纖維素酶對(duì)麥草KP漿纖維性能的影響

付玲弟, 牛梅紅, 李 娜, 石海強(qiáng), 張 健

纖維素酶對(duì)麥草KP漿纖維性能的影響

付玲弟, 牛梅紅, 李 娜, 石海強(qiáng), 張 健

(大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧大連 116034)

對(duì)麥草KP漿進(jìn)行纖維素酶處理,通過(guò)纖維分析儀、纖維篩分儀以及打漿度儀對(duì)經(jīng)過(guò)不同纖維素酶酶用量處理的麥草KP漿進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,纖維長(zhǎng)度變化不大,酶用量為8 IU/g時(shí),纖維的質(zhì)量加權(quán)平均長(zhǎng)度增加了3%,質(zhì)量加權(quán)細(xì)小纖維組分降低了2.9%;酶用量為6 IU/g時(shí),細(xì)小纖維組分含量最低,打漿度值最大。綜合纖維性能和打漿度值,確定酶用量為6 IU/g。

纖維素酶;麥草KP漿;纖維;打漿度

0 引 言

在制漿造紙行業(yè)中,打漿能耗、環(huán)境污染等是近年來(lái)制約其發(fā)展的主要因素[1]。在打漿之前對(duì)漿料進(jìn)行生物酶預(yù)處理,可改善漿料的纖維性能并節(jié)約能耗。纖維素酶是造紙行業(yè)中使用最多的一種生物酶,是一種可將纖維素水解成纖維二糖和葡萄糖的一組復(fù)雜酶系的總稱(chēng)[2]。纖維素酶的各組分協(xié)同作用,破壞纖維的結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)[3-4],改善纖維性能。纖維素酶的預(yù)處理可破壞纖維表面結(jié)構(gòu),使纖維表面出現(xiàn)更多的空隙,增加其孔表面積,更多的羥基暴露出來(lái)[5]。纖維素酶的使用可降低打漿能耗,減少環(huán)境污染[6]。田野等[7]研究了纖維素酶處理對(duì)麥草化機(jī)漿性能及漂白性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維素酶處理后的漿料細(xì)小組分減少,相同打漿度條件下打漿轉(zhuǎn)數(shù)減少;李武光等[8]研究了纖維素內(nèi)切酶對(duì)漂白針葉木漿打漿性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維素內(nèi)切酶處理后的漿料打漿度值提高。本研究利用纖維素酶處理麥草KP漿,通過(guò)纖維素酶不同酶用量考察纖維長(zhǎng)度、細(xì)小纖維組分以及相同打漿轉(zhuǎn)數(shù)下打漿度值的變化,從而選出最佳纖維素酶處理麥草KP漿的最佳酶用量。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1原料

麥草KP漿,取自山東某紙業(yè)公司,分裝入密封袋,冰箱中平衡水分24 h以上。漿料纖維性質(zhì)見(jiàn)表1。

纖維素酶,由山東某生物有限公司提供,酶活未知待測(cè)。

表1 麥草KP漿纖維分析結(jié)果Tab.1 The analysis results of KP wheat straw pulp fiber

1.2主要實(shí)驗(yàn)儀器

Cary-300型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),FS-300纖維分析儀,纖維篩分儀,打漿度儀,PFI磨漿機(jī)。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 纖維素酶活的測(cè)定

酶活定義:每分鐘產(chǎn)生1μmol還原糖所需要的酶量為一個(gè)酶活單位。

DNS(3,5-二硝基水楊酸)與還原糖共熱后顏色由黃色變成棕紅色,在一定范圍內(nèi)還原糖含量與顏色變化成正比關(guān)系[9],使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在530 nm處測(cè)吸光度值,根據(jù)葡萄糖體積質(zhì)量與吸光度值關(guān)系繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。

將纖維素酶稀釋5萬(wàn)倍,以一號(hào)濾紙作為反應(yīng)底物,水浴50℃,酶解30 min,測(cè)定酶解液的吸光度值。將測(cè)定的吸光度值帶入葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線中得出酶解液中葡萄糖濃度,計(jì)算25 m L容量瓶中總葡萄糖質(zhì)量,換算成μmol。

