漆酶介體體系活化木纖維制備中密度纖維板的工藝優(yōu)化研究

關(guān) 鑫 劉學(xué)莘 郭明輝 林金國

(1.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

漆酶介體體系活化木纖維制備中密度纖維板的工藝優(yōu)化研究

關(guān) 鑫1劉學(xué)莘1郭明輝2林金國1

(1.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究基于漆酶介體體系活化天然木質(zhì)素制備中密度纖維板，由響應(yīng)面法分析得到漆酶介體體系活化木纖維的優(yōu)化工藝為,pH 5.0，反應(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時間為55.00 min，木纖維體積分數(shù)4.0%，ABTS摩爾濃度0.28 mmol/L，香草醛摩爾濃度1.66 mmol/L和漆酶活性60.00 U/mL。

木纖維；漆酶介體體系；中密度纖維板；響應(yīng)面法

伴隨世界經(jīng)濟的高速增長，生態(tài)安全、人類健康和經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展成為區(qū)域乃至國家發(fā)展進程的重要評價標準，由此引發(fā)林業(yè)產(chǎn)業(yè)橫縱向的拓展性研究。隨著生物環(huán)保型酵素在林業(yè)產(chǎn)業(yè)中的擴展應(yīng)用，木材無膠膠合的生物制備法再次引起人們的關(guān)注，其可有效降低人造板的生物毒害性，對保障生態(tài)安全、構(gòu)建環(huán)境友好型社會具有重大意義[1]。

漆酶是多酚氧化酶的一種，本質(zhì)上是一種環(huán)保型酵素，其在氧氣作用下催化氧化生成苯氧基自由基，自由基之間通過交叉耦合、分子纏結(jié)和共價鍵作用增強木材的自膠合性[2-5]。木纖維中的酚羥基和醇羥基即是漆酶的催化氧化底物，但由于漆酶的氧化還原電勢低于醇羥基，因此，本研究引入天然介體香草醛和人工介體ABTS構(gòu)建漆酶介體體系，其反應(yīng)機理見圖1～2[6-7]。應(yīng)用漆酶介體體系催化氧化木纖維中的天然木質(zhì)素生成膠黏物質(zhì)，采用高溫高壓熱處理法制備中密度纖維板，通過對中密度纖維板力學(xué)性能的分析，優(yōu)化漆酶介體體系活化木纖維的工藝參數(shù)。

1 研究方法

1.1 漆酶活性測定

用137.4 μL愈創(chuàng)木酚(分析純)與4.5 g丁二酸混合，用NaOH溶液調(diào)pH至4.5，再用蒸餾水定容至1 L，配置出實驗所需底物，再將酶液稀釋至n倍，取2.4 mL底物，加0.6 mL酶液，混合均勻，30 ℃條件下反應(yīng)30 min，運用TU-1900型紫外-可見分光光度計在465 nm下測吸光值A(chǔ)。酶活計算公式為：吸光值(A)×稀釋倍數(shù)(n)×13.89。本試驗測得的漆酶活性值為 4 000 U/g。

漆酶購自湖北康寶泰精細化工有限公司，使用前保存在-10 ℃的環(huán)境中。愈創(chuàng)木酚(2-甲氧基苯酚)購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司，其他化學(xué)試劑購自商業(yè)供應(yīng)商，純度等級為AP。

1.2 木纖維構(gòu)成元素測定

漆酶活性易受到鎂離子、銅離子、氯離子等的干擾[8-9]，因此，本研究采用英國VG公司產(chǎn)ESCALABMK型光電子能譜儀對木纖維進行光電子能譜掃描，以檢測其化學(xué)構(gòu)成元素，判斷其是否有干擾離子存在。X-射線源為MgK，圓錐型陽極(1 253.6 eV)，通能為20 eV，分析室真空度為3.2×107Pa。木纖維購自黑龍江南岔纖維板廠。

1.3 漆酶介體體系活化木纖維

工藝參數(shù)設(shè)置見表1。先分別配置漆酶溶液和介體溶液，漆酶溶液中加入50 mL 0.2 mol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(pH為5.0)，將漆酶溶液和介體溶液放在超聲波清洗機中進行溶解，同時將溫度設(shè)置為50℃。當(dāng)漆酶溶液、介體溶液和水浴溫度均達到50℃時，先將漆酶溶液和介體溶液混合，再與稱量好的木纖維(體積分數(shù)4%)混合攪拌，均勻后放入水浴鍋中恒溫加熱。反應(yīng)時，連續(xù)向反應(yīng)液中通氧，攪拌。利用響應(yīng)面法進行試驗設(shè)計(表2)，每組試驗重復(fù)20次，取計算平均值。其中，ABTS購自西格瑪奧德里奇試劑有限公司，香草醛購自阿達瑪斯試劑有限公司。

