耐熱耐堿聚木糖酶預(yù)處理對麥草漿ECF漂白的影響

戴 鎧 翟華敏

（南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇南京，210037）

隨著纖維資源的日益緊缺，麥草作為一種重要的非木材纖維原料越來越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的麥草制漿和漂白會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境問題。深度脫木素、無元素氯（ECF）、全無氯（TCF）漂白技術(shù)的發(fā)展，減輕了麥草制漿的環(huán)境污染，且提高了漿料質(zhì)量［1］。但隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，現(xiàn)有的麥草漿漂白生產(chǎn)依然存在污染問題。近幾年，制漿造紙生物技術(shù)如生物酶制漿［2］、漿料輔助漂白［3］、漿料脫墨［4］、輔助磨漿和纖維改性［5］等得到了發(fā)展。聚木糖酶由于其固有的優(yōu)點，在漿料輔助漂白應(yīng)用方面得到廣泛的研究，且已工業(yè)化應(yīng)用。

自Viikari L.［6］等首次提出，采用聚木糖酶對硫酸鹽漿進行預(yù)處理可改善漿料的漂白性能之后，人們對聚木糖酶在漿料生物助漂中的應(yīng)用進行了諸多研究［7］。聚木糖酶處理可減少漂白化學(xué)品的用量、降低漂白廢水中可吸附有機鹵化物（AOX）的含量，并可提高漿料的白度和白度穩(wěn)定性。然而，大多數(shù)聚木糖酶在pH值5～6、溫度50～60℃的環(huán)境或較高的溫度（80℃），但pH值在弱酸性范圍［8］的環(huán)境下才能保持活性。而工業(yè)制漿環(huán)境往往不適宜聚木糖酶的存活，因此，常常是聚木糖酶在實驗室的實驗效果很好，但工業(yè)應(yīng)用時效果不明顯，甚至失敗。王楚等研究了耐熱耐堿聚木糖酶輔助馬尾松硫酸鹽漿的漂白［9］。結(jié)果表明，耐熱耐堿聚木糖酶不僅能改善漿料漂白性能，而且可以降低用氯量。聚木糖酶預(yù)處理是改善漿料無元素氯（ECF）和全無氯（TCF）漂白效果的重要方法［10］。但至今尚未見國內(nèi)有關(guān)高純度耐熱耐堿聚木糖酶預(yù)處理對麥草漿漂白工藝及其機理的詳細報道。

本實驗旨在揭示高純度耐熱耐堿聚木糖酶對麥草漿預(yù)處理的選擇性和對ECF漂白（D0ED1D2漂序）的影響。

1 實驗

1.1 漿料

麥草Soda-AQ漿，實驗室自制，卡伯值為13.5，黏度26.6mPa·s，己烯糖醛酸（HexA）含量為20.4μmol/g絕干漿，白度37.8％。

1.2 聚木糖酶特性

高純度耐熱耐堿聚木糖酶酶活參照文獻［11］的方法，在溫度80℃，pH值8.0條件下測定。聚木糖酶酶活為1411IU/mL，內(nèi)切葡聚糖酶酶活為2.082IU/mL，未檢測出漆酶和濾紙酶酶活。

1.3 聚木糖酶預(yù)處理麥草漿

聚木糖酶預(yù)處理麥草漿在聚乙烯塑料袋中進行，漿料和經(jīng)適當(dāng)稀釋的聚木糖酶酶解液在塑料袋中混合均勻，恒溫水浴加熱，反應(yīng)過程中每隔15min搓揉1次，以保證漿料與酶解液均勻混合。處理條件為80℃，pH值8.0，預(yù)處理時間2h，漿濃10％，酶用量0～10IU/g（對絕干漿而言）。處理結(jié)束后，過濾出酶解殘液，洗凈漿料，分析有關(guān)參數(shù)。

1.4 漿料漂白

本實驗采用D0ED1D2漂白流程，卡伯因子為0.21，各段漂白參數(shù)見表1。漂白處理在聚乙烯塑料袋中進行，結(jié)束后洗凈漿料，平衡水分后測定漿料性能。

