兩種生物酶對(duì)馬尾松硫酸鹽漿輔助漂白性質(zhì)的影響

張利萍 ，高 慧 ，關(guān) 瑩 ，黃 勃

兩種生物酶對(duì)馬尾松硫酸鹽漿輔助漂白性質(zhì)的影響

張利萍1，高 慧1，關(guān) 瑩2，黃 勃1

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

以馬尾松KP為試樣，通過對(duì)木聚糖酶和漆酶輔助漂白系統(tǒng)中幾個(gè)重要影響因子的試驗(yàn)，摸索各因子對(duì)酶輔助馬尾松KP漿漂白性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，ABTS作為漆酶漂白介體時(shí)，用量在0～10 mg·g-1范圍內(nèi)，紙漿卡伯值隨其用量增加而降低；介體吐溫80質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%時(shí)，卡伯值最低。木聚糖酶用量為80 U?mg-1，漆酶為20 U?g-1時(shí)，處理效果最好。木聚糖酶在60℃時(shí)，漆酶介體在30℃時(shí)，卡伯值最低。木聚糖酶和漆酶介體處理時(shí)間為150 min和90 min時(shí)，漿料卡伯值低，黏度下降較少。木聚糖酶和漆酶介體系統(tǒng)pH值為6.0和5.0時(shí)，馬尾松漿卡伯值下降了2.76和3.40。紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，木聚糖酶和漆酶介體處理效果好。

馬尾松KP漿；木聚糖酶；漆酶介體；卡伯值；特性黏度

馬尾松纖維長(zhǎng)、密度大，生長(zhǎng)迅速，全樹綜合利用率高，是我國(guó)南方分布最廣的工業(yè)用材樹種，特別是作為紙漿材的原料樹種，發(fā)展?jié)摿Υ骩1-2]。隨著科技發(fā)展和環(huán)保要求，需要從源頭上減少紙漿漂白帶來的污染。因此，生物酶漂白、無氯漂白、氧漂等環(huán)保型漂白技術(shù)受到工業(yè)生產(chǎn)的青睞，不少學(xué)者在這方面作了的研究[3-6]。但是，關(guān)于馬尾松KP生物漂白的研究較少，主要有詹懷宇[7]、吳淑芳[8]分別研究了木聚糖酶和木聚糖酶、漆酶混合系統(tǒng)對(duì)馬尾松KP漿漂白性能的研究。目前，漆酶和木聚糖酶在纖維材料的預(yù)處理、纖維改性、輔助制漿和漂白、廢紙脫墨、廢水凈化、脫色等方面表現(xiàn)良好，在一定程度上能夠降低能源消耗，減少化學(xué)藥品使用，提升纖維或紙張性能。

木聚糖酶是一類降解木聚糖分子的復(fù)雜酶系，組成比較復(fù)雜，包括內(nèi)切β-1，4-木聚糖酶、β-D-木糖苷酶、A-L-呋喃型阿拉伯糖苷酶、乙酰木聚糖酯酶、酚酸酯酶等。它實(shí)際上是一種半纖維素酶，可以分解Lcc復(fù)合體分子中的半纖維素部分[9]。

漆酶(EC1.10.3.2)是一種含銅的多酚氧化酶，是藍(lán)色多銅氧化酶家族（MCO）中最主要的成員，是一種能夠降解木素的“環(huán)保型”催化劑。由于其氧化還原電勢(shì)比較低（0.5～0.8 V），因此，單純采用漆酶進(jìn)行漿料的漂白，不會(huì)對(duì)漿料的卡伯值和硬度起到明顯的改變。后經(jīng)研究者發(fā)現(xiàn)[10]，漆酶需要在一些介體輔助漂白系統(tǒng)中（稱為L(zhǎng)MS系統(tǒng)）才能達(dá)到氧化降解木素的目的。

由于生物酶價(jià)格比較昂貴，在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，只有適應(yīng)范圍廣、價(jià)格相對(duì)低廉的生物酶才有應(yīng)用前景。筆者針對(duì)木聚糖酶和漆酶在輔助漂白過程中酶用量、處理時(shí)間、溫度、pH值以及紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)這幾個(gè)重要因子進(jìn)行試驗(yàn)，篩選出經(jīng)濟(jì)適用型漂白方案，為漂白行業(yè)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試樣制取

馬尾松采集自安徽省滁州市沙河集林場(chǎng)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2677.1-1993鋸解，平衡含水率后，進(jìn)行蒸煮試驗(yàn)，制備出馬尾松KP原漿試樣備用。經(jīng)測(cè)定，馬尾松原漿（未漂漿）卡伯值為22.63，特性黏度為 965 mL·g-1。