表1 漆酶介體體系活化木纖維工藝參數(shù)

表2 漆酶介體體系活化木纖維試驗設(shè)計

1.4 壓制中密度纖維板

將漆酶介體體系處理后的木纖維自重脫水，后置于真空干燥箱中進行真空脫水，干燥箱溫度為(103±2)℃，干燥時間為80 min，將溫度降為(80±2)℃，再干燥40 min，使木纖維含水率降至20%±3%。將木纖維放到模具中預(yù)壓60 s，后移至熱壓機中加熱、加壓制成200.0 mm×200.0 mm×3.2 mm的中密度纖維板，密度為800 kg/m3。熱壓過程分為干燥過程和塑化過程(圖3)。

1.5 力學(xué)性能測試

將壓制的纖維板放置在恒溫恒濕環(huán)境中養(yǎng)護48 h，按照GB/T 11718—2009《中密度纖維板》采用萬能力學(xué)實驗機測定其靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度和吸水厚度膨脹率，從而對漆酶介體體系活化木纖維工藝進行優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 木纖維構(gòu)成元素分析

采用全譜掃描方式準確測定木質(zhì)素表面的構(gòu)成元素，分析結(jié)果見圖4和表3。

木纖維表面構(gòu)成元素主要是C和O，其累積面積比例達到97.42%，其次還含有少量的N元素和Si元素。C和O主要來源于木材中的三大組分——纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，N主要來源于木材抽提物中的生物堿，而Si主要來源于木材灰分中的無機硅化物。結(jié)果表明，木纖維表面不含有Mg、Fe、Al等漆酶活性干擾元素，因此，不需要考慮其對漆酶活性的影響，在漆酶介體體系活化木纖維之前亦不需要再對木纖維做其他處理。

表3 木纖維全譜掃描結(jié)果

2.2 力學(xué)性能分析

分別對15組中密度纖維板力學(xué)測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，靜曲強度的組間變異系數(shù)小于3.3%；彈性模量的組間變異系數(shù)小于0.6%；內(nèi)結(jié)合強度的組間變異系數(shù)小于6%；吸水厚度膨脹率的組間變異系數(shù)小于11%，力學(xué)性能測試結(jié)果符合GB/T 11718—2009的性能要求。模型擬合度R2和顯著性檢驗水平分別為0.960(P=0.000 2)、0.940(P=0.001 5)、0.915(P=0.002 0)、0.885(P=0.001 0)。

為了進一步研究介體，漆酶和反應(yīng)時間對力學(xué)性能的交互作用，采用降維法分析靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度和吸水厚度膨脹率的回歸模型，響應(yīng)面見圖5。

由靜曲強度(圖5(a1),(a2)和(a3))分析可知，漆酶的適用量區(qū)間為59.08～70.00 U/mL，介體的適用濃度區(qū)間為1.94～2.33 mmol/L，反應(yīng)時間的適用區(qū)間為54.98～90.00 min。而由彈性模量(圖5 (b1),(b2)和(b3))分析可知，漆酶的適用量區(qū)間為54.90 ～69.50 U/mL，介體的適用濃度區(qū)間為1.94～2.34 mmol/L，反應(yīng)時間的適用區(qū)間為48.00～90.00 min。由內(nèi)結(jié)合強度(圖5(c1)、(c2)和(c3))分析可知，漆酶的適用量區(qū)間為56.00～70.00 U/mL，介體的適用濃度區(qū)間為1.94～2.37 mmol/L，反應(yīng)時間的適用區(qū)間為46.80～90.00 min。最后，由吸水厚度膨脹率(圖5(d1),(d2)和(d3))分析可知，漆酶的適用量區(qū)間為57.00～70.00 U/mL，介體的適用濃度區(qū)間為1.82～2.37 mmol/L，反應(yīng)時間的適用區(qū)間為50.00～85.00 min。