表1 ECF漂白工藝參數(shù)

1.5 漿料分析

漿料卡伯值、黏度和白度分別參照TAPPI T236cm—1999、TAPPI T230om—2004和TAPPI T452 om—2002測定。

1.6 紙樣返黃值測定

將測定過白度的紙樣在105℃下于烘箱中老化3h后，重新測定白度。按下式計算紙樣返黃值。

式中，R1為紙樣老化前的白度，R2為紙樣老化后的白度。

1.7 酶解殘液分析

酶解殘液中還原糖含量采用DNS法分析［11］，木素降解產(chǎn)物用紫外分光光度法測量［12］。

1.8 己烯糖醛酸含量測定

己烯糖醛酸含量采用氯化汞-醋酸鈉水解法［13］測定。取0.05g絕干漿，加入10mL氯化汞-醋酸鈉溶液，在60℃下水解60min。處理液冷卻后，過濾，以酶解殘液為參照，測定在260和290nm下的紫外吸光度，用下式計算己烯糖醛酸（HexA）含量。

式中，A260、A290為酶解殘液分別在260和290nm處的紫外吸光度；V為酶解殘液體積，mL；W為絕干漿質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚木糖酶預(yù)處理

酶預(yù)處理時，漿料得率損失越小、卡伯值降低越多而黏度下降越少，酶預(yù)處理對漿料后續(xù)可漂性的改善越大，則酶預(yù)處理的選擇性越高。高純度耐熱耐堿聚木糖酶預(yù)處理對麥草漿性能的影響見表2。

2.1.1 酸預(yù)處理對脫木素選擇性的影響

表2 聚木糖酶預(yù)處理對麥草漿性能的影響

聚木糖酶預(yù)處理對碳水化合物的影響如表2所示。由表2可知，隨著聚木糖酶用量的增加，漿料得率下降較多，但黏度基本不變。當(dāng)聚木糖酶用量為1.0IU/g時，聚木糖酶預(yù)處理漿得率為95.5％，黏度為25.2mPa·s，較對照漿（未經(jīng)聚木糖酶預(yù)處理漿）下降不多；當(dāng)聚木糖酶用量從4.0IU/g增加至6.0IU/g時，聚木糖酶預(yù)處理漿得率從94.2％下降至92.1％，而黏度基本不變。表2的酶解殘液中還原糖含量變化趨勢也說明有較多的碳水化合物降解溶出。與高純度耐熱耐堿聚木糖酶預(yù)處理木漿比較可知，在相同的酶用量下，酶處理后草漿得率比木漿低，而黏度變化率基本相同。漿料黏度變化結(jié)果表明，高純度耐酸耐堿聚木糖酶對漿料半纖維素具有較高的選擇性，不會降解纖維素。漿料得率變化規(guī)律和前人研究表明［15］，聚木糖酶容易降解纖維表面的半纖維素，增加纖維的潤脹和多孔性，并進入纖維內(nèi)部切斷木糖鏈，同時由于麥草比針葉木有更多的半纖維素，所以酶處理草漿得率較木漿低，而且過多的酶用量造成半纖維素的過度降解而導(dǎo)致漿料得率下降較多。然而，通過改變酶用量可一定程度調(diào)節(jié)聚木糖酶預(yù)處理的選擇性。