木聚糖酶：購(gòu)于合肥市某生物公司，活性≥60 U·mg-1。漆酶：通過上海生物科技有限公司訂購(gòu)，活性≥ 20 U·mg-1。

1.2 試驗(yàn)方法

漆酶、木聚糖酶處理馬尾松KP漿方法：將漿料與酶液密封聚乙烯塑料袋內(nèi)，通過恒溫水浴鍋保持溫度。將每份10 g絕干漿和酶液放入塑料袋中 混 合 均 勻， 用 2 mol?L-1HCL 和 1 mol·L-1的NaOH調(diào)節(jié)pH值，每隔5 min輕揉塑料袋，使?jié){與酶混合均勻，達(dá)規(guī)定時(shí)間后取出洗凈供分析用。

1.2.1 介體對(duì)漆酶預(yù)處理馬尾松漿漂白性質(zhì)的影響

ABTS和吐溫80作為介體，在漆酶用量10 U?g-1，溫度 25℃，處理時(shí)間 60 min，pH 值為7.0，紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的條件下，分別測(cè)定紙漿性質(zhì)變化。

1.2.2 兩種酶用量對(duì)馬尾松漿漂白性質(zhì)的影響

在溫度25℃，處理時(shí)間60 min，pH值為7.0，紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%時(shí)，分別測(cè)定紙漿性質(zhì)變化。

1.2.3 助漂系統(tǒng)溫度對(duì)酶預(yù)處理馬尾松KP漿性質(zhì)的影響

在木聚糖酶用量50 U?mg-1時(shí)，漆酶（介體-吐溫80用量1%）用量10 U?g-1（介體吐溫80用量1%），時(shí)間60 min，pH值7.0，紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的條件下，分別測(cè)定紙漿性質(zhì)變化。

1.2.4 助漂系統(tǒng)時(shí)間對(duì)酶預(yù)處理馬尾松KP漿性質(zhì)的影響

在木聚糖酶用量50 U?mg-1時(shí)，漆酶（介體-吐溫80用量1%）用量10 U?g-1，溫度25℃，pH值7.0，紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的條件下，分別測(cè)定紙漿性質(zhì)變化。

1.2.5 助漂系統(tǒng)pH值對(duì)酶預(yù)處理馬尾松KP漿性質(zhì)的影響

木聚糖酶用量50 U?mg-1時(shí)，漆酶（介體-吐溫80用量1%）用量10 U?g-1，溫度25℃，時(shí)間60 min，紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的條件下，分別測(cè)定紙漿性質(zhì)變化。

1.2.6 助漂系統(tǒng)紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)酶預(yù)處理馬尾松KP漿性質(zhì)的影響

木聚糖酶用量50 U?mg-1時(shí)，漆酶（介體-吐溫80用量1%）用量10 U?g-1，溫度25℃，pH值7.0，時(shí)間60 min條件下，分別測(cè)定紙漿性質(zhì)變化。

1.3 木聚糖酶活力測(cè)定方法

取1 mL1%木聚糖溶液，加入1.0 mL醋酸-醋酸鈉緩沖液（pH值為4.8），置于50℃水浴30 min，之后加入3.0 mLDNS（3，5-二硝基水楊酸）溶液終止反應(yīng)，立即煮沸10 min，冷卻定容至25 mL，測(cè)定其在550 nm處的吸光度值。在上述條件下，1g固體酶粉水解1 min生成相當(dāng)于1 μmol木糖的量為1個(gè)酶活力單位，以U·mg-1表示[11]。

1.4 漆酶活力測(cè)定方法

取0.1 mL酶液，2.7 mL 0.1mol·L檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液（pH值為3.5），再加入0.2 mL 50 mmol·L-1ABTS以啟動(dòng)反應(yīng)。采用北京普析SPC紫外分光光度計(jì)，在25℃下，測(cè)定OD420 nm下反應(yīng)前5 min內(nèi)的吸光值變化。1 mL酶液每分鐘催化底物（ABTS）引起吸光值增加0.001所需酶量為一個(gè)酶活力單位[12-13]。

1.5 紙漿硬度測(cè)定方法

按照GB/T1546-2004和GB/T1548-2004進(jìn)行[14]。

2 結(jié)果與分析

在生物酶預(yù)處理過程中，酶用量、處理過程的溫度、時(shí)間pH值、漿料的濃度（相對(duì)于絕干漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）等因子都會(huì)對(duì)漿料的性質(zhì)產(chǎn)生影響，這些因子不是單一作用的，而是互相影響和促進(jìn)。

