酶在廢紙脫墨方面的應用現(xiàn)狀

龔 艷，張 熙，韓雙艷，林 影

(華南理工大學生物科學與工程學院，廣東 廣州 510006)

近年來，由于資源短缺和環(huán)境污染等原因，廢紙的回收利用受到了越來越多的關注，廢紙回收率逐步上升，廢紙再生工藝不斷改革。廢紙再生的關鍵步驟是廢紙的脫墨[1]。目前，用于脫墨的廢紙主要是廢舊新聞紙(ONP)、廢舊雜志紙(OMG)和混合辦公廢紙(MOW)。隨著印刷技術的發(fā)展，廢紙脫墨的難度越來越大。廢紙脫墨的主要方法有化學法和生物酶法。

傳統(tǒng)的化學法脫墨通常使用氫氧化鈉、硅酸鈉和雙氧水來處理廢紙[2]，使油墨在強堿等化學作用力和機械作用力下從纖維的表面脫落，然后通過洗滌或浮選或兩者相結合的方式將油墨除去，雖然應用廣泛，但存在紙張發(fā)黃、紙張強度下降、脫墨效果不佳、環(huán)境污染嚴重等諸多缺點[3]。生物酶法脫墨是利用酶處理廢紙紙漿，并輔以浮選或洗滌，從而除去油墨，是一項環(huán)境友好的新型脫墨技術[4]，酶在脫墨過程中起著生物催化的作用。相比于化學法脫墨，酶法脫墨具有效果好、范圍廣、能耗少、污染輕、成本低等顯著優(yōu)勢，既可以減輕大量使用化學品而造成的環(huán)境污染，又可以提高紙漿的抄造性能[5]，是一種潛力很大的廢紙脫墨方法，已成為國內外廢紙回用研究的熱點，有可能逐步取代傳統(tǒng)化學法而應用于工業(yè)生產[6]。

作者在此綜述了生物酶法脫墨的機理、工藝、應用，分析了其優(yōu)點和不足，并展望了其發(fā)展前景。

1 廢紙脫墨工藝

脫墨是通過脫墨劑和機械力等作用，使油墨顆粒與纖維分離,并從紙漿中除去，得到新鮮紙漿的工藝過程[7]。目前，實驗室采用的廢紙脫墨工藝主要包括碎紙、碎漿、浮選、抄紙4大步驟。其中，碎紙是對廢紙的預處理，一般流程是陳化、撕碎和浸泡；碎漿是對廢紙進行機械處理、化學或生物試劑處理，將廢紙碎裂成為紙漿，將纖維上的油墨剝離并分散；浮選是將油墨和紙纖維進行分離，利用添加表面活性劑產生的穩(wěn)定泡沫將紙漿中分散的油墨帶走，得到干凈的纖維；最后在抄紙機上進行抄紙。

2 生物酶法脫墨機理

2.1 纖維素酶/半纖維素酶的脫墨機理

纖維素酶和半纖維素酶是最常用的廢紙脫墨酶。一個完整的纖維素酶系通常由作用方式不同而能相互協(xié)同催化水解纖維素的三類酶組成,即內切葡萄糖苷酶(內切酶)、外切葡萄糖苷酶(外切酶)和β-葡萄糖苷酶。一般來說，內切酶隨機地水解無定形纖維素,釋放纖維寡糖；外切酶水解纖維寡糖以及結晶度高的纖維素,從纖維素鏈釋放纖維二糖；β-葡萄糖苷酶主要水解纖維二糖和纖維寡糖，產生葡萄糖[8]。

