生物酶在造紙工業(yè)綠色制造中的應(yīng)用

林影

華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

傳統(tǒng)制漿造紙工業(yè)中大量使用化學(xué)品。以木材纖維為原料的制漿造紙工業(yè)為例，為了溶解除去木質(zhì)素和半纖維素，釋放纖維素，利用化學(xué)法制漿時(shí)需要在木屑蒸煮制漿過程中大量使用氫氧化鈉、硫化鈉、亞硫酸鈉等化學(xué)品。使用廢紙為原料的制漿和脫墨過程，主要使用氫氧化鈉、硅酸鈉和表面活性劑等。在制漿漂白工段則主要使用含氯化合物、過氧化氫、臭氧等氧化劑。為了改善造紙工藝及紙漿性能，造紙過程還使用各種化學(xué)助留劑、增強(qiáng)劑、漿紗助劑及涂布膠粘劑等化學(xué)品，使得制漿造紙工業(yè)成為化學(xué)品使用及排放的主要輕工業(yè)之一。

隨著工業(yè)生物技術(shù)的不斷發(fā)展，新的酶分子逐步挖掘，高效的酶制劑發(fā)酵生產(chǎn)及應(yīng)用水平的不斷提升，如何提高酶制劑在制漿造紙工業(yè)的應(yīng)用效率、降低生產(chǎn)成本成為科學(xué)家與工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。近十年來，通過生物科學(xué)家與制漿造紙工程人員的協(xié)同，將酶制劑應(yīng)用于制漿造紙，并在生物制漿減少能耗、生物漂白及脫墨減少化學(xué)品及有害物質(zhì)的使用、利用酶的高效作用提高制漿濾水性、減少制漿角質(zhì)化以及加工過程中的樹脂和膠體的沉積等取得顯著性成果。本文對(duì)這些研究的結(jié)果給予介紹，期待對(duì)造紙酶制劑的開發(fā)與應(yīng)用有一定的啟發(fā)，助力制漿造紙工業(yè)綠色制造的發(fā)展。

1 制漿過程中酶的應(yīng)用

造紙工業(yè)中的制漿工段是通過機(jī)械和/或化學(xué)方法破壞植物細(xì)胞壁，去除木質(zhì)纖維素原料中 (包括：木材、年生草本植物或回收廢紙)纏繞著纖維素的木質(zhì)素及半纖維素等，使纖維素得到分離和利用。因此，造紙制漿工段需要消耗大量能量和化學(xué)品，同時(shí)可能對(duì)纖維素產(chǎn)生損害。

生物制漿是指通過產(chǎn)酶微生物或酶制劑對(duì)木質(zhì)纖維的預(yù)處理，破壞木質(zhì)素或半纖維素的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其在機(jī)械或化學(xué)制漿過程中的脫落速度，有利于纖維素的分離，同時(shí)達(dá)到減少能量和堿的消耗，縮短制漿時(shí)間，改善制漿質(zhì)量的目的。白腐菌含有豐富的漆酶，可以有效分解木質(zhì)纖維中的木質(zhì)素，更重要的是白腐菌作為擔(dān)子菌綱絲狀真菌，在木材等原材料混合培養(yǎng)預(yù)處理中能穿透木質(zhì)原材料釋放胞外酶，促進(jìn)木質(zhì)素分解，白腐菌已被廣泛應(yīng)用于生物制漿的研究[1-3]。日本神戶制鋼所應(yīng)用白腐菌在常溫常壓下分解木材成功制出優(yōu)質(zhì)紙漿，通過選定適宜溫度，可以分解 80%以上的木質(zhì)素，比一般化學(xué)制漿法成本降低了 50%。這種白腐菌對(duì)木質(zhì)素的脫除分解率極高，而對(duì)紙漿纖維中的纖維素分解極少，這樣可使紙漿得率高達(dá)60%，超過化學(xué)法得漿率，木材的消耗量可節(jié)約1/9。但白腐菌生長(zhǎng)速度慢，制漿周期長(zhǎng)，由于白腐菌生長(zhǎng)消耗多糖，有可能影響制漿的得率，大規(guī)模生產(chǎn)存在一定的障礙。而通過添加白腐菌分泌的酶或商品酶制劑的輔助生物制漿，由于酶的滲透性差，得不到滿意的結(jié)果。因此，人們開始研究一些協(xié)同機(jī)制提高酶制劑的作用，如：蒸汽爆破預(yù)處理與酶的協(xié)同作用有利于改善酶的作用效率。Martín-Sampedro等[4]報(bào)道在藍(lán)桉木硫酸鹽法制漿工藝中通過蒸汽爆破預(yù)處理后，添加3 UA/g漆酶40 ℃處理3 h，縮短制漿時(shí)間 60%，木質(zhì)素脫除率提高 13.9%，Na2S和NaOH用量分別減少11.5%和6.3%。與白腐菌預(yù)處理相比較，有效降低卡伯值和化學(xué)品的消耗，減少纖維素多糖的降解。