2.1 LMS系統(tǒng)對(duì)馬尾松KP漿預(yù)處理后性質(zhì)的影響

漆酶與木聚糖酶不同，由于其電位較低，需要在介體輔助下才能更好的發(fā)揮漂白效果。已報(bào)道的有效介體主要有2，2聯(lián)氮-二（3-乙基苯并噻唑-6-磺酸）（ABTS）、吐溫、鹽酸異丙嗪（PTC）、吩噻嗪（PT）、1-羥基苯并三唑（HBT）、N-羥基-N-乙酰基苯胺（NHA），以及由NHA衍生的一些化合物等[15-16]。

圖1 ABTS用量對(duì)漆酶馬尾松KP漿卡伯值的影響Fig. 1 Effects of ABTS dosage on kappa number

圖2 吐溫80用量對(duì)漆酶馬尾松KP漿卡伯值的影響Fig. 2 Effects of tween 80 dosage on kappa number

由圖1可以看出，在ABTS用量為0.5～10 mg?g-1，隨著ABTS用量的增加，卡伯值呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。ABTS 用量為 0.5 mg?g-1和 10 mg?g-1時(shí)，卡伯值分別為21.26和19.66，與未漂漿相比，分別下降了1.37和2.97。

由圖2可以看出，隨著吐溫80用量的增加，卡伯值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。吐溫80用量為1%時(shí)，卡伯值最低為20.68，比用量0.2%和5%時(shí)，分別下降了1.76和0.76，比未漂漿下降了1.95。

由圖3可以看出，ABTS用量為0.5 mg?g-1、1 mg?g-1、10 mg?g-1時(shí)，特性黏度分別為 960 mg?g-1、958 mg?g-1、944 mg?g-1，分別比未漂漿降低了 5 mg?g-1、7 mg?g-1、21 mg?g-1。

由圖4可以看出，吐溫80用量為2%和5%時(shí)，特性黏度為 955 ml?g-1和 958 ml?g-1。吐溫 80 用量為1%時(shí)，特性黏度為960ml?g-1，比未漂漿降低了 5 ml?g-1。

圖3 ABTS用量對(duì)漆酶馬尾松KP漿特性黏度的影響Fig. 3 Effects of ABTS dosage on viscosity

圖4 吐溫80用量對(duì)漆酶馬尾松KP漿特性黏度的影響Fig. 4 Effects of tween 80 dosage on viscosity

對(duì)漂白而言，降低卡伯值，有利于提升白度；減少黏度降低，有利于保持纖維長(zhǎng)度?？ú岛吞匦责ざ仁呛饬科仔再|(zhì)的重要指標(biāo)。綜合來看，ABTS用量為1 mg?g-1為宜，吐溫80用量為1%最佳。由于ABTS價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于吐溫80，為了節(jié)約成本，適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)，筆者擬選取1%吐溫80作為漆酶漂白系統(tǒng)的介體（下文所指漆酶為漆酶+1%吐溫系統(tǒng)）。

2.2 酶用量對(duì)馬尾松KP漿預(yù)處理后性質(zhì)的影響

酶用量過大，易造成浪費(fèi)，增加成本；酶用量過低，不能達(dá)到漂白的效果。因此，在進(jìn)行酶的預(yù)漂過程中，要通過試驗(yàn)來確定一個(gè)合適的酶用量。

圖5 木聚糖酶用量對(duì)馬尾松漿卡伯值的影響Fig. 5 Effects of xylanase doage on kappa number

圖6 漆酶介體用量對(duì)馬尾松漿卡伯值的影響Fig. 6 Effects of laccase dosage on kappa number

由圖5和6可以看出，隨著酶用量的增加，卡伯值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，并逐步趨于平緩。這是因?yàn)?，酶用量較低時(shí)，它可以充分接觸到木質(zhì)素，降解效率就高，而隨著酶用量的增加，到達(dá)一定程度后，木質(zhì)素降解的殘余物對(duì)漿料木質(zhì)素形成“包裹”態(tài)勢(shì)，阻礙了酶的降解效率。由圖5可以看出，在木聚糖酶用量為80 U?mg-1時(shí)，卡伯值為19.05，與未漂漿相比，下降了3.58。由圖6可以看出，漆酶用量為20 U?g-1時(shí)，卡伯值最低為18.49，比用量10 U?g-1時(shí)，下降了2.00，比未漂漿下降了4.14。