類似于纖維素酶，半纖維素酶的作用底物是半纖維素，主要以木聚糖酶為主，包括內切木聚糖酶、外切木聚糖酶和木糖苷酶3種。酶解產物是各種低聚糖和少量葡萄糖。

因為纖維素酶和半纖維素酶的復雜性，它們的脫墨機理尚不完全清楚，一些學者根據(jù)自己的實驗結果提出了推測性的假說。Zeyer等[9,10]提出，機械作用導致纖維表面纖維素鏈的破壞，使油墨與纖維素結合部位突起，提高了酶對纖維的可及度，因此酶的水解作用可以輕易使油墨從纖維上脫離。Jefferies[11]認為，酶的作用實際上可能只是一種間接作用，僅增加了油墨顆粒的疏水性，從而改善了紙漿的自由度，使表層纖維疏松，脫墨變得容易。有實驗證實，半纖維素酶在促進廢舊新聞紙的脫墨時伴隨著木質素的釋放，從而推測半纖維素酶主要是通過破壞木質素-碳水化合物的連接鍵，從而釋放木質素，油墨隨之脫除。

由此可見，纖維素酶和半纖維素酶主要是破壞了油墨附著纖維層與下層纖維之間的連接作用，從而達到了脫除油墨的目的。

2.2 漆酶的脫墨機理

漆酶(Laccase)是一種木質素降解酶，分為漆樹漆酶和真菌漆酶，廣泛分布于真菌分泌物、高等植物等體內[12]。漆酶能夠在氧氣存在的條件下選擇性催化氧化木質素。木質素是造紙原料木材的主要成分之一，漆酶通過降解木質素來切斷油墨粒子和纖維的連接，從而分離油墨和纖維。

由于漆酶的氧化還原電位較低(對標準氫電極約300～800 mV)[13]，單獨使用時活性很低，反應緩慢，而且不能氧化降解在木質素結構中占大多數(shù)的非酚型結構單元。但是，在有氧氣和介體存在時，漆酶具有了氧化非酚型結構的能力。漆酶在介體(以ABTS為例)和氧氣存在的條件下通過氧、漆酶、介體和木質素之間的氧化循環(huán)來完成脫木質素或漂白的過程(圖1)。

圖1 漆酶和介體共同作用氧化木質素

溶液中的氧首先氧化漆酶，氧化的漆酶再氧化介體使其成為共介體，共介體的尺寸較小，能夠擴散到紙漿中氧化木質素，其中介體的作用十分重要。理想的介體必須是漆酶的良好底物，它的氧化態(tài)和還原態(tài)必須是穩(wěn)定的，而且又不影響漆酶的反應；另外，介體氧化還原的轉化必須是循環(huán)的[14]。常用的介體是一些酚類化合物和雜環(huán)化合物，如卟啉類化合物等。

2.3 脂肪酶的脫墨機理

脂肪酶是一類廣泛存在于多種微生物中的生物催化劑，其天然作用底物為三酰甘油酯，能夠將酯鍵水解，釋放甘油二酯、甘油一酯、甘油以及游離脂肪酸[15]。脂肪酶是重要的工業(yè)酶制劑品種之一，可以催化解脂、酯交換、酯合成等反應。

近年來，脂肪酶在廢紙脫墨等方面的新用途也逐漸發(fā)展起來。脂肪酶可以直接進攻油墨的連結料，使其降解，使油墨從纖維中分離出來。脂肪酶的催化活性中心是由絲氨酸(Ser)、組氨酸(His)和谷氨酸(Glu)或天冬氨酸(Asp)構成的三聯(lián)體組合[16]，它們之間由氫鍵相連。正常情況下，絲氨酸蛋白酶暴露在表面，而脂肪酶活性中心隱藏在內，表面被疏水氨基酸殘基形成的α螺旋結構覆蓋，對三聯(lián)體起到保護作用[17]。當脂肪酶與反應界面接觸時，表面蓋型結構(圖2)打開，疏水殘基、活性位點暴露，脂肪酶處于活化構象[18]，可以進行催化反應。

圖2 脂肪酶蓋型結構的關閉(a)和開啟(b)