2 造紙漂白中酶的應(yīng)用

傳統(tǒng)的制漿造紙工業(yè)中使用了大量的化學(xué)品，如：含氯化合物。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，為了減少造紙工業(yè)中氯排放對(duì)環(huán)境的影響，開發(fā)無氯漂白工藝是制漿造紙工業(yè)的重點(diǎn)。紙漿生物酶漂白是具有開發(fā)前景的無氯漂白途徑之一。木聚糖酶和漆酶是造紙工業(yè)中應(yīng)用于生物漂白主要酶種[5-6]。

Dhiman等[7]報(bào)道了來源于嗜熱脂肪芽胞桿菌Bacillus stearothermophilus SDX (MTCC 8508)和枯草芽胞桿菌Bacillus subtilis SS(MTCC 8509)兩種桿菌的堿性耐熱木聚糖酶(對(duì)應(yīng)為酶Ⅰ和酶Ⅱ)輔助漂白的效果，論文描述了在標(biāo)準(zhǔn)的紙漿氯漂工藝處理前加入 5 U/g木聚糖酶(酶Ⅰ或酶Ⅱ)，在pH 9.5 或pH 12.5，溫度70 ℃下處理3 h，與化學(xué)法相比可以減少15%或20%氯的消耗；在酶預(yù)處理時(shí)添加等量的酶Ⅰ和酶Ⅱ，作用條件為pH 9.5，溫度70 ℃，處理時(shí)間3 h，可以減少 35%的氯消耗，而且紙漿強(qiáng)度提高25%，破裂系數(shù)提高20%, 撕裂指數(shù)提高6.61%等紙漿性能得到明顯改善。

漆酶在制漿造紙工業(yè)中主要應(yīng)用于降解木質(zhì)素，因此在生物漂白的研究中也非常受重視，重點(diǎn)的研究是如何選擇工藝條件。Moldes等[8]報(bào)道了將來源于長(zhǎng)絨毛栓菌的漆酶應(yīng)用于硫酸鹽桉木漿無氯漂白工藝中，將第一步的氧漂改為漆酶的作用，作用條件為：漆酶添加量20 U/g，介質(zhì)用量1.5%，50 ℃，pH 5.0，通氧作用2 h。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)漆酶反應(yīng)介質(zhì)選用紫尿酸 (VA)時(shí)漂白效果達(dá)到最佳值：卡伯值改善 10%，白度ISO值提高1%，紙漿粘度提高5%。

盡管漆酶能直接作用木質(zhì)素，起到生物漂白的作用，但目前漆酶產(chǎn)量低，在催化過程中需要添加的化學(xué)介質(zhì)可能造成二次污染。因此，提高漆酶產(chǎn)量，選擇天然介質(zhì)，改善其漂白工藝是研究的重點(diǎn)。在木質(zhì)纖維中，木質(zhì)素與木聚糖酶結(jié)合以纏繞纖維素的形式存在。木聚糖酶與漆酶協(xié)同漂白作用，有助于提高木質(zhì)素的溶出，減少漆酶及介質(zhì)的使用。Valls等[9]的研究表明：木聚糖酶 (X)預(yù)處理后添加漆酶 (L)，再進(jìn)行堿抽提的工藝 (XLE)進(jìn)行輔助漂泊，漂白白度達(dá)到70% ISO時(shí)，可以減少30%漆酶和80% HBT(1-羥基苯并三氮唑)介質(zhì)的用量，漂白作用時(shí)間縮短45%。