圖7 木聚糖酶用量對(duì)馬尾松漿特性黏度的影響Fig. 7 Effects of xylanase dosage on viscosity

圖8 漆酶介體用量對(duì)馬尾松漿特性黏度的影響Fig. 8 Effects of laccase dosage on viscosity

由圖7和8可以看出，隨著酶用量的增加，特性黏度值逐漸降低。木聚糖酶用量在60～80 U?mg-1時(shí)，漿料特性黏度值相近，變化緩和，用量80 U?mg-1時(shí)，其值為90 mL?mg-1，與未漂漿相比，下降了15 mL?g-1。漆酶用量20 U?g-1和25 U?g-1時(shí)，特性黏度值相近，分別為949 U?g-1和947 U?g-1。

綜合來看，木聚糖酶用量為850 U?mg-1時(shí)，漆酶用量為20 U?g-1時(shí)，處理效果較好。

2.3 溫度對(duì)馬尾松KP漿預(yù)處理后性質(zhì)的影響

溫度對(duì)酶的影響至關(guān)重要，溫度過高易失活，過低活性??；只有在最適溫度下，才能達(dá)到較高活性，起到好的漂白效果。

圖9 溫度對(duì)酶處理馬尾松漿卡伯值的影響Fig. 9 Effects of temperature on kappa number

圖10 溫度對(duì)酶處理馬尾松漿特性黏度的影響Fig.10 Effects of temperature on viscosity

由圖9可以看出，隨著溫度的升高，與未漂漿相比，卡伯值逐漸降低。對(duì)木聚糖酶而言，卡伯值從20℃到60℃時(shí)，下降幅度大，而且在60℃時(shí)，卡伯值最低為18.62，比未漂漿降低了4.0。漆酶系統(tǒng)在20℃～30℃時(shí)，卡伯值下降幅度較大，在30℃時(shí)，卡伯值最低為18.49，比未漂漿降低了4.14，而從30℃到70℃時(shí)，卡伯值都比30℃高。

由圖10可以看出，經(jīng)酶處理后，特性黏度都有一定程度的下降。在70℃時(shí)，經(jīng)木聚糖酶處理后，特性黏度最小，為948 mL?g-1。在50℃時(shí)，漆酶介體處理后，馬尾松漿特性黏度最小，為949 mL?g-1。

綜合來看，在60℃時(shí)，木聚糖酶處理后，卡伯值低，特性黏度降低了13 mL?g-1，效果好；在30℃時(shí)，漆酶介體漂白效果最好，卡伯值最低，特性黏度下降了7 mL?g-1。

反應(yīng)時(shí)間對(duì)馬尾松KP漿預(yù)處理后性質(zhì)變化影響合適的時(shí)間有助于提高酶預(yù)處理漿料的效率，時(shí)間過長(zhǎng)、過短對(duì)生產(chǎn)都有影響，特別是在工業(yè)化生產(chǎn)階段，時(shí)間與產(chǎn)品效益息息相關(guān)。

圖11 時(shí)間對(duì)酶處理馬尾松KP漿卡伯值的影響Fig.11 Effects of time on viscosity

圖12 時(shí)間對(duì)酶處理馬尾松KP漿特性黏度的影響Fig. 12 Effects of time on viscosity

由圖11可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，與未漂漿相比，卡伯值降低。經(jīng)木聚糖酶處理150 min后，卡伯值最小，為19.88，比未漂漿降低了2.75。經(jīng)漆酶介體處理90 min后，卡伯值最小，為19.69，比未漂漿降低了2.94。

由圖12可以看出，木聚糖酶處理180 min時(shí)，特性黏度最低，為945 mL?g-1；處理時(shí)間150 min時(shí)，特性黏度為952 ml?g-1，比未漂漿下降了13 mL?g-1。漆酶介體處理180 min時(shí)，特性黏度最低，為943 mL?g-1；處理時(shí)間為90 min時(shí)，特性黏度為954 mL?g-1，比未漂漿下降了 11 mL?g-1。

綜合來看，就處理時(shí)間而言，木聚糖酶處理150 min適宜，漆酶介體處理90 min為宜。

2.5 pH值對(duì)馬尾松KP漿預(yù)處理后性質(zhì)變化的影響

由圖13可知，pH值不同，卡伯值變化大。酶蛋白只有在合適的pH值條件下，才能展現(xiàn)最佳的構(gòu)象和電荷性質(zhì)，體現(xiàn)出較高的活性，才能與底物能充分結(jié)合，達(dá)到有效降解木質(zhì)素的目的。木聚糖酶處理pH值為6.0和7.0時(shí)，卡伯值分別為19.87和19.94，比未漂漿下降了2.76和2.69。漆酶介體處理pH值5.0和6.0時(shí)，卡伯值分別為19.23和19.36，比未漂漿下降了3.40和3.27。