聚木糖酶預(yù)處理對木素溶出的影響如表2所示。由表2可知，聚木糖酶處理后漿料的卡伯值呈下降趨勢。酶用量為1.0IU/g時，漿料得率為95.5％，卡伯值比對照漿降低了16.3％；當(dāng)酶用量為4.0IU/g時，卡伯值比對照漿降低了23.7％，得率下降到94.2％；當(dāng)酶用量高于6.0IU/g時，卡伯值變化較小，而漿料得率進一步下降。酶解殘液中紫外吸光度（A205）的變化趨勢可以進一步證實，隨酶用量的增加，在半纖維素降解的同時伴隨堿易溶木素的溶出（見表2）。與木漿比較可知，在相同的酶用量下，草漿酶處理后，草漿卡伯值變化幅度與闊葉木漿相似，比針葉木漿變化大?？ú档拇笮∨c漿料中木素、己烯糖醛酸含量有關(guān)，由于使用的是高純度聚木糖酶，所以木素的溶出主要是由于酶處理造成纖維結(jié)構(gòu)疏松［9］，纖維中的小分子易溶木素在堿性條件下的物理溶出。此外，有研究表明，聚木糖酶可能會切斷漿料中木素-碳水化合物復(fù)合體的某些連接鍵，使小分子木素或碎片被釋放［16］。由上述分析可知，酶處理漿料得率的損失主要由于高純度聚木糖酶專一降解了漿料的半纖維素，同時由于酶處理引起的漿料結(jié)構(gòu)疏松，部分纖維表面易溶和低分子質(zhì)量的木素降解溶出導(dǎo)致。當(dāng)酶用量高于6.0IU/g時，可能由于酶處理增加了纖維的潤脹和多孔性，有較多的酶進入纖維內(nèi)部降解聚木糖，導(dǎo)致漿料得率進一步下降。

2.1.2 對己烯糖醛酸含量的影響

聚木糖酶預(yù)處理對漿料己烯糖醛酸含量的影響如表2所示。由表2可知，聚木糖酶預(yù)處理明顯降低了漿料的己烯糖醛酸含量，當(dāng)聚木糖酶用量為4.0IU/g時，漿料的己烯糖醛酸含量比對照漿降低了31.9％。當(dāng)聚木糖含量達6.0IU/g時，繼續(xù)增加聚木糖酶用量，己烯糖醛酸含量變化較小。與木漿比較可知，在相同的酶用量條件下，麥草漿己烯糖醛酸含量變化與闊葉木漿相似，但比針葉木漿大。由于聚木糖酶預(yù)處理降解了聚木糖和低分子質(zhì)量物質(zhì)，以及蒸煮產(chǎn)生的己烯糖醛酸等，使得漿料得率和卡伯值均降低?？ú荡笮∨c漿料木素和己烯糖醛酸含量有關(guān)，由酶解殘液中紫外吸光度的變化可知，當(dāng)酶用量高于1.0IU/g時，木素的溶出趨于穩(wěn)定，此時漿料的卡伯值隨酶用量的增加依然有所降低，這主要是由于酶處理降低了漿料的己烯糖醛酸含量，己烯糖醛酸含量的降低會造成漿料卡伯值的下降，同時能夠減少后續(xù)漂劑的消耗量［17］。

2.2 聚木糖酶預(yù)處理對ECF漂白麥草漿性能的影響

2.2.1 聚木糖酶預(yù)處理對各段漿料白度的影響

圖1 酶預(yù)處理對D0ED1D2各段漿料白度的影響

對照漿和聚木糖酶預(yù)處理漿經(jīng)D0ED1D2漂白后各段白度變化如圖1所示。從圖1可以看出，與對照漿經(jīng)D0ED1D2漂后各段的白度相比，聚木糖酶預(yù)處理后的麥草漿經(jīng)D0ED1D2漂白后各段的白度均有所提高。聚木糖酶預(yù)處理漿在D0漂段的白度隨酶用量的增加而增加。當(dāng)聚木糖酶用量為2.0IU/g和4.0IU/g時，聚木糖酶預(yù)處理漿在D0漂段的白度分別為64.6％和65.8％，比對照漿分別提高了3.3個百分點和4.5個百分點；聚木糖酶用量為2.0IU/g和4.0IU/g的漿料在E段的白度比對照漿分別提高了5.3個百分點和6.2個百分點；聚木糖酶用量為2.0IU/g和4.0IU/g的漿料在D1漂段的白度比對照漿分別提高了1.1個百分點和2.1個百分點，白度增加趨勢變緩。當(dāng)酶用量為2.0IU/g和4.0IU/g時，聚木糖酶預(yù)處理漿在D2漂段的白度分別達到了89.5％和89.9％，比對照漿分別提高了2.3個百分點和2.7個百分點。這樣的結(jié)果可能是由于聚木糖酶預(yù)處理增加了漿料的多孔性，有利于各段漂劑滲透、反應(yīng)和滲出所致。