作者課題組在畢赤酵母中表達(dá)了嗜鹽芽胞桿菌Bacillus halodurans C-125的堿性木聚糖酶，并實(shí)現(xiàn)了噸級(jí)發(fā)酵生產(chǎn)中試，將堿性木聚糖酶應(yīng)用于麥草漿的無氯漂白工藝中，采用添加酶量10 U/g的預(yù)處理，可以提高白度5.2% ISO，減少卡伯值 5.0%，而且對(duì)草漿的纖維起到一定的修飾作用[10]。

3 酶在造紙樹脂控制中的應(yīng)用

制漿造紙過程主要在以水為介質(zhì)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)及洗滌作用，以木材或非木材的一年生草本纖維原料的制漿造紙工藝中存在一些脂溶性抽提物，如：烷烴類化合物、脂肪醇、脂肪酸、樹脂酸、甾醇類化合物、萜類化合物、甘油三脂以及樹蠟等，這些物質(zhì)脫落后，不能溶于水被除去，若沉積于紙漿帶進(jìn)紙張中將形成“紙病”，若沉積于紙機(jī)上會(huì)引起機(jī)械故障，需要耗時(shí)進(jìn)行清理。

在木材原料中，大部分的脂溶性物質(zhì)集中在木頭的散射線和樹脂道上，部分真菌，如：變色菌 (Sapstain fungi)、白腐菌 (White-rot fungi)等在生長(zhǎng)過程中能利用脂肪酸、甘油三酯和甾醇等作為碳源，利用這些菌對(duì)木屑進(jìn)行預(yù)處理，可以明顯達(dá)到樹脂控制的目的[11-12]。盡管這些真菌能解決制漿造紙的樹脂控制的問題，但是同樣的無論是微生物制漿還是微生物脫脂都需要控制條件，減少微生物生長(zhǎng)過程中對(duì)纖維素的水解和破壞。

微生物通過制漿前的預(yù)處理達(dá)到樹脂控制的效果，與其相比較，酶制劑主要是通過作用紙漿達(dá)到除掉制漿的脂溶性抽提物的目的。利用酶制劑進(jìn)行樹脂控制具有作用時(shí)間短、專一性好等特點(diǎn)。商品化的脂肪酶已經(jīng)成功地應(yīng)用于水解軟木機(jī)械漿的甘油三酯[13]。最近有關(guān)于氧化酶的報(bào)道，來源于白腐菌的漆酶在介質(zhì)的存在下可以作用于脂肪酸、樹脂酸、甘油三酯和甾醇等脂溶性抽提物[14]。此外，有報(bào)道來源于禾頂囊殼菌的脂氧合酶可以有效去除桉木漿和亞麻漿中的脂溶性抽提物，包括：結(jié)合的或游離的甾醇、烷烴、脂肪醇和脂肪酸等[15]。

4 廢紙的生物酶法脫墨

廢紙循環(huán)利用可以減少木材的耗費(fèi)、節(jié)約能源與水的消耗、減少生產(chǎn)污染，符合低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向，目前世界各國廢紙回收率在逐步提升。廢紙?jiān)偕匾沫h(huán)節(jié)是脫墨工段，通常脫墨包括兩個(gè)步驟：一是把印刷的油墨從紙漿表面剝離；二是將油墨粒子從紙漿中洗脫出來。目前的廢紙化學(xué)脫墨工藝使用了多種化學(xué)品，如：NaOH、Na2SiO3、Na2CO3和H2O2、螯合劑和表面活性劑等，脫墨廢水由于含有大量的這些化學(xué)品，直接排放對(duì)環(huán)境造成毒害，需要耗費(fèi)資金進(jìn)行廢水處理，降低排放廢水的COD。酶制劑在廢紙脫墨的應(yīng)用可以減少廢水排放、節(jié)約水和能源的耗費(fèi)。脫墨酶主要作用于油墨與紙漿的連接點(diǎn)，根據(jù)廢紙來源差異和印刷油墨的不同可以選擇不同的酶種，包括：脂肪酶、木聚糖酶、纖維素酶和漆酶。為了有利于油墨粒子從紙漿中洗脫出來需要添加少量的表面活性劑。

