度的反應(yīng)，其濕環(huán)壓指數(shù)提高了30.80％。這主要是天然酚類物質(zhì)形成的自由基可以繼續(xù)氧化木素中非酚型結(jié)構(gòu)［10］，導(dǎo)致纖維間形成更多的化學(xué)鍵。纖維間化學(xué)鍵的形成可有效提高紙張（板）的濕強(qiáng)度；另一方面，從前述分析可以推斷，漆酶的作用會(huì)使處理紙漿過程中加入的小分子酚類物質(zhì)發(fā)生縮合反應(yīng)，縮合的木素沉積并“包裹”在纖維表面即與纖維表面木素進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)鍵連接，這增加了漆酶對纖維表面木素的可及度和纖維表面的改性程度，使紙漿濕強(qiáng)度得到提高。

表3 不同處理方式對OCC紙漿成紙強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

3.1 GC-MS和GPC的測定表明APMP廢液中含有對-甲氧基-苯酚、紫丁香醇和松柏醇，并且其與漆酶共同處理OCC紙漿過程中這些酚類物質(zhì)參與反應(yīng)，產(chǎn)物聚合，聚合的小分子酚類物質(zhì)以縮合木素的形式沉積在纖維表面，增加了纖維表面木素含量，從而提高了紙漿強(qiáng)度，特別是濕環(huán)壓強(qiáng)度提高較為明顯。

3.2 APMP廢液中的小分子酚類物質(zhì)可以與漆酶共同改善OCC紙漿的纖維性能，為酶法解決廢液中酚類物質(zhì)造成的DCS積累等問題提供理論依據(jù)，同時(shí)，也為利用生物技術(shù)改善循環(huán)廢液的性能提供了參考。

3.3 漆酶與廢液中酚類物質(zhì)共同改善OCC紙漿性質(zhì)為提高瓦楞紙板的環(huán)壓強(qiáng)度提供了一個(gè)方法，且有利于進(jìn)一步推進(jìn)漆酶工業(yè)化應(yīng)用。

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