陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的自留著及紙張?jiān)鰪?qiáng)作用研究

陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的自留著及紙張?jiān)鰪?qiáng)作用研究

通過木瓜蛋白酶的定點(diǎn)消化法分別從綠色木霉和里氏木霉中提取出纖維素酶糖結(jié)合單元以及從嗜熱棉毛菌中提取出木聚糖酶糖結(jié)合單元，然后通過肽縮合反應(yīng)而引入到陰離子聚丙烯酰胺上。通過針葉木漿和闊葉木漿的手抄片實(shí)驗(yàn)，研究了上述3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物分別表現(xiàn)出的不同的自留著特性，并考察了它們?cè)谑芪廴緷癫凯h(huán)境下的紙張?jiān)鰪?qiáng)性能。結(jié)果表明：從綠色木霉中獲得的糖結(jié)合單元和陰離子聚丙烯酰胺的復(fù)配物在闊葉木漿中具有較好的自留著效果，同時(shí)使紙張獲得較高的抗張強(qiáng)度，尤其是在鈣離子和木素磺酸鹽存在時(shí)效果更明顯；從里氏木霉中獲得的糖結(jié)合單元和陰離子聚丙烯酰胺的復(fù)配物則在針葉木漿手抄片中的自留著效果比在闊葉木漿手抄片中的好；從嗜熱棉毛菌中獲得的糖結(jié)合單元和陰離子聚丙烯酰胺的復(fù)配物只適用于未被污染的濕部系統(tǒng)中。陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物中的糖結(jié)合單元與漿料纖維的親和性有助于拓寬糖結(jié)合單元-聚合物型復(fù)配物在造紙濕部的應(yīng)用范圍。

1 前言

由纖維素纖維制成的紙產(chǎn)品作為一種重要材料應(yīng)用于日常生活的方方面面。紙張生產(chǎn)中通常在紙機(jī)濕部的漿料懸浮液中添加相關(guān)化學(xué)助劑來達(dá)到生產(chǎn)出具有特定功能的紙張產(chǎn)品的目的。但是在該過程中，常因漿料和過程水的不斷循環(huán)使用而導(dǎo)致濕部系統(tǒng)中產(chǎn)生離子污染。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的濕部系統(tǒng)受其內(nèi)部的靜電作用影響很大，所以離子污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到了大多數(shù)造紙助劑的應(yīng)用效果。聚丙烯酰胺、陽離子淀粉和聚酰胺環(huán)氧氯丙烷是造紙過程中常用助劑，但是這些助劑對(duì)造紙系統(tǒng)中不斷積累的陰離子垃圾和無機(jī)鹽離子很敏感。同樣，也在工廠實(shí)踐中對(duì)應(yīng)用非離子聚合物如聚環(huán)氧乙烷和酚醛樹脂的濕部系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)查研究。在該類系統(tǒng)中，上述問題也未得到根本解決。因此，開發(fā)一種不受靜電作用并且在離子污染較嚴(yán)重的濕部環(huán)境中自留著效果較強(qiáng)、且能發(fā)揮作用的新型助劑是很有必要的。

纖維素酶是一種糖基水解酶，能夠選擇性水解纖維素的β-1，4糖苷鍵。纖維素酶在解決上述問題上具有很大的應(yīng)用潛力。大多數(shù)纖維素酶都有一個(gè)由催化區(qū)組成的模塊結(jié)構(gòu)，該催化區(qū)連接著糖結(jié)合單元。利用糖結(jié)合單元來設(shè)計(jì)纖維素材料的思路源于糖結(jié)合單元本身具有的與纖維素（沒有催化作用）特殊的高親和性。前期的研究已經(jīng)表明，糖結(jié)合單元對(duì)造紙助劑在紙張上的留著以及離子污染條件下的濕部系統(tǒng)中助劑作用的發(fā)揮是有效果的。陰離子聚丙烯酰胺與糖結(jié)合單元所組成的復(fù)配物中的糖結(jié)合單元和漿料纖維之間具有納牛頓（nanoNewton）級(jí)的特異性相互作用，從而可以在濕部高電導(dǎo)率和高陽離子需求量條件下仍保持良好的自留著效果并使紙張獲得較高的抗張強(qiáng)度，而在這種濕部條件下，聚酰胺環(huán)氧氯丙烷是無效的。