Singh等[16]利用堿性木聚糖酶和堿性果膠酶對(duì)學(xué)?；厥諒U紙進(jìn)行脫墨處理，達(dá)到化學(xué)法脫墨同樣的效果時(shí)，可以減少化學(xué)品用量50%、減少排放廢水中20%的BOD和22%的COD；與化學(xué)法相比，紙漿粘度、裂斷長(zhǎng)度、耐破因數(shù)及抗裂系數(shù)分別提高10.71%、7.49%、10.52%和 6.25%。充分體現(xiàn)了酶法脫墨的優(yōu)勢(shì)。Ibarra等[17]利用纖維素酶、半纖維素酶和漆酶對(duì)廢報(bào)紙和雜志廢紙進(jìn)行脫墨研究，其中包括兩個(gè)含內(nèi)切半纖維素酶的商品酶 Ultraflo和Viscozyme，在脫墨試驗(yàn)中獲得顯著效果，分別在白度和脫墨效率上得到提高。而漆酶的脫墨效果主要體現(xiàn)在含木質(zhì)素較高的印刷卡 (片)紙板。在我們的研究中發(fā)現(xiàn)堿性脂肪酶和堿性木聚糖酶的復(fù)合脫墨劑在廢舊報(bào)紙和廢書籍紙的脫墨中獲得滿意的結(jié)果，復(fù)合酶脫墨劑在大卷紙衛(wèi)生紙廠和白板紙紙廠的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：達(dá)到同樣的脫墨效果時(shí)廢水 COD的排放量減少50%–60%，在控制作用條件下紙漿的白度和強(qiáng)度有所提高。

5 酶對(duì)造紙纖維性能的改善作用

在制漿工藝中有一個(gè)精煉工段，包括：制漿纖維素的疏解和整理，主要目的是提高纖維素的抄紙性和強(qiáng)度，截?cái)噙^長(zhǎng)纖維提高抄紙的均一性，改善抄紙的吸收率、孔隙率和白度。傳統(tǒng)方法主要通過機(jī)械作用或化學(xué)物質(zhì)的作用達(dá)到要求的目標(biāo)，利用微生物酶的作用進(jìn)行紙漿纖維的生物修飾有利于節(jié)省能源和減少化學(xué)試劑對(duì)纖維的破壞。

據(jù)報(bào)道將漆酶及HBT介質(zhì)系統(tǒng)添加到藍(lán)桉木漿的無氯漂白工藝中，減少了纖維素表面的羰基含量，部分去除己烯糖醛酸，從而改變纖維的表面帶電性和降低纖維懸浮的 勢(shì)能，漆酶的作用減少了制漿精制的機(jī)械能[18]。此外，漆酶對(duì)廢報(bào)紙脫墨漿的作用得到相似的結(jié)果，在廢紙漿中添加漆酶及組胺酸介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)廢紙漿的濕拉張強(qiáng)度、羰基含量、保水值分別提高55.1%、39.1%和 45.7%，在顯微鏡下纖維表面崩解度和帚化度增加，有利于進(jìn)一步的抄紙和增加紙張的強(qiáng)度[19]。

將來源于細(xì)菌的木聚糖酶應(yīng)用到高纖維素含量桉木漿的無氯元素的漂白工藝中，可促進(jìn)木聚寡糖以及支鏈己烯糖醛酸的釋放，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)制漿纖維表面帚化增加，纖維表面出現(xiàn)一些溝槽和裂口，有利于試劑滲入和木漿漂白以及增加紙張的強(qiáng)度[20]。