2.2.2 聚木糖酶預(yù)處理對終漂漿性能的影響

對照漿和聚木糖酶預(yù)處理漿經(jīng)D0ED1D2漂白后終漂漿的性能如表3所示。由表3可知，聚木糖酶預(yù)處理終漂漿的得率隨酶用量的增加而有所降低，黏度變化不大，這是由于使用的聚木糖酶純度高，沒有降解纖維素，所以漿料黏度變化不大。當(dāng)酶用量為4.0IU/g時，聚木糖酶預(yù)處理終漂漿白度接近90％。聚木糖酶預(yù)處理增加了漂劑的可及度，從而達到較好的助漂效果。紙張的返黃值與原料、制漿方法和漂白工藝等相關(guān)，同時草漿中的雜細胞含量會影響漿料的返黃值。比較對照漿與聚木糖酶預(yù)處理漿經(jīng)D0ED1D2漂白后終漂漿的返黃值可知，終漂漿的返黃值隨酶用量的增加而略有降低，可能由于聚木糖酶處理減少了漿料中細小纖維和雜細胞的含量［4］，有利于提高漿料白度穩(wěn)定性。

表3 聚木糖酶預(yù)處理對終漂漿性能的影響

2.3 聚木糖酶預(yù)處理對漂劑用量的影響

采用4.0IU/g的酶用量，參照1.3條件對麥草漿進行預(yù)處理。分別將D0段的ClO2用量減少0、5％、10％、15％、20％、25％和30％（相對于對照漿D0段ClO2的用量），利用表1條件進行漂白，以對照漿的終漂白度為基準(zhǔn)，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，將D0段的ClO2用量減少23.5％（相當(dāng)于節(jié)省漂白過程總ClO2用量的14％），聚木糖酶預(yù)處理終漂漿也能達到對照漿經(jīng)D0ED1D2漂白后的白度（87％）。原因可能是聚木糖酶預(yù)處理后，纖維得到了潤脹疏松，纖維表面的半纖維素降解溶出，增加了纖維的多孔性，利于漂液的滲透，創(chuàng)造了良好的漂白環(huán)境［18］。因此，在達到相同白度時，高純度耐酸耐堿聚木糖酶預(yù)處理可降低漂劑用量。有研究表明，聚木糖酶處理可有效地減少漂白工段AOX的生成［19］，達到降低環(huán)境負荷和節(jié)約生產(chǎn)成本的目的［7］。

圖2 酶預(yù)處理對D0段ClO2用量的影響

綜合考慮以上因素，耐熱耐堿聚木糖酶預(yù)處理麥草漿的較佳用量為2.0～4.0IU/g，此時聚木糖酶表現(xiàn)出了較好的助漂效果，同時也表明此種聚木糖酶對堿性和高溫有良好的適應(yīng)性，具有較高的工業(yè)應(yīng)用潛力。

3 結(jié)論

3.1 高純度耐熱耐堿聚木糖酶預(yù)處理麥草漿經(jīng)D0ED1D2漂白后，各段白度均明顯比未經(jīng)聚木糖酶預(yù)處理漿的高，用1.0IU/g的聚木糖酶預(yù)處理即可達到一定的助漂效果。

3.2 在相同漂劑用量下，聚木糖酶預(yù)處理（X）可明顯提高D0ED1D2終漂漿的白度，或在達到相同白度時明顯節(jié)省漂劑用量。當(dāng)采用XD0ED1D2漂白程序，聚木糖酶用量4.0IU/g、卡伯因子0.21時，終漂漿白度可達近90％，較未經(jīng)聚木糖酶預(yù)處理終漂漿的白度高近3個百分點；當(dāng)漂到相同白度（87％）時，聚木糖酶預(yù)處理可減少D0段的ClO2用量23.5％（約相當(dāng)于節(jié)約14％的總ClO2用量）。

3.3 高純度耐熱耐堿聚木糖酶預(yù)處理可專一地降解半纖維素、一定程度脫除木素和己烯糖醛酸，由此引起纖維特性變化是其改善漂白性能的主要原因。較高的溫度和pH值（80℃和pH值8.0）、較寬的酶用量（1.0～4.0IU/g）范圍，使該聚木糖酶具有工業(yè)應(yīng)用前景。

［1］陳嘉川，龐志強.中國非木材制漿現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中華紙業(yè)，2008，29（22）：8.