本研究中，陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物通過從不同糖基水解酶中提取出來的3種糖結(jié)合單元來合成，并比較了它們的自留著及紙張?jiān)鰪?qiáng)特性。纖維素酶在所有微生物中都可以找到，其主要存在于原核細(xì)胞和菌類中。除了諸如木聚糖酶等纖維素酶之外，糖基水解酶也含有能夠在碳水化合物表面結(jié)合的糖結(jié)合單元?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了一系列類型的糖結(jié)合單元，根據(jù)氨基酸順序、結(jié)合專一性以及結(jié)構(gòu)特性，這些糖結(jié)合單元被劃分成超過50種不同的品類。本研究中，不同類型的陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物加入到闊葉木纖維或者是針葉木纖維的懸浮液中。所涉及的闊葉木和針葉木纖維的表面結(jié)構(gòu)是不同的，即纖維素和半纖維素的組成不同。本研究著重探討了陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在濕部污染條件下的自留著和紙張?jiān)鰪?qiáng)性能。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

（1）商用闊葉木漿（手抄片用）：采用荷蘭式打漿機(jī)打至加拿大游離度為450 mL；（2）商用針葉木漿（手抄片用）：采用荷蘭式打漿機(jī)打至加拿大游離度為550 mL；（3）2種纖維素酶（糖結(jié)合單元來源）：編號(hào)-EC 3.2.1.4，分別從綠色木霉和里氏木霉中提取；（4）木聚糖酶（糖結(jié)合單元來源）：編號(hào)-EC3.2.1.8，從嗜熱棉毛菌中提??；（5）木瓜蛋白酶（用于糖結(jié)合單元的分離）：編號(hào) -EC3.4.22.2；（6） CBINDTM100 脂（用于糖結(jié)合單元接收）；（7）陰離子聚丙烯酰胺：相對(duì)分子質(zhì)量為4×106g/mol，電荷密度為0.83 meq/g；（8）其他化學(xué)試劑：分析純。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 糖結(jié)合單元的分離

糖結(jié)合單元按照如下步驟獲得：（1）木瓜蛋白酶和糖基水解酶各自在量濃度為50 mmol/L的磷酸鹽緩沖液（pH為6.5）中進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為37℃、時(shí)間為30 min；（2）將活化后的質(zhì)量濃度為1 mg/mL的木瓜蛋白酶溶液加入到150 mL的質(zhì)量濃度為10 mg/mL的糖基水解酶溶液中，直至糖基水解酶和木瓜蛋白酶的質(zhì)量比為30∶1，所得混合液在37℃條件下培養(yǎng)30 min；（3）根據(jù)先前公開報(bào)道的有關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，選用CBINDTM100脂通過親和純化法對(duì)糖結(jié)合單元進(jìn)行分離。

2.2.2 陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的合成

將70 mL質(zhì)量濃度為 3 mg/mL糖結(jié)合單元的乙二醇溶液和3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、pH為4.75的1-乙基-3-（3-二甲基胺丙基）碳化二亞胺氯化氫（EDC）溶液以及150 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、pH為4.75的陰離子聚丙烯酰胺水溶液在室溫下進(jìn)行混合，混合時(shí)間為3 h，合成過程中的pH保持不變。所得陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物需采用異丙醇進(jìn)行3次離心分離凈化，然后才能應(yīng)用于手抄片的制備。

2.2.3 手抄片的制備及其性能檢測(cè)

將陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物分別加入到體積分?jǐn)?shù)為0.15%的闊葉木漿和針葉木漿懸浮液中，復(fù)配物加入量為漿料絕干量的0.4%。手抄片按照TAPPI T 205 sp-95標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行制備，定量為60 g/m2，抄片使用水為自來水。在加入陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物前，漿料懸浮液的電導(dǎo)率需采用氯化鈣調(diào)節(jié)至0.5 mS/cm（自來水）或4 mS/cm，同時(shí)漿料的陽離子需求量也需采用木素磺酸鈉調(diào)節(jié)至 20 μeq/L（自來水）或 80 μeq/L。 手抄片物理性能檢測(cè)前需在23℃和50%的相對(duì)濕度條件下恒溫恒濕處理24 h。手抄片的干抗張強(qiáng)度（測(cè)量次數(shù)為5次）根據(jù)TAPPI T 494 om-88標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在手抄片上的留著量（測(cè)量次數(shù)為3次）以總氮含量計(jì)，并通過燃燒分析法進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)果和討論

3.1 陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的自留著和增強(qiáng)性能分析

根據(jù)前人介紹的方法，合成了3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物。通過基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜儀證明了通過移除氨基酸序列和肽而成功獲得糖結(jié)合單元，同時(shí)采用該儀器得到了糖結(jié)合單元的相對(duì)分子質(zhì)量，如圖1所示。

圖1 木瓜蛋白酶定點(diǎn)消化法分離出的糖結(jié)合單元的基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜圖

糖結(jié)合單元的N端以共價(jià)鍵的形式連接到陰離子聚丙烯酰胺的羰基上。EDC溶液作用下發(fā)生的糖結(jié)合單元自縮合反應(yīng)可忽略不計(jì)，這是因?yàn)殛庪x子聚丙烯酰胺的羰基官能團(tuán)數(shù)量要比糖結(jié)合單元的多很多。