6 造紙酶的開發(fā)與生產(chǎn)

在造紙工業(yè)中化學(xué)制漿的粗漿洗滌、機(jī)械漿漂白、廢紙打漿及脫墨等工段中已經(jīng)有造紙酶工業(yè)規(guī)模使用的案例[21]，主要包括：纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶、錳過氧化物酶和漆酶。

通常纖維素酶是一種復(fù)合酶，包括：外切β-1,4葡聚糖酶及纖維二糖水解酶。在制漿造紙中纖維素酶作用于植物纖維表面及內(nèi)部層纖維起到輔助制漿、漂白、脫墨及紙幅修飾改善濾水性等作用。為了提高制漿得率，內(nèi)切β-1,4葡聚糖酶 (Endoglucanase，EG)可以有效地應(yīng)用于制漿造紙中。商業(yè)化的纖維素酶，如：FiberCare○R、FiberzymLBR○R和Celluclast 1.5L○R已在造紙工業(yè)中應(yīng)用。此外，在具有商業(yè)開發(fā)潛力的細(xì)菌纖維素酶中大部分生產(chǎn)的內(nèi)切葡聚糖酶主要水解非結(jié)晶纖維素，少數(shù)的芽胞桿菌Bacillus和類芽胞桿菌Paenibacillus產(chǎn)生的內(nèi)切葡聚糖酶可以水解微晶纖維素，坎皮納斯類芽胞桿菌 Paenibacillus campinasensis生產(chǎn)的耐熱中性纖維素酶已被開發(fā)應(yīng)用于制漿修飾和打漿酶[22]收到很好的效果。

內(nèi)切 1,4-β-木聚糖酶主要作用于木聚糖的β (1,4)-糖苷鍵，分解木聚糖及脫除木質(zhì)素，多種耐熱的堿性纖維素酶被應(yīng)用于造紙工業(yè)中，達(dá)到輔助漂泊、脫墨和輔助打漿的目的。在我們的工作中以來源嗜鹽芽胞桿菌 Bacillus halodurans X125 的內(nèi)切 β-1,4-木聚糖酶畢赤酵母中重組表達(dá)，在5 t罐中發(fā)酵最高酶酶活達(dá)到6 100 U/mL，由于該酶具有良好的耐熱性及耐堿性，可以有效地應(yīng)用于蘆葦漿的漂白及廢報(bào)紙的脫墨[23]。在生物漂白中其他半纖維素酶的協(xié)同作用，還可使得作用效果明顯提高[24]。

漆酶是一種多銅氧化酶，也稱多酚氧化酶，主要氧化含酚的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單位，但天然木材木質(zhì)素只有少于 20%的含酚結(jié)構(gòu)單位，另通常真菌漆酶分子量較大(分子量約為70 000 Da)難以穿入木頭中作用木質(zhì)素分子，由此提高漆酶的作用需要添加介質(zhì)物質(zhì)。白腐菌不但能分泌漆酶，同時(shí)可以產(chǎn)生錳過氧化物酶，錳過氧化物酶與漆酶協(xié)同作用，進(jìn)一步提高木質(zhì)素的降解作用，在國外已有效應(yīng)用于造紙的生物制漿上[25]。

7 展望

酶在制漿造紙工業(yè)的高效應(yīng)用可以提升生產(chǎn)效率、提高紙漿質(zhì)量、減少能耗和水耗。但是酶制劑在造紙工業(yè)的應(yīng)用仍然存在成本高、穩(wěn)定性不足、不易混合、駐留時(shí)間不夠及成漿質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著分子進(jìn)化及基因重組技術(shù)的提高，有利于提升酶的穩(wěn)定性及生產(chǎn)水平。此外，生物科學(xué)家與造紙工程師的協(xié)同攻關(guān)是推動(dòng)生物技術(shù)在紙漿造紙專業(yè)應(yīng)用的另一關(guān)鍵。

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