脂肪酶對處于溶解狀態(tài)下的底物幾乎沒有活性，當?shù)孜餄舛戎饾u增加到超出其溶解度極限時，其活性明顯增加，這種現(xiàn)象被稱為“界面活化”，其分子基礎是酶分子的構象變化?！敖缑婊罨爆F(xiàn)象可以激發(fā)脂肪酶蓋型結構的開啟，從而使活性中心暴露出來。

脂肪酶的催化作用依賴“界面反應”，但在廢紙脫墨過程中，脂肪酶顆粒受到纖維素的連接力，不易形成明顯的反應界面，這也是脂肪酶脫墨尚需解決的問題。

3 生物酶法脫墨工藝及應用

3.1 生物酶法脫墨工藝

3.1.1 表面活性劑的篩選

脫墨過程中浮選需要添加表面活性劑來改變油墨的表面活性，起到潤濕、分散的作用，并產生一定量的泡沫，使油墨粒子附聚在泡沫上，浮至液體表面。因此，利用表面活性劑產生數(shù)量多且穩(wěn)定性好的泡沫是提高脫墨效率的關鍵[19]，影響浮選脫墨表面活性劑起泡性能的主要因素是液膜的強度，這與粘度有關。通常表面粘度越大，泡沫越穩(wěn)定。此外，表面活性劑本身的結構、濃度也對泡沫的性能有很大影響。因此，通過表面活性劑的復配、改變表面活性劑的濃度和分子量，均可以提高表面活性劑的起泡性能和泡沫穩(wěn)定性，使脫墨效果更理想。

3.1.2 酶處理條件的影響

酶處理反應條件往往控制在酶的最適條件附近，溫度通常在40～60 ℃[20]，纖維素酶脫墨的pH值通常在5～8[21]，pH值超過8時反應活性下降；脂肪酶脫墨的pH值一般偏堿性，pH值在9左右時可以獲得最佳效果。

理論上來說，酶處理時間越長，反應越充分，脫墨效果越好。但是，處理時間過長，脫墨率增加較少,而裂斷長呈下降趨勢。Pélach等[22]指出，酶處理30 min時，脫墨效果較傳統(tǒng)脫墨法更好；如果延長酶與紙漿的接觸時間，效果不會有明顯提高。Viesturs等[23]指出，最佳酶處理時間為30 min。浮選階段已經(jīng)不需要酶反應，即可以升溫至70～80 ℃，從而促使油墨迅速分離。

溫度、pH值和酶處理時間對脫墨效果的影響不是簡單的線性規(guī)律，需要進一步深入研究。

3.1.3 復配酶的使用

使用一種酶的脫墨效果單一，多種酶共同使用可能會對脫墨產生有利影響。復配酶在脫墨過程中通過不同酶反應之間的互補和協(xié)調，有助于改良紙張性能、提高脫墨效率，減少酶的總用量，是酶法脫墨的一個重要研究方向。

徐清華等[24]利用纖維素酶、半纖維素酶與漆酶/介體協(xié)同對廢新聞紙進行脫墨實驗，與單獨使用纖維素酶、半纖維素酶和漆酶/介體的脫墨漿相比，復配酶脫墨漿的殘余油墨更低，紙張性能和白度均有所提高；另外，復配酶還可以節(jié)省酶的總用量。Marques等[25]發(fā)現(xiàn)，將從木聚糖環(huán)境中生長的AspergillusterreusCCMI 498以及纖維素環(huán)境中生長的TrichodermavirideCCMI 84中提取出的酶混合使用，脫墨效率較對照組提高24%。

3.2 生物酶法與其它工藝聯(lián)用

研究表明，生物酶法結合其它工藝如超聲波技術、紫外線照射技術、磁性吸附技術等，脫墨效果可得到進一步的提高。

伍紅等[26]將生物酶法與超聲波法相結合，由于超聲波會產生周期性的振動，使纖維之間產生摩擦，從而加快纖維表面上碳水化合物的水解速率，因此，生物酶法與超聲波法聯(lián)合比單純酶法的脫墨效率有所提高。