圖2比較了3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物對(duì)闊葉木漿手抄片（a）和針葉木漿手抄片（b）相對(duì)抗張強(qiáng)度（圖中黑色柱）的影響以及3種復(fù)配物自身在手抄片中的留著情況（圖中白色柱）（下同）。圖中橫軸上“綠色木霉復(fù)配物”、“里氏木霉復(fù)配物”和“嗜熱棉毛菌復(fù)配物”分別表示“綠色木霉陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物”、“里氏木霉陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物”和“嗜熱棉毛菌陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物”（下同）。

圖2 3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物作用下的手抄片相對(duì)抗張強(qiáng)度及其自身在手抄片中的留著量

由圖2（a）可見，對(duì)于闊葉木漿，添加復(fù)配物在闊葉木漿所得手抄片的相對(duì)抗張強(qiáng)度較空白有顯著提高。綠色木霉和嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的自身留著率約在40%，而里氏木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的自身留著率則超過了80%。里氏木霉纖維素酶是眾所周知的用于水解固體纖維素的強(qiáng)力糖基水解酶，因此其在漿料纖維中與糖結(jié)合單元的高親和性在實(shí)驗(yàn)前已被估計(jì)到了。陰離子聚丙烯酰胺自身與漿料纖維沒有親和性，前人的研究已證實(shí)了這一點(diǎn)，同時(shí)證實(shí)了陰離子聚丙烯酰胺既沒有留著在紙張中，也沒用對(duì)紙張起到增強(qiáng)作用。陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物中的糖結(jié)合單元組分與漿料纖維表面進(jìn)行作用，糖結(jié)合單元和纖維素鏈之間形成氫鍵，從而提高了紙張的強(qiáng)度。然而，造紙助劑在紙張上的留著與紙張強(qiáng)度不一定總是相對(duì)應(yīng)。圖2中里氏木霉所對(duì)應(yīng)的陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物就出現(xiàn)了這種情況。

圖2（b）顯示了不同陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物對(duì)針葉木漿手抄片相對(duì)抗張強(qiáng)度的影響以及不同種復(fù)配物自身在手抄片中的留著情況。添加綠色木霉和嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在闊葉木漿手抄片的相對(duì)抗張強(qiáng)度較空白有顯著提高[圖2（a）]。另一方面，嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在針葉木漿手抄片上留著很少，從而致使相應(yīng)的手抄片強(qiáng)度提高不明顯。漂白硫酸鹽漿的纖維主要由纖維素組成，但表面也會(huì)殘留少量的半纖維素。纖維表面組成取決于木材的來源。闊葉木漿料中的半纖維素有90%左右是由β-1，4鏈木糖主鏈上被乙?；?、阿糖和葡萄糖醛酸側(cè)鏈木聚糖酶取代后所得到的木聚糖酶。葡甘聚糖是針葉木半纖維素的主要組成部分，在硫酸鹽制漿過程中大部分被移除。本研究中，通過X射線光電子能譜來檢測(cè)闊葉木漿和針葉木漿表面組分中C—O基團(tuán)和O—C—O基團(tuán)的基團(tuán)比，證明了闊葉木漿中的戊糖組分含量較針葉木漿的多（圖3所示）。檢測(cè)到的所有能譜結(jié)合能都是在285.0 eV下的基準(zhǔn)信號(hào)（未氧化的C—C和/或C—H）。葡萄糖和木糖的C—O/O—C—O的理論值分別為5和4。

圖3 漿料纖維表面的X射線光電子能譜C1窄區(qū)域譜圖

木聚糖酶一定會(huì)優(yōu)先吸附在木聚糖上，因此可以推測(cè)正是嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物與闊葉木纖維的半纖維素進(jìn)行作用而使得其獲得了高留著量和提高了紙張強(qiáng)度。

3.2 陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在受污染的濕部系統(tǒng)中的作用

在漿料處于高電導(dǎo)率（氯化鈣調(diào)節(jié)至4 mS/cm）或高陽離子需求量（木素磺酸鈉調(diào)節(jié)至80 μeq/L）的濕部條件下，進(jìn)行了闊葉木漿和針葉木漿手抄片的制備。圖4為在添加綠色木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物條件下，漿料電導(dǎo)率和陽離子需求量對(duì)闊葉木漿手抄片（a）和針葉木漿手抄片（b）相對(duì)抗張強(qiáng)度以及復(fù)配物的留著性能的影響。

圖4 漿料的電導(dǎo)率和陽離子需求量對(duì)綠色木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物作用下的手抄片相對(duì)抗張強(qiáng)度和復(fù)配物留著量的影響

從圖4（a）可以看出，闊葉木漿手抄片的相對(duì)抗張強(qiáng)度和復(fù)配物在手抄片上的留著量變化都不大，這與先前的研究結(jié)果是一致的。另外，綠色木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在針葉木漿料中的應(yīng)用效果較差，這主要是由于較高的濕部污染（電導(dǎo)率的影響是主因）所致，如圖4（b）所示。