式中:n(C6H12O6)為葡萄糖摩爾數(shù),μmol;30為酶解時(shí)間,min;N為酶液稀釋倍數(shù)。

1.3.2 纖維素酶用量對(duì)麥草KP漿纖維性能的影響

配制5份漿濃為5%的麥草KP漿置于聚乙烯塑料袋內(nèi),其中一份為空白樣,其余4份分別以4、6、8、10 IU/g(相對(duì)于絕干漿料)的酶量進(jìn)行酶處理,將酶與漿料混合均勻,置于50℃的恒溫水浴鍋中,每隔10～15 min搓揉一次塑料袋,使?jié){與酶液充分混合,反應(yīng)60 min后取出,調(diào)節(jié)p H至11進(jìn)行滅酶活10 min,然后用100目漿袋洗滌直至漿料為中性。置于密封袋中平衡水分24 h以上。

1.3.3 纖維分析

(1)用纖維分析儀對(duì)處理完的漿料進(jìn)行纖維分析。

(2)取10 g(絕干量)處理后的漿料進(jìn)行纖維篩分,烘至恒重后稱(chēng)量并計(jì)算各組分的質(zhì)量。

(3)處理完的漿料測(cè)定打漿度值,然后分別取4份30 g絕干漿配制成漿濃10%的漿料,用PFI磨漿機(jī)在相同功率下分別磨500,1 000,1 500, 2 000 r,磨漿后擠掉多余水分,平衡水分后分別測(cè)定其打漿度。

2 結(jié)果與討論

2.1纖維素酶活測(cè)定

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。測(cè)定纖維素酶原酶液酶活為5 800 IU/m L,實(shí)驗(yàn)所用均為原酶液的100倍稀釋液。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Glucose standard curve

2.2纖維素酶用量對(duì)麥草KP漿纖維性能的影響

2.2.1 不同酶用量處理后的漿料纖維分析

表2的纖維分析結(jié)果顯示,經(jīng)纖維素酶處理后,纖維的數(shù)量平均長(zhǎng)度幾乎沒(méi)有發(fā)生變化,但纖維的數(shù)量加權(quán)平均長(zhǎng)度在酶用量10 IU/g時(shí)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),酶用量為4與8 IU/g時(shí)纖維長(zhǎng)度增加了2.7%,纖維的質(zhì)量加權(quán)平均長(zhǎng)度在酶用量為4 IU/g時(shí)增加了4%。纖維的細(xì)小組分先增加后降低,但在酶用量為10 IU/g時(shí),纖維的細(xì)小組分含量最高。綜合纖維長(zhǎng)度與細(xì)小組分可以得知,酶用量為6與8 IU/g時(shí)纖維長(zhǎng)度相對(duì)最大,此時(shí)的細(xì)小組分相對(duì)較低;在酶用量10 IU/g時(shí)纖維長(zhǎng)度最短,細(xì)小組分含量最高。

表2 酶用量對(duì)纖維性能影響的纖維分析結(jié)果Tab.2 Fiber analysis results of enzyme dosages effect on fiber properties

隨著纖維素酶酶用量的增加,纖維數(shù)量加權(quán)平均與質(zhì)量加權(quán)平均長(zhǎng)度先增加后降低,纖維細(xì)小組分先降低后上升,是由于纖維素酶處理漿料時(shí),對(duì)細(xì)小纖維的切斷強(qiáng)度大于對(duì)長(zhǎng)纖維的切斷,當(dāng)酶用量進(jìn)一步增加時(shí),漿料纖維被切斷程度逐漸增加,纖維的長(zhǎng)度降低,細(xì)小組分含量增加。

2.2.2 纖維素酶用量對(duì)纖維各組分的影響

對(duì)經(jīng)不同酶用量處理后的紙漿進(jìn)行纖維篩分,由于纖維篩分儀對(duì)200目細(xì)小組分篩分時(shí)損失較多,因此纖維篩分結(jié)果把過(guò)100目篩的組分全部當(dāng)作細(xì)小組分來(lái)計(jì)算。由表3可知,0～30目長(zhǎng)纖維組分隨著酶用量的增加逐漸降低,30～50目組分呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì),50～100目的組分開(kāi)始時(shí)降低較快,但隨著酶用量的增加含量變化不大。因此,纖維素酶對(duì)纖維的降解是長(zhǎng)纖維與細(xì)小組分同時(shí)進(jìn)行,但是細(xì)小組分降解更快。