Sui等[27]采用酶法與紫外照射聯(lián)合法，有效解決了激光打印廢紙中含有的熱固樹膠難以去除的問題。纖維素在紫外線的照射下會發(fā)生部分裂解，從而提高了油墨脫除效率。

Gübitz等[28]研究了酶與磁性吸附相結合對廢紙漿的脫墨處理，在采用凝聚劑將碎解漿中的鐵磁顏料(氧化鐵)與非磁化顏料凝聚后(圖3)，脫墨效率可達90.8%，可代替浮選脫墨并達到良好的脫墨效果。

圖3 濕高強磁吸分離作用(WHIMS)脫墨過程示意圖

3.3 生物酶法脫墨的應用

近年來，以纖維素酶和半纖維素酶為生物酶的脫墨工藝已經(jīng)開始應用于工業(yè)生產，并逐漸摸索出最佳酶法脫墨條件和工藝[29]。而漆酶/介體和脂肪酶等酶法脫墨仍在試驗階段。

華南理工大學生物科學與工程學院研究發(fā)現(xiàn)了新的脂肪酶BSL[30]，經(jīng)該重組脂肪酶處理的脫墨漿比原漿白度提高近10% ISO，顯示了較強的脫墨能力。

4 結語

生物酶法脫墨以其良好的效果、廣泛的適用范圍、合理的能源消耗和廢物排放、較低的成本等顯著優(yōu)勢，得到了越來越多的重視，但作為一門新技術，尚有許多問題沒有解決：(1)酶的來源不夠廣泛，用于廢紙脫墨的酶尚未投入工業(yè)化生產；(2)脫墨效果不穩(wěn)定，原因可能是油墨粒子與纖維的連接力大，或者是酶難以進入其中進行反應[29]；(3)生物酶法脫墨對原料性質要求苛刻，由于供給工業(yè)用的廢紙品質多樣化，因此生物酶法脫墨的應用受到一定的限制[31]。盡管如此，相信隨著研究的不斷深入，生物酶法脫墨工藝必然會日趨完善，并勢必取代傳統(tǒng)化學脫墨法。

參考文獻：

[1] 萬金泉,李曉敏,馬譽文.生物酶脫墨的應用及其研究進展[J].上海造紙，2008，39(5)：23-28.

[2] Ken K Y.Enzymatic processing for pulp and paper manufacture:A review[J].Appita Journal，1999，52(6)：409-424.

[3] Magnin L，Delpech P，Lantto R.Potential of enzyme deinking[J].Progress in Biotechnology，2002,21：323-332.

[4] 任淑華,王志敏.舊雜志廢紙的化學法和酶法脫墨效果的探討[J].黑龍江造紙，2010,38(4)：5-9.

[5] 冀亞超,楊亞茹,王鐘林,等.生物酶脫墨劑在廢新聞紙脫墨生產線應用中試[J].造紙化學品，2010，22(3)：28-30.

[6] 顧幗華,鎖軍.廢紙浮選脫墨劑的研究[J].礦冶工程，2006，26(2):50-52.

[7] 翁美華,王海毅.化學法脫墨與酶法脫墨的對比[J].紙和造紙，2011，30(2)：21-22.

[8] 陳冠軍,秦夢華,曲音波,等.纖維素酶脫墨機理的研究進展[J].生物工程進展,2001,21(3):17-22.

[9] Zeyer Chr，Joyce T W，Rucker J W，et al.Enzymatic deinking of cellulose fabric：A model study for enzymatic paper deinking[J].Progress in Paper Recycling，1993，3(1):36-44.

[10] Zeyer Chr，Rucker J W，Joyce T W，et al.Cellulase enzymes：Enzymatic deinking of cellulose fabric[J].American Association of Textile Chemists and Colorists，1994，26(3):26-31.

[11] Jefferies T W.Comparison of enzyme enhanced with conventional deinking of xerographic and laser printed paper[J].Tappi Journal，1994，77(4)：173-182.