圖13 pH值對(duì)酶處理馬尾松KP漿卡伯值的影響Fig. 13 Effects of pH value on kappa number

圖14 pH值對(duì)酶處理馬尾松KP漿特性黏度的影響Fig. 14 Effects of temperature on viscosity

由圖14可知，pH值為7.0時(shí)，經(jīng)木聚糖酶處理后，特性黏度最低為944 mL?g-1。這與木質(zhì)素的脫除也造成部分纖維的損傷有關(guān)。pH為9.0時(shí)，經(jīng)兩種酶處理后，特性黏度都在較低，分別為946 mL?g-1和 943 mL?g-1，比未漂漿下降了 19 mL?g-1和23 mL?g-1。這與此時(shí)堿性較強(qiáng)，對(duì)纖維素的部分降解與損傷有關(guān)。

綜合來看，木聚糖酶和漆酶介體處理pH值6.0和5.0為宜。

2.6 紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)馬尾松KP漿預(yù)處理后性質(zhì)變化的影響

紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)也就是工業(yè)上所指的漿料濃度，漿料濃度過大，酶不容易與其接觸，漂白效果差；如果濃度過低，對(duì)于同樣質(zhì)量的漿料，就需要更多的漂白循環(huán)，無形中浪費(fèi)了成本。相對(duì)于前述幾個(gè)因子，漿濃對(duì)紙漿的性質(zhì)影響較小。

圖15 紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)馬尾松KP漿卡伯值的影響Fig. 15 Effects of the pulp consistency on kappa number

圖16 紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)馬尾松KP漿特性黏度的影響Fig. 16 Effects of the pulp consistency on viscosity

由圖15可以看出，馬尾松漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)木聚糖酶和漆酶處理的影響趨勢(shì)一致。在紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，經(jīng)木聚糖酶和漆酶處理后，卡伯值均較低，分別為20.53和20.66，與未漂漿相比，分別降低了2.10和1.97。

由圖16可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，經(jīng)木聚糖酶和漆酶處理后，漿料特性黏度分別為960 mL?g-1和 958 mL?g-1，與未漂漿相比，下降了 5 mL?g-1和 7 mL?g-1。

3 結(jié)論與討論

綜合來看，馬尾松KP漿木聚糖酶處理最佳條件：酶用量為80 U?mg-1，時(shí)間為150 min，溫度為60℃，pH值為6.0，紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

馬尾松KP漿漆酶處理最佳條件：酶用量為20 U?g-1，吐溫用量為1%，時(shí)間為90 min，溫度為30℃，pH值為5.0，紙漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

木聚糖酶的價(jià)格遠(yuǎn)低于漆酶，而且對(duì)介體的依賴程度較高。因此，在工業(yè)漂白上，考慮成本、效益等因素，木聚糖酶的適用性較漆酶廣泛。但是，酶的使用受到溫度、pH值、處理時(shí)間等因素的限制，如何篩選出適應(yīng)性強(qiáng)、活性高、穩(wěn)定性好的木聚糖酶是亟待研究的課題。

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Effects of two biological enzymes on assisted bleaching properties of Pinus massoniana kraft pulp

ZHANG Li-ping1, GAO Hui1, GUAN Ying2, HUANG Bo1
(1.School of Forestry and Landscape Architecture, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, Anhui, China; 2.School of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083)

Pinus massoniana kraft pulp was selected as the tested material. Effects of several important factors in xylanase and laccase assisted bleaching system on Pinus massoniana kraft pulp were tested respectively. The results show as the follows. For laccase, when the dosage of ABTS was from 0 mg·g-1to 10 mg·g-1, the kappa number reduced as the dosage of ABTS increased. When the amount of tween 80 was 1%, the kappa number was the lowest. When the amount of xylanase and laccase were 80 U?mg-1and 25 U·g-1respectively,the treatment effects were better. When the xylanase and the laccase system of temperatures were at 60℃ and 30℃ , time was 150 and 60 minutes, the kappa numbers were the lowest. The pH values of the xylanase and laccase system were 6.0 and 5.0, the kappa number accordingly reduced by 2.76 and 3.40. For the two enzymes assisted bleaching system, when the pulp consistency was 10%, the effects were better.

Pinus massoniana kraft pulp; xylanase; laccase mediator; kappa number; viscosity

S784

A

1673-923X(2012)11-0171-06

2012-08-29

安徽省自然科學(xué)基金（1208085MC37）；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)青年基金

張利萍（1980-），女，實(shí)驗(yàn)師，讀博士研究生，主要從事木材性質(zhì)研究與應(yīng)用；E-mail:zhangliping@ahau.edu.cn

黃 勃，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事蟲生真菌分類和分子生物學(xué)研究

[本文編校：歐陽(yáng)欽]