表3 纖維素酶用量對(duì)纖維各組分的影響Tab.3 Effect of cellulase dosages on the fibers of each component

表2中的數(shù)均細(xì)小纖維組分與表3中細(xì)小組分變化趨勢(shì)具有同一性,都是在酶用量為6 IU/g時(shí)出現(xiàn)最低值,表3中的酶用量為6 IU/g時(shí)的長(zhǎng)纖維組分0～50目也是經(jīng)酶處理后的漿料中含量最高的,說(shuō)明表2中的纖維長(zhǎng)度與未經(jīng)酶處理的漿料相比相差不大。因此最佳酶用量為6 IU/g。

2.2.3 纖維素酶用量對(duì)打漿度的影響

纖維素酶對(duì)打漿度值的影響主要是由于纖維素酶處理漿料時(shí),作用于纖維的結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū),纖維結(jié)晶區(qū)的破壞使得纖維打漿過(guò)程中更容易分絲帚化,從而提高打漿度。由圖2可知,打漿度隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),但是打漿度與打漿轉(zhuǎn)數(shù)不成正比關(guān)系。分析初始打漿度可以發(fā)現(xiàn),隨著酶用量的增加,打漿度值緩慢增加,增加趨勢(shì)不明顯。打漿轉(zhuǎn)數(shù)為500 r時(shí),打漿度呈現(xiàn)波浪現(xiàn)象,但整體分析還是成增大趨勢(shì),隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的進(jìn)一步增加,打漿度先增大后降低,酶用量6 IU/g、打漿轉(zhuǎn)數(shù)2 000 r時(shí)出現(xiàn)最大打漿度63°SR。酶用量的進(jìn)一步增加打漿度不但不升反而出現(xiàn)下降是由于纖維素酶對(duì)纖維的切斷強(qiáng)度太大,使得部分纖維被降解成聚糖或者單糖,大部分纖維被切得更短,更不容易發(fā)生分絲帚化,因此打漿度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖2 不同纖維素酶用量對(duì)打漿度的影響Fig.2 Effect of cellulase dosage on beating degree

3 結(jié) 論

麥草KP漿經(jīng)纖維素酶處理后,纖維長(zhǎng)度變化不是很大,在酶用量為8 IU/g,纖維的質(zhì)量加權(quán)平均長(zhǎng)度增加了3%;其細(xì)小纖維組分變化很大,在酶用量為8 IU/g,質(zhì)量加權(quán)細(xì)小纖維組分降低了2.9%;在酶用量為6 IU/g時(shí),打漿度值最大,但是隨著酶用量的進(jìn)一步增加打漿度非但沒(méi)有增加反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。為節(jié)約能耗,纖維素酶用量選擇6 IU/g。

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Effect of cellulase on fiber properties of wheat straw kraft pulp

FU Lingdi, NIU Meihong, LI Na, SHI Haiqiang, ZHANG Jian
(School of Light Industry and Chemical Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

Wheat straw kraft pulp treated with cellulase were analyzed with fiber analyzer,pulp fiber classifier and beating degree tester.A little change in fiber length was observed when different amount of cellulase was used.The mass-weighted average length of fiber was increased by 3%and the content of fine fiber was reduced by 2.9%when the amount of cellulase was 8 IU/g.The beating degree reached to the highest and the content of fine fiber reached to the lowest when the amount of cellulase was 6 IU/g.Considering fiber characteristics and beating degree together,the best amount of cellulase was 6 IU/g.

cellulase;wheat straw kraft pulp;fiber;beating degree

TS727

:A

1674-1404(2015)05-0334-03

2014-08-29.

付玲弟(1990-),女,碩士研究生;通信作者:牛梅紅(1966-),女,教授,E-mail:nmh414@163.com.