[12] 譚麗萍,徐清華.漆酶/介體氧化降解木素的應用及其機理研究進展[J].華東紙業(yè),2011,42(4)：30-33.

[13] Bourbonnais R，Paice M G.Demethylation and delignification of kraft pulp byTrametesversicolorlaccase in the presence of 2,2′-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate)[J].Applied Microbiology and Biotechnology，1992,36(6)：823-827.

[14] Johannes C，Majcherczyk A.Natural mediators in the oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons by laccase mediator systems[J].Applied Environmental Microbiology，2000，66(2)：524-528.

[15] Fariha Hasan，Aamer Ali Shah，Abdul Hameed.Industrial applications of microbial lipases[J].Enzyme and Microbial Technology，2006,39(2):235-251.

[16] Noble M E M,Cleasby A,Johnson L N.The crystal structure of triacylglycerol lipase fromPseudomonasglumaereveals apartially redundant catalytic aspartate[J].FEBS Letters，1993,331(1-2):123-128.

[17] Brady L，Brzozowski A M，Derewenda Z S，et al.A serine protease triad forms the catalytic center of a triacylglycerol lipase[J].Nature，1990,343(6260):767-770.

[18] 李燕,潘運國,連毅.微生物脂肪酶催化及其性質研究進展[J].糧食與油脂,2005,(10):15-17.

[19] 石良,張素風.浮選法脫墨中表面活性劑起泡性能研究進展[J].黑龍江造紙,2010,38(4):17-21.

[20] Heise O U，Unwin T P，Klungness J H.Industrial scale-up enzyme enhanced deinking of non-impact printed toners[J].Tappi Journal,1996，79(3)：207-212.

[21] Jackson L S，Joyce T W，Heitmann J A,et al.Enzyme activity recovery from secondary fiber treated with cellulose and xylanase[J].Journal of Biotechnology，1996，45(1):33-44.

[22] Pélach M A，Pastor F J，Puig J，et al.Enzymatic deinking of old newspapers with cellulose[J].Process Biochemistry，2003，38(7):1063-1067.

[23] Viesturs U，Leite M，Eisimonte M，et al.Biological deinking technology for the recycling of office waste papers[J].Bioresource Technology，1999，67(3):255-265.

[24] 徐清華,秦夢華,傅英娟.廢新聞紙纖維素酶、半纖維素酶與漆酶/介體協(xié)同脫墨作用[J].化工學報,2007,58(12):3152-3157.

[25] Marques S，Pala H，Alves L，et al.Characterisation and application of glycanases secreted byAspergillusterreusCCMI 498 andTrichodermavirideCCMI 84 for enzymatic deinking of mixed office wastepaper[J].Journal of Biotechnology，2003,100(3)：209-219.

[26] 伍紅,謝益民,賴燕明.彩色膠印新聞紙酶-超聲波協(xié)同脫墨的研究[J].廣東造紙,2000,(3):25-27.

[27] Sui Zhenying，Dong Shijin，Cui Xuejun,et al.Combined de-inking technology applied on laser printed paper[J].Chemical Engineering and Processing，2009,48(2):587-591.

[28] Gübitz G M，Mansfield S D，B?hm D，et al.Effect of endoglucanases and hemicellulases in magnetic and flotation deinking of xerographic and laser-printed papers[J].Journal of Biotechnology，1998,65(2-3):209-215.

[29] Leduc CéLine，Lanteigne-Roch Lisa-Marie，Daneault Claude.Use of enzymes in deinked pulp bleaching[J].Cellulose Chemistry and Technology，2011,45(9-10):657-663.

[30] 戴蘇,趙小蘭,林影,等.枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)堿性脂肪酶基因在畢赤酵母中的表達[J].生物技術通報，2012,(3):135-140.

[31] Pala H，Mota M，Gama F M.Enzymatic versus chemical deinking of non-impact ink printed paper[J].Journal of Biotechnology，2004,108(1):79-89.