木質(zhì)素是漆酶介體體系活化的主要活性物質(zhì)，漆酶的添加量與木質(zhì)素的含量有關(guān)，過多的漆酶因空間位阻作用可能會阻礙反應(yīng)的進行。介體能有效促進非酚型木質(zhì)素的氧化反應(yīng)，但介體與漆酶的反應(yīng)和介體與木質(zhì)素的反應(yīng)是相互競爭的，因此，介體添加量不能偏多，否則會抑制非酚型木質(zhì)素的氧化反應(yīng)，偏少則反應(yīng)不完全。較長的反應(yīng)時間利于反應(yīng)的充分進行，但時間過長，木質(zhì)素會發(fā)生水解，與纖維素分離，從而降低力學(xué)性能。綜上，為同時得到理想的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度和吸水厚度膨脹率，最終確定漆酶介體體系活化木纖維的優(yōu)化工藝為漆酶用量60.00 U/mL，ABTS的濃度為0.28 mmol/L，香草醛的濃度為1.66 mmol/L，反應(yīng)時間為55.00 min。

2.3 驗證試驗

依據(jù)試驗步驟，對優(yōu)化工藝進行驗證，重復(fù)進行試驗20次，得到的力學(xué)測試結(jié)果見表4。其力學(xué)性能符合GB/T 11718—2009中普通型中密度纖維板的性能要求。

表4 驗證實驗力學(xué)測試結(jié)果

3 結(jié) 論

以木纖維為原料，應(yīng)用漆酶介體體系催化氧化作用生成天然膠粘物質(zhì)，采用高溫高壓熱處理法制備中密度纖維板，符合國標GB/T 11718—2009的性能要求[10]，且基于力學(xué)性能分析得到漆酶介體體系活化木纖維的優(yōu)化工藝為：pH 5.0(0.2 mol/L的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液)，反應(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時間為55.00 min，木纖維體積分數(shù)4.0%，ABTS摩爾濃度0.28 mmol/L，香草醛摩爾濃度1.66 mmol/L，漆酶活性60.00 U/mL。

[1] Thurston C F. The structure and function of fungal laccases[J]. Microbiology, 1994, 140(1): 19-26.

[2] Mayer A M, Staples R C. Laccase: new functions for an old enzyme[J]. Phytochemistry, 2002, 60(6): 551-565.

[3] Yoshida H. LXIII.-chemistry of lacquer (urushi). part I. communication from the chemical society of tokio[J]. Journal of the Chemical Society, Transactions, 1883, 43: 472-486.

[4] 李堅．生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社，2008．

[5] 段新芳，曹遠林，曹永建，等．漆酶活化處理對木材自由基變化的影響[J]．林業(yè)科學(xué)，2007，43(4)：134-136．

[6] Moldes D, Díaz M, Tzanov T, et al. Comparative study of the efficiency of synthetic and natural mediators in laccase-assisted bleaching of eucalyptus kraft pulp[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(17): 7959-7965.

[7] Oudia A, Mészáros E, Sim?es R, et al. Pyrolysis-GC/MS and TG/MS study of mediated laccase biodelignification ofEucalyptusglobuluskraft pulp[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2007, 78(2): 233-242.

[8] 王習(xí)文，詹懷宇，何為．銅(Ⅱ)對漆酶活性的影響[J]．紙和造紙，2003，7(4)：43-44．

[9] 朱顯峰，丁濤．常見金屬離子對漆酶酶活的影響[J]．化學(xué)研究，2003，14(3)：50-51, 54．

[10] 王星，曹金珍，崔福通.DPAB對中密度纖維板性能的影響[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,33(1):76-80.

(責(zé)任編輯 曹 龍)

Study on the Process Optimization of Medium Density Fiberboard Made by Laccase Mediator System

GUAN Xin1,LIU Xue-shen1,GUO Ming-hui2,LIN Jin-guo1

(1.College of Material Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou Fujian 350002,China；2.Key Lab.of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,China)

A new method to manufacture wood-based panel was come up with laccase as a kind of eco-friendly enzymes. In this study, according to the laccase mediator system, wood fibers were modified to manufacture medium density fiberboard.Based on the response surface methods, the best technological parameters were confirmed that was pH 5.0,50 ℃ of treatment temperature, 55 min of treatment time, 4.0% volume fraction of wood fiber, 0.28 mmol/L of ABTS concentration, 1.66 mmol/L of vanillin concentration and 60 U/mL of laccase activity.

wood fiber;laccase mediator system;medium density fiberboard;process optimization

2014-01-16

國家“十二五”科技支撐項目(2011BAD08B03)資助；福建農(nóng)林大學(xué)重點項目建設(shè)專項(6112C070N)資助。

林金國(1967—)，男，博士，教授。研究方向：生物質(zhì)材料與工程。Email:fjlinjg@126.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.017

S784

：A

：2095-1914(2014)05-0090-05

第1作者：關(guān)鑫(1984—)，女，博士，講師.研究方向：家具設(shè)計制造和家具新型原材料。Email：guanxin1001@sina.com。