圖5為在添加里氏木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物條件下，漿料電導(dǎo)率和陽離子需求量對(duì)闊葉木漿手抄片（a）和針葉木漿手抄片（b）相對(duì)抗張強(qiáng)度以及復(fù)配物的留著性能的影響。

圖5 漿料的電導(dǎo)率和陽離子需求量對(duì)里氏木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物作用下的手抄片相對(duì)抗張強(qiáng)度和復(fù)配物留著量的影響

從圖5（a）和圖5（b）可以看出，闊葉木漿手抄片的抗張強(qiáng)度和復(fù)配物在其上的留著量都變少了，而針葉木漿手抄片相應(yīng)變化不大?？梢?，里氏木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物較嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)復(fù)配物對(duì)針葉木漿料更有效，這也是很有趣的現(xiàn)象。纖維素的降解與纖維素酶的表觀活力是有關(guān)系的。因此，本研究中，陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的特殊性能很可能緣于不同糖基水解酶條件下的糖結(jié)合單元的內(nèi)在作用。

最后，研究了在添加嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物條件下，漿料電導(dǎo)率和陽離子需求量對(duì)闊葉木漿手抄片圖6（a）和針葉木漿手抄片圖6（b）相對(duì)抗張強(qiáng)度以及復(fù)配物的留著性能的影響。

圖6 漿料的電導(dǎo)率和陽離子需求量對(duì)嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物作用下的手抄片相對(duì)抗張強(qiáng)度和復(fù)配物留著量的影響

從圖6可以看出，無機(jī)鹽離子和陰離子垃圾的加入對(duì)手抄片的抗張強(qiáng)度及復(fù)配物的留著都有負(fù)面影響。因此，嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物對(duì)濕部污染是比較敏感的。結(jié)果表明，該復(fù)配物并沒有留著在針葉木漿手抄片上，即使是在自來水抄片條件下，該復(fù)配物的留著也很少。有報(bào)道稱，木聚糖與木聚糖酶之間的結(jié)合對(duì)pH和離子強(qiáng)度等靜電條件是很敏感的。因此嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物可能直接受到了濕部系統(tǒng)污染的影響而破壞了其與漿料纖維的親和力，從而導(dǎo)致手抄片的強(qiáng)度性能降低了。

盡管今后仍繼續(xù)加強(qiáng)研究以進(jìn)一步闡明陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的留著機(jī)理并同時(shí)評(píng)價(jià)更多的紙張性能指標(biāo)（如游離度、撕裂強(qiáng)度等），但是陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在不同漿料中和不同濕部條件下的作用性能是不同的，這一點(diǎn)通過本研究中的手抄片實(shí)驗(yàn)已被證實(shí)。本實(shí)驗(yàn)所涉及到的3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物中，綠色木霉所對(duì)應(yīng)的陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在闊葉木漿手抄片中體現(xiàn)了最佳的增強(qiáng)性能；里氏木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物則與針葉木纖維有很好的親和性；而嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物則只適用于未被污染的濕部系統(tǒng)中。這些結(jié)論說明陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物的功能特性很大程度上取決于糖結(jié)合單元的種類來源。這也拓寬了糖結(jié)合單元與聚合物形成的復(fù)配物的設(shè)計(jì)思路，從而有望進(jìn)一步發(fā)揮其作為造紙助劑的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

（1）糖結(jié)合單元可通過EDC縮合反應(yīng)與陰離子聚丙烯酰胺（與漿料纖維沒有親和性）進(jìn)行復(fù)配。所得復(fù)配物表現(xiàn)出了較好的自留著性能和紙張?jiān)鰪?qiáng)性能。

（2）不同的糖結(jié)合單元與陰離子聚丙烯酰胺所組成的復(fù)配物表現(xiàn)出了不同的留著性能，這主要取決于不同性質(zhì)的酶和漿料纖維的結(jié)合，而其中的內(nèi)在原因很可能表現(xiàn)在這些酶與碳水化合物的親和性上。

（3）綠色木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在闊葉木漿料中顯示出了較好的自留著性能，從而提高了紙張的抗張強(qiáng)度。在被污染的濕部系統(tǒng)中，該復(fù)合物依然起到了較好的應(yīng)用效果。另外，里氏木霉所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物在針葉木漿料中表現(xiàn)出了較好的適用性。而嗜熱棉毛菌所對(duì)應(yīng)陰離子聚丙烯酰胺-糖結(jié)合單元復(fù)配物則只適用于純凈的濕部系統(tǒng)中，并且對(duì)闊葉木漿的作用效果要優(yōu)于針葉木漿。

（王亮 編譯）