［2］Pratima B.Use of enzymes for reduction in refining energy laboratory studies［J］.Tappi J.，2006（11）：85.

［3］毛連山，余世袁.木聚糖酶在紙漿漂白中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀［J］.中國造紙學(xué)報，2006，21（3）：93.

［4］Drnovsek T.Improvement in papermaking properties of xylanase-pretreated bleached recycled fibers［J］.Prog.Pap.Recycl.，1997，7（1）：32.

［5］Lumme M S，Mansfield S D，Saddler J N.The effects of hydrolytic enzyme treatments of 3 British Columbian interior fir kraft pulps differing in their initial fiber coarseness［J］.Wood Fiber Sci.，1999，31（4）：385.

［6］Viikari L，Runua M，Kantelinen A.Bleaching with enzymes，Biotechnology in pulp and paper industry［C］//Proceeding of 3rd International Conference on Biotechnology in the Pulp and Paper Industry.Stockholm（Sweden），1986.

［7］王治艷，陳嘉川，楊桂花.木聚糖酶用于麥草漿ECF漂白的研究［J］.中國造紙學(xué)報，2010，25（1）：5.

［8］Jacques G，F(xiàn)rederic D L，Joste L B，et al.An additional aromatic interaction improves the thermpostability and thermophilicity of a mesophilic family 11 xylanase：structural basis andmolecular study［J］.Protein.Sci.，2000，9（3）：446.

［9］王 楚，翟華敏，劉婧怡，等.耐熱耐堿聚木糖酶對馬尾松KP漿的助漂性能［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，34（3）：31.

［10］Raghukumar C，Muraleedharan U，Gaud V R，et al.Xylanases of marine fungi of potential use for biobleaching of paper pulp［J］.J.Ind.Microbiol.Biot.，2004，31（9）：433.

［11］Bailey M J.A note on the use of dinitrosalicylic acid for determining the products of enzymatic reactions［J］.Appl.Microbiol.Biotechnol.，1988，29（5）：494.

［12］Gupta S，Bhushan B，Hoondal G S.Isolation，purification and characterization of xylanase fromStaphylococcussp.SG-13 and its application in biobleaching of kraft pulp［J］.J.Appl.Microbiol.，2000，88（2）：325.

［13］Chai X S，Zhu J Y，Li J.A simple and rapid method to determine hexeneuronic acid groups in chemical pulps［J］.J.Pulp.Pap.Sci.，2001，27（5）：165.

［14］王 楚.耐熱耐堿聚木糖酶輔助ECF漂白特性及機理研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2010.

［15］Lei Xiaochun，Lin Lu，Li Kecheng.Effect of xylanase pretreatment of wood chips on fiber separation in the CTMP refining process［J］.BioResources，2008，3（3）：801.

［16］Valls C，Roncero M B.Using both xylanase and laccase enzymes for pulp bleaching［J］.Bioresour.Technol.，2009，100：2032.

［17］Valls C，Roncero M B.The role of xylanases and laccases on hexenuronic acid and lignin removal［J］.Envir.Sci.Technol.，2010，45：425.

［18］Taneja K，Gupta S，Kuhad R C.Properties and application of a partially purified alkaline xylanase from an alkaophilic fungusAspergillus nidulansKK-99［J］.Bioresour.Technol.，2002，85（1）：39.

［19］孫慶賀，趙 建，張 召，等.木聚糖酶預(yù)處理對麥草化學(xué)漿漂白廢水污染負荷的影響［J］.中國造紙學(xué)報，2008，23